基于科學(xué)探究能力培養(yǎng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

黃佳

摘? ?要：科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，如何在物理教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力呢？筆者試圖通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，利用層層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)活動引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，從而提升學(xué)生的科學(xué)探究和科學(xué)思維能力。文章以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)突破定量探究單擺周期與重力加速度的關(guān)系這一難點(diǎn)為例，闡述如何在解決物理問題的過程中提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);核心素養(yǎng);單擺周期

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）10-0049-4

科學(xué)探究是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估和反思的能力。物理學(xué)科通過實(shí)驗(yàn)活動進(jìn)行科學(xué)探究，透過觀察現(xiàn)象去挖掘其背后蘊(yùn)含的物理規(guī)律和原理，在這個(gè)過程中所運(yùn)用和體現(xiàn)的多種能力綜合形成的探究能力，是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時(shí)培養(yǎng)其科學(xué)素養(yǎng)的直接體現(xiàn)。

1? ? 科學(xué)探究能力培養(yǎng)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的融合

在單擺的教學(xué)過程中，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生利用控制變量法分別探究了單擺周期與擺球質(zhì)量、單擺擺長以及擺角之間的關(guān)系，培養(yǎng)了學(xué)生的自主探究能力。但由于課堂所在地的重力加速度保持不變，并且地球各地的重力加速度的數(shù)值相差不多，無法有效地開展探究單擺周期與重力加速度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，使得教學(xué)過程中的實(shí)驗(yàn)探究缺乏完整性和嚴(yán)謹(jǐn)性，若在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生得到單擺周期表達(dá)式則缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)。因此，如何有效地進(jìn)行單擺周期與重力加速度定量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)探究，成為課堂教學(xué)中急需突破的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

尋求定量探究單擺周期與重力加速度的關(guān)系，正是科學(xué)探究中所指的“基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題”，是學(xué)生思維出現(xiàn)疑問的起點(diǎn)。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想和假設(shè)：單擺周期與重力加速度之間可能是什么樣的關(guān)系，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案進(jìn)行驗(yàn)證，在這個(gè)過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，最后對整個(gè)科學(xué)探究過程進(jìn)行交流與反思。由此，基于科學(xué)探究能力培養(yǎng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2? ? 基于科學(xué)探究能力培養(yǎng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

2.1? ? 基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題

學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，研究單擺周期的影響因素。首先，讓學(xué)生猜想單擺周期的影響因素，很容易想到影響單擺周期的有擺球質(zhì)量、擺長、擺角、重力加速度等因素。然后，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，探究單擺周期與擺球質(zhì)量、擺長、擺角等的關(guān)系。最后，引導(dǎo)學(xué)生得出單擺周期與擺球質(zhì)量和擺角的關(guān)系以及與擺長的定量關(guān)系。

提出問題1：單擺周期與重力加速度的關(guān)系是怎樣的呢？

學(xué)生回答：沒有辦法完成實(shí)驗(yàn)探究，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)重力加速度的值不能變化。

提出問題2：有什么辦法可以改變重力加速度的值呢？

要完成單擺周期與重力加速度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)探究，必須要改變重力加速度。引導(dǎo)學(xué)生思考，想到地球表面重力加速度的影響因素有兩個(gè)：緯度的變化以及高度的變化。學(xué)生通過交流與討論后得出，可以到全球不同的地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或者通過高度的變化改變重力加速度的值完成實(shí)驗(yàn)探究。

教師展示深圳、蘇州、北京三個(gè)地點(diǎn)在擺長為1 m的情況下單擺周期的數(shù)值，以及在蘇州市國際金融中心不同高度處擺長為1 m的情況下單擺周期的數(shù)值，如表1所示。

提出問題3：根據(jù)不同地點(diǎn)、不同高度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，同學(xué)們可以得到什么結(jié)論？

學(xué)生回答：單擺周期的數(shù)值基本沒變，與重力加速度無關(guān)。

提出問題4：緯度的變化和海拔高度的變化對重力加速度的影響大嗎？

2.2? ? 引導(dǎo)學(xué)生猜想與假設(shè)

試圖通過改變實(shí)驗(yàn)所在地及所在高度繼而直接改變重力加速度的值，無法完成單擺周期與重力加速度關(guān)系的探究。

提出問題5：如何創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)探究呢？

引導(dǎo)學(xué)生思考，在前面的教學(xué)過程中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，考慮的是直接改變重力加速度的值。那么，能不能通過有效的物理方法和思想，間接地改變物體重力加速度的值呢？通過等效的物理思想，改變擺球在豎直方向上的受力，達(dá)到改變物體所受“等效重力加速度”的目的。

提出問題6：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過改變“等效重力加速度”的值完成實(shí)驗(yàn)探究。

學(xué)生進(jìn)行分組討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，在擺球下方放置磁體（筆者提供給學(xué)生的是磁磚，磁磚的特點(diǎn)是體積大，而且周圍的磁場分布相對均勻），實(shí)驗(yàn)時(shí)控制擺長為1 m，測量單擺周期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)原理是擺球由于受到向下的磁力作用從而使“等效重力加速度”增加，測量單擺周期與等效重力加速度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表2中。

此實(shí)驗(yàn)方案定性地比較了在增加磁體前后，由于擺球所受到的豎直向下的“等效重力”增大，轉(zhuǎn)化為擺球的“等效重力加速度”增大，由此探究得到單擺周期與等效重力加速度之間的關(guān)系，即單擺周期隨重力加速度的增大而減小。

提出問題7：你可以猜想出單擺周期和重力加速度具體的定量關(guān)系嗎？

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想，由上面的實(shí)驗(yàn)得出單擺周期隨“等效重力加速度”的增大而減小，可以猜想假設(shè)單擺周期與重力加速度成反比？或者單擺周期與重力加速度的平方成反比？等等。

2.3? ? 設(shè)計(jì)定量探究實(shí)驗(yàn)方案

定量探究重力加速度對單擺周期的影響，關(guān)鍵在于如何定量改變重力加速度。已經(jīng)引導(dǎo)學(xué)生思考利用了等效性思想，通過改變擺球的“等效重力加速度”從而完成實(shí)驗(yàn)探究。

提出問題8：思考有哪些方法可以定量改變擺球的“等效重力加速度”呢？

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行回顧與思考，結(jié)合“伽利略對自由落體運(yùn)動的研究”的學(xué)習(xí)過程，采用了伽利略“沖淡”重力斜面實(shí)驗(yàn)的思想，定量改變擺球所受的“等效重力加速度”。示意圖如圖3所示，當(dāng)斜面傾角為θ時(shí)，沿斜面方向重力的分力G'=Gsinθ，等效重力加速度g'=gsinθ。

借此物理思想，利用斜面代替豎直平面進(jìn)行單擺實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。利用斜面“沖淡”重力，通過控制斜面傾角θ，達(dá)到改變“等效重力加速度的值”，從而定量地探究單擺周期和重力加速度的關(guān)系。

提出問題9：斜面上擺球的運(yùn)動可以“等效”于單擺運(yùn)動嗎？

引導(dǎo)學(xué)生思考，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維能力。原始的單擺模型在擺動過程中回復(fù)力來源于重力的分量，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的擺球懸浮于斜面上擺動，回復(fù)力的來源為mgsinθ，故等效重力加速度g'=gsinθ，斜面上擺球的運(yùn)動可以等效于重力加速度為g'=gsinθ的單擺運(yùn)動。

2.4? ? 定量探究實(shí)驗(yàn)裝置制作及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

為消除擺球和斜面之間的摩擦，實(shí)驗(yàn)過程中將擺球替換為輕質(zhì)圓盤（圖5），并采用氣墊導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)思想，將斜面制作成中空密閉的長方體箱體（圖6），并根據(jù)圓盤擺動過程中經(jīng)過的區(qū)域大小，在斜面朝上的箱體平面上打穿很多小孔，同時(shí)使箱體連接空氣泵。實(shí)驗(yàn)時(shí)打開空氣泵，從箱體上小孔中噴出的氣體讓輕質(zhì)圓盤能夠穩(wěn)定地懸浮于斜面之上，使輕質(zhì)圓盤在斜面平面內(nèi)做小角度擺動，測量擺動的周期，從而進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)探究。

實(shí)驗(yàn)過程中通過控制箱體的傾角θ，從而改變單擺圓盤的等效重力加速度g'=gsinθ。制作實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)將長方體箱體固定在帶有可調(diào)節(jié)角度的鋁合金支架上，并將支架穩(wěn)定地固定在水平面上（圖7）。同時(shí)，通過量角器測量斜面的傾角（圖8），達(dá)到有效控制傾角和讀取傾角的目的。

定量探究單擺周期與重力加速度關(guān)系的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究時(shí)控制擺長為1 m，調(diào)節(jié)斜面傾角分別為30°、45°、60°、75°時(shí)，使圓盤在斜面平面做小角度擺動，測量30個(gè)周期的時(shí)間求平均值得到單擺的周期，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表3中。（計(jì)算等效重力加速度時(shí)，參照江蘇地區(qū)重力加速度的值）

2.5? ? 定量探究實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

定量探究實(shí)驗(yàn)中得到不同等效重力加速度時(shí)單擺的周期，畫出單擺周期的平方和重力加速度倒數(shù)的關(guān)系圖像（圖10）。得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：單擺周期的平方與重力加速度的倒數(shù)成正比。

2.6? ? 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行交流、評估和反思

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)完成了單擺周期與重力加速度關(guān)系的定量研究，結(jié)合單擺周期與擺球質(zhì)量、擺長、擺角等關(guān)系，完整地探究了單擺周期與各個(gè)影響因素之間的關(guān)系，為引導(dǎo)學(xué)生得出單擺周期的表達(dá)式提供了詳實(shí)、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生交流討論，對層層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)過程開展評估與反思。

提出問題10：結(jié)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，你還能設(shè)計(jì)其他的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行單擺周期與重力加速度關(guān)系的定量探究嗎？

引導(dǎo)學(xué)生拓展思維，突破思維定式完成升華。

設(shè)想方案1：在超重或者失重情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，例如在電梯中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。加速或者減速狀態(tài)下，擺球所受“等效重力加速度”改變，繼而研究單擺周期的變化。

設(shè)想方案2：利用電場來改變擺球的“等效重力加速度”，從而研究單擺周期的變化。

……

以學(xué)生為主體的交流、評估與反思的過程，讓學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)探究不能局限在課堂教學(xué)中，解決問題的方法也不是只有一種，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

3? ? 總結(jié)與評價(jià)

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力是物理教學(xué)的核心實(shí)踐活動，是發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。基于科學(xué)探究能力培養(yǎng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，成為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)創(chuàng)新、突破學(xué)生難點(diǎn)的重要手段，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的過程中鍛煉了學(xué)生的科學(xué)思維，學(xué)會結(jié)合前面的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行知識的遷移與內(nèi)化，學(xué)生經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)問題、提出方案、改進(jìn)裝置、實(shí)驗(yàn)探究、解決問題的過程，提升了物理思維的本質(zhì)，使培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的目標(biāo)有效達(dá)成。

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

1154501705296