淺談實(shí)驗(yàn)資源開發(fā)與探究式教學(xué)的有效整合＊

谷春生

（阜陽市第三中學(xué) 安徽 阜陽 236006）

隨著高中新課程改革的全面推開，科學(xué)探究已成為當(dāng)前基礎(chǔ)教育課程改革的熱點(diǎn)、亮點(diǎn)和難點(diǎn)．迫切要求教師要善于吸收教育科學(xué)及所教學(xué)科的最新成果，拓寬自己的知識(shí)面，挖掘出教材所蘊(yùn)涵的探究性因素，精心設(shè)計(jì)相應(yīng)的探究性課題，把學(xué)生置于開放、多元的學(xué)習(xí)環(huán)境中，確立學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，增進(jìn)獨(dú)立思考能力，啟迪創(chuàng)新思維，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，使其逐步形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神，更有利于我國創(chuàng)新拔尖人才的培養(yǎng)．

物理學(xué)在日常生活、生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中有著極其廣泛的應(yīng)用．在物理學(xué)習(xí)中，注重實(shí)際問題的分析探究，對(duì)于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓寬知識(shí)面，提高應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，樹立一切從實(shí)際出發(fā)的良好作風(fēng)，都是十分必要的．筆者在教學(xué)中開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源，設(shè)計(jì)實(shí)踐探究問題，激發(fā)了學(xué)生的探究欲望，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力．下面略舉幾個(gè)物理實(shí)驗(yàn)探究與探究式教學(xué)有效整合的案例，以求拋磚引玉．

案例一：對(duì)自然休止角的探究

（1）創(chuàng)設(shè)情境 引出問題

在工程技術(shù)中，修建鐵路、公路的路堤和路塹時(shí)，允許的邊坡傾角最大值叫做“自然休止角”，如圖1所示．如果邊坡傾角超過自然休止角，則會(huì)導(dǎo)致路基不穩(wěn)，若最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力，自然休止角與土壤顆粒之間的動(dòng)摩擦因數(shù)有沒有關(guān)系？若有關(guān)，存在什么樣的關(guān)系呢？

圖1

（2）學(xué)生積極思考 分析猜想

異口同聲地回答：沒有關(guān)系．到底是不是大家猜想的情景呢？

（3）引導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 實(shí)施自主探究

取一塊長木板、一個(gè)小木塊和一塊橡皮，要測(cè)定木塊和木板間、橡皮和木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)．提供刻度尺，彈簧測(cè)力計(jì)等器材，應(yīng)該怎樣完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)？

（4）學(xué)生思考討論 積極回答

有些學(xué)生回答：首先用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出小木塊的重力，然后在水平放置的長木板上用彈簧測(cè)力計(jì)勾著小木塊緩慢水平拉動(dòng)，觀察彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，最后用拉力除以小木塊的重力，即可求出動(dòng)摩擦因數(shù)．

另一些學(xué)生回答：把小木塊放在長木板上，將木板一端逐漸抬高，當(dāng)小木塊剛開始滑動(dòng)時(shí)，測(cè)出小木塊初始位置至長木板底端點(diǎn)連線在水平桌面上投影的長度和初始位置時(shí)小木塊離水平面的高度，則動(dòng)摩擦因數(shù)就等于該高度與投影長度的比值，如圖2所示．

圖2

（5）教師點(diǎn)撥 啟迪思維

這兩種方案都可行，說明大家很有創(chuàng)造的天賦．但在研究“自然休止角”方面，用哪種較方便呢？對(duì)！有的學(xué)生猜到了：第二種方案，因?yàn)槠湔`差小一些．

（6）引申分析 啟迪思考

在第二種方案中分別測(cè)出剛開始滑動(dòng)時(shí)小木塊至長木板底端點(diǎn)該線段在水平桌面上投影的長度l和小木塊離水平面的高度h，由于使小木塊沿斜面方向運(yùn)動(dòng)的分力等于G sinθ，其中G為小木塊的重力，θ為木板與水平面間的夾角；而小木塊與木板間最大靜摩擦力約等于剛啟動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)摩擦力，即f＝μG cosθ，μ為待求的動(dòng)摩擦因數(shù)，小木塊剛啟動(dòng)可近似看作緩慢勻速運(yùn)動(dòng)，則

由此可得動(dòng)摩擦因數(shù)

剛才探究的路堤邊坡的“自然休止角”也可以用類似方法求得．只要把路堤邊坡看作一個(gè)斜面，取斜面上的一土壤顆粒為研究對(duì)象即可．測(cè)得所研究土壤顆粒到邊坡底角尖的長度，再用直尺和三角板測(cè)出土壤顆粒離地面的高度h，然后計(jì)算出土壤顆粒至邊坡底角尖的線段在水平面上投影的長度l，最后得出自然休止角與土壤顆粒之間的動(dòng)摩擦因數(shù)的關(guān)系，即

運(yùn)用這種方法也可以解釋日常生活中，達(dá)到最大高度的沙堆為什么都是相同的形狀？因其圓錐母線與地面間的夾角都基本達(dá)到了自然休止角，而自然休止角僅與沙粒之間的動(dòng)摩擦因數(shù)有關(guān)，而沙粒與沙粒之間的動(dòng)摩擦因數(shù)相同，所以沙堆達(dá)到最高時(shí)都呈現(xiàn)相同的形狀，如圖3所示．

圖3

點(diǎn)評(píng)：根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)的主觀猜想，往往是不可靠的，需要通過實(shí)踐來檢驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)探究能夠給學(xué)生提供實(shí)踐的機(jī)會(huì)，從而培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的觀察能力、動(dòng)手能力、分析綜合能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力和自主創(chuàng)新能力．

案例二：對(duì)“天女散花”的奇特現(xiàn)象探究

（1）創(chuàng)設(shè)情境 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 引出問題

準(zhǔn)備一只新的保鮮袋，干燥潔凈的泡沫板和手帕各一塊，一只帶有絕緣柄的金屬盤，少許輕薄的紙屑．把保鮮袋套在泡沫塑料板外，用手帕摩擦保鮮袋使薄膜帶電．另外把小紙屑放在金屬盤上，一只手接觸金屬盤的上表面，另一只手持絕緣柄將金屬盤置于塑料袋上．然后將接觸金屬盤的手指移開，另一只手持絕緣柄迅速將金屬盤提起，如圖4所示．請(qǐng)大家猜想一下：會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？（實(shí)驗(yàn)前，各用具最好在陽光下曬干燥）

圖4

（2）學(xué)生積極思考 分析猜想

眾說紛紜，莫衷一是．部分學(xué)生認(rèn)為不會(huì)有什么現(xiàn)象發(fā)生；有些認(rèn)為可能有．

（3）家庭實(shí)驗(yàn) 實(shí)施探究

學(xué)生分別從家中找來器材，實(shí)施自主探究，多做幾次以得出一般規(guī)律．

（4）實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果 出乎意料

絕大多數(shù)學(xué)生驚奇地觀察到：金屬盤上的小紙屑向上和四周飛散開來，猶如天女散花；少數(shù)學(xué)生沒有得到這一奇特現(xiàn)象．

注意：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有戲劇性效果的關(guān)鍵是所有器具都要干燥和潔凈．另外，紙屑宜輕小，最好用日光燈的廢舊啟輝器中很薄的電容器層間紙剪成（或用很薄的錫箔紙）．

與猜想結(jié)果不相符合，激發(fā)起學(xué)生更加強(qiáng)烈的好奇心和探究欲望，為什么是這樣的呢？

（5）層層設(shè)疑 激發(fā)想象

1）為什么金屬盤放在塑料袋上時(shí)，紙屑不會(huì)飛起來，而等到金屬盤被提起時(shí)紙屑才散開？

2）金屬盤放在塑料袋上時(shí)紙屑沒飛起來，而等到金屬盤被提起時(shí)紙屑才散開，使紙屑散開的能量哪里來的呢？你能從能量角度來解釋這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象嗎？

（6）引導(dǎo)分析 啟迪思維

1）該奇特的探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可從電荷間相互作用的角度來解釋．研究表明，手帕摩擦塑料袋，塑料袋通常帶上負(fù)電．將帶有絕緣柄的金屬盤覆蓋在帶電的塑料膜上（金屬盤與塑料膜間不可避免地存在空隙），如果不用手接觸金屬盤上表面，金屬盤下表面出現(xiàn)感應(yīng)正電荷，則上表面出現(xiàn)感應(yīng)負(fù)電荷，如圖5（a）所示．手指接觸一下金屬盤上表面，負(fù)電荷便通過手指傳給大地，如圖5（b）所示．然后將接觸金屬盤的手指移開，另一只手持絕緣柄迅速將金屬盤提起，電荷頓時(shí)重新分布，如圖5（c）所示．這時(shí)，紙屑帶上了同號(hào)電荷——正電荷，由于紙屑與金屬盤電荷間的相互作用和紙屑與紙屑電荷間的相互作用，因此金屬盤上的小紙屑向上和四周飛散開來．

圖5

2）手帕摩擦塑料袋，塑料袋帶負(fù)電荷．金屬盤下表面出現(xiàn)感應(yīng)正電荷，金屬盤與塑料袋之間便形成一個(gè)平行板電容器．此時(shí)一只手接觸金屬盤的上表面，使其上表面接地，其電勢(shì)為零，靜電場局限于剛才所形成的平行板電容器之間．由于兩板間的間距d很小，所以電容量C很大．又因?yàn)闃O板上電荷量Q一定，所以電勢(shì)差較小．當(dāng)將接觸金屬盤的手指移開，另一只手持絕緣柄迅速將金屬盤提起時(shí)，d增大，電容量C減小，而此時(shí)極板上電荷量Q保持不變，故兩板間電勢(shì)差U增大，金屬盤電勢(shì)由零變?yōu)檎c地之間有了較大的電勢(shì)差，金屬盤上的帶電紙屑便在電場力的作用下運(yùn)動(dòng)．金屬盤與地之間電場能的獲得是以人手抬起金屬盤克服塑料板施加的電場力做功為代價(jià)的．紙屑運(yùn)動(dòng)所獲得的動(dòng)能則是以金屬盤與地之間的電場能的減小為代價(jià)的，畢竟紙屑在飛離的同時(shí)帶走了金屬盤上的電荷．

點(diǎn)評(píng)：這個(gè)實(shí)驗(yàn)非常有趣，可以培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的觀察能力、分析綜合能力．在玩中學(xué)，在愉快中感悟，在濃厚的興趣中提升，實(shí)施自主探究，親身感受，將使物理學(xué)變得更加親切．

案例三：對(duì)小球大球落地反彈奇異現(xiàn)象的探究

（1）創(chuàng)設(shè)情境 引出問題

把一個(gè)充滿氣的小皮球放在一個(gè)充滿氣的籃球的正上方（圖6），從某一高度處自由下落，撞在硬質(zhì)水平地面上，它們反彈的高度差不多一樣高嗎？

圖6

（2）學(xué)生積極思考 分析猜想

異口同聲地回答：它們反彈的高度差不多一樣高，因?yàn)閮汕蜷_始時(shí)在一起，釋放后都做自由落體運(yùn)動(dòng)，處于完全失重狀態(tài)，仍在一起，反彈后當(dāng)然還在一起，故反彈的高度差不多一樣高．究竟是不是這樣呢？

（3）家庭實(shí)驗(yàn) 實(shí)施探究

學(xué)生分別找來充滿氣的小皮球和籃球，雙手從側(cè)面捏住，使它們處于小皮球在上、籃球在下的豎直接觸狀態(tài)，然后同時(shí)釋放，讓它們撞在硬質(zhì)水平地面上，測(cè)出兩球彈起高度，實(shí)施自主探究，多做幾次以得出一般規(guī)律．

（4）實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果 出乎意料

兩球彈起高度大不相同，出現(xiàn)小皮球反彈高度比籃球反彈高度大許多的現(xiàn)象．

與猜想結(jié)果不相符合，激發(fā)起學(xué)生更加強(qiáng)烈的好奇心和探究欲望：為什么是這樣的呢？

（5）引導(dǎo)分析 啟迪創(chuàng)新思維

這個(gè)問題比較復(fù)雜．先通過一個(gè)簡單的模型類比一下．

假設(shè)在光滑的水平面上有兩個(gè)大小相同的剛性小球，質(zhì)量分別為m1和m2，以v1和v2的速度運(yùn)動(dòng)并發(fā)生彈性正碰，碰后速度分別為v1′和v2′．根據(jù)動(dòng)量守恒定律，列出下列方程

m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′（1）又由于在碰撞過程中系統(tǒng)沒有機(jī)械能損失，即碰前的總動(dòng)能等于碰后的總動(dòng)能

由式（1）得

由式（2）得

即

式（4）除以式（3），得

即

式（5）的物理含義是：兩球彈性正碰前的相對(duì)速度和碰撞后的相對(duì)速度大小相等，方向相反．

利用上述結(jié)論可以解釋本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：設(shè)兩球下落高度均為h，忽略空氣阻力的影響．籃球著地前的瞬時(shí)速度是v．在瞬間內(nèi)，籃球與地面碰撞并改變速度方向．為了簡化討論，認(rèn)為地面近似是剛性面，即充滿氣的籃球與地面碰撞后反彈的速度大小為，此時(shí)小皮球速度大小也為2g槡h，但方向豎直向下，所以小皮球與籃球相向碰撞，碰前相對(duì)籃球的速度大小是2 槡2gh，方向豎直向下．兩充滿氣的球的碰撞也可以近似看作完全彈性碰撞，由式（5）可知：碰后小皮球相對(duì)籃球的速度大小仍為，只不過方向相反，變?yōu)樨Q直向上．在籃球與小皮球的碰撞過程中，因?yàn)榛@球質(zhì)量比小皮球質(zhì)量大得多，所以可近似認(rèn)為籃球在碰后速度不變，仍為實(shí)際上籃球碰后速度略有減小），那么小皮球相對(duì)地面的速度就變?yōu)? 槡2gh．根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可求出小皮球反彈的高度H＝9h，故出現(xiàn)小皮球反彈高度比籃球大許多的現(xiàn)象．

點(diǎn)評(píng)：聯(lián)系生活實(shí)踐的問題往往是學(xué)生特別感興趣的問題，能激發(fā)起學(xué)生更加強(qiáng)烈的好奇心和求知欲．通過對(duì)問題的自主探究，可以使學(xué)生品嘗探究的樂趣，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)的熱愛，使他們情趣盎然地投入到物理學(xué)科的探究學(xué)習(xí)中去，更有利于學(xué)生素質(zhì)的全面提高．

沒有探究，就沒有科學(xué)．如果學(xué)生初接觸探究性課題，探究性學(xué)習(xí)可在教師指導(dǎo)下進(jìn)行；如果學(xué)生多次做探究性課題，探究性學(xué)習(xí)可由學(xué)生自己設(shè)計(jì)完成，更好地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，啟迪創(chuàng)新思維．

總之，教師在教學(xué)過程中要深挖教材中的探究性因素，開發(fā)實(shí)驗(yàn)探究資源，精心設(shè)計(jì)或啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)新的探究方案，盡最大可能給學(xué)生提供必要的科學(xué)探究機(jī)會(huì)，讓學(xué)生自主思維、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、社會(huì)調(diào)查、查閱文獻(xiàn)等，體驗(yàn)探究過程的曲折和樂趣，發(fā)展科學(xué)探究能力．教育改革呼喚更多具有創(chuàng)新思維的教師，以更好地激發(fā)學(xué)生探究科學(xué)的熱情，增強(qiáng)他們的創(chuàng)新意識(shí)．

1 人民教育出版社物理室．普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）教科書·物理．北京：人民教育出版社，2007

2 漆安慎，杜嬋英．力學(xué)基礎(chǔ)．北京：高等教育出版社，1991

3 梁燦斌，秦光戎，梁竹健．電磁學(xué)．北京：高等教育出版社，1993