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

谷春生

（阜陽(yáng)市第三中學(xué) 安徽 阜陽(yáng) 236006）

隨著高中新課程改革的全面推開(kāi)，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(kāi)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(guó)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(wèn)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(wèn)題的能力，樹(shù)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(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)資源，設(shè)計(jì)實(shí)踐探究問(wèn)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(wèn)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(guò)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(méi)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(méi)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)木板上，將木板一端逐漸抬高，當(dāng)小木塊剛開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)，測(cè)出小木塊初始位置至長(zhǎng)木板底端點(diǎn)連線在水平桌面上投影的長(zhǎng)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(zhǎng)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(shuō)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(kāi)始滑動(dòng)時(shí)小木塊至長(zhǎng)木板底端點(diǎn)該線段在水平桌面上投影的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)實(shí)踐來(lái)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(wèn)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(pán)，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(pán)上，一只手接觸金屬盤(pán)的上表面，另一只手持絕緣柄將金屬盤(pán)置于塑料袋上．然后將接觸金屬盤(pán)的手指移開(kāi)，另一只手持絕緣柄迅速將金屬盤(pán)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(yáng)光下曬干燥）

圖4

（2）學(xué)生積極思考 分析猜想

眾說(shuō)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(lái)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(pán)上的小紙屑向上和四周飛散開(kāi)來(lái)，猶如天女散花；少數(shù)學(xué)生沒(méi)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(pán)放在塑料袋上時(shí)，紙屑不會(huì)飛起來(lái)，而等到金屬盤(pán)被提起時(shí)紙屑才散開(kāi)？

2）金屬盤(pán)放在塑料袋上時(shí)紙屑沒(méi)飛起來(lái)，而等到金屬盤(pán)被提起時(shí)紙屑才散開(kāi)，使紙屑散開(kāi)的能量哪里來(lái)的呢？你能從能量角度來(lái)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(lái)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(pán)覆蓋在帶電的塑料膜上（金屬盤(pán)與塑料膜間不可避免地存在空隙），如果不用手接觸金屬盤(pán)上表面，金屬盤(pán)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(pán)上表面，負(fù)電荷便通過(guò)手指?jìng)鹘o大地，如圖5（b）所示．然后將接觸金屬盤(pán)的手指移開(kāi)，另一只手持絕緣柄迅速將金屬盤(pán)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(pán)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(pán)上的小紙屑向上和四周飛散開(kāi)來(lái)．

圖5

2）手帕摩擦塑料袋，塑料袋帶負(fù)電荷．金屬盤(pán)下表面出現(xiàn)感應(yīng)正電荷，金屬盤(pán)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(pán)的上表面，使其上表面接地，其電勢(shì)為零，靜電場(chǎng)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(pán)的手指移開(kāi)，另一只手持絕緣柄迅速將金屬盤(pán)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(pán)電勢(shì)由零變?yōu)檎c地之間有了較大的電勢(shì)差，金屬盤(pán)上的帶電紙屑便在電場(chǎng)力的作用下運(yùn)動(dòng)．金屬盤(pán)與地之間電場(chǎng)能的獲得是以人手抬起金屬盤(pán)克服塑料板施加的電場(chǎng)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(pán)與地之間的電場(chǎng)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(pán)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(wèn)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_(kāi)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(lái)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(wèn)題比較復(fù)雜．先通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)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(guò)程中系統(tǒng)沒(méi)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(jiǎn)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(guò)方向相反，變?yōu)樨Q直向上．在籃球與小皮球的碰撞過(guò)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(wèn)題往往是學(xué)生特別感興趣的問(wèn)題，能激發(fā)起學(xué)生更加強(qiáng)烈的好奇心和求知欲．通過(guò)對(duì)問(wèn)題的自主探究，可以使學(xué)生品嘗探究的樂(lè)趣，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)的熱愛(ài)，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(méi)有探究，就沒(méi)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(guò)程中要深挖教材中的探究性因素，開(kāi)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(guò)程的曲折和樂(lè)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(shū)·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