基于科學(xué)思維水平劃分,構(gòu)建遞進(jìn)物理課堂、培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力
——以“探究加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系”為例

居 津

(江蘇省蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué)，江蘇 蘇州 215011)

2018年1月,教育部正式發(fā)布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》(以下簡稱“高中課標(biāo)2017版”)．整體上看,修訂后的高中課程標(biāo)準(zhǔn)有5個方面的變化:① 凝練了物理學(xué)科核心素養(yǎng),凸顯物理課程的育人功能;② 優(yōu)化高中課程結(jié)構(gòu),注重課程基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性和選擇性;③ 強(qiáng)調(diào)物理實(shí)驗(yàn)和科學(xué)實(shí)踐,注重物理與社會和技術(shù)的聯(lián)系;④ 劃分學(xué)業(yè)質(zhì)量水平,促進(jìn)關(guān)于物理學(xué)科核心素養(yǎng)評價的探索;⑤ 注重各類提示及建議,引導(dǎo)教師關(guān)注學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升．[1]高中課標(biāo)2017版尤其注重學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng),并將物理學(xué)科核心素養(yǎng)的4個方面進(jìn)行了詳細(xì)的水平劃分．其中科學(xué)思維劃分為如表1所示5個層次.[2]

本文針對科學(xué)思維水平劃分的質(zhì)疑創(chuàng)新能力要求,以力學(xué)中最基本、最重要的探究實(shí)驗(yàn):加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系為例,按5個水平要求序化物理課堂,談?wù)剬W(xué)生逐步提高自己的質(zhì)疑和創(chuàng)新能力的“三部曲”．

1 博聞強(qiáng)識,知識積累

所謂“博觀而約取,厚積而薄發(fā)”,只有達(dá)到一定的積累量才會噴發(fā)．所以要培養(yǎng)科學(xué)思維的質(zhì)疑和創(chuàng)新能力,首先要有大量的知識積累．以實(shí)驗(yàn)探究加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)為例,學(xué)生就需要有一定的知識儲備:(1) 本實(shí)驗(yàn)需要用到的實(shí)驗(yàn)方法是控制變量法;(2) 本實(shí)驗(yàn)研究的是加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系,所以需要測量的是小車所受到的合外力,質(zhì)量和加速度,如何測量小車所受到的合外力,質(zhì)量和加速度;(3) 如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案;(4) 所設(shè)計(jì)的操作有沒有實(shí)驗(yàn)誤差,如何減小實(shí)驗(yàn)誤差．

表1

這里所提到的第(4)條就是質(zhì)疑的最佳體現(xiàn)．對于一個實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),我們只有有了質(zhì)疑精神,知道質(zhì)疑的重要性(水平1),具有質(zhì)疑和創(chuàng)新的意識(水平2),才會想知道有沒有更精確的實(shí)驗(yàn)方案,才會思考如何減少實(shí)驗(yàn)誤差,設(shè)計(jì)更優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方案．當(dāng)然如果要設(shè)計(jì)出更優(yōu)方案,要提出自己的質(zhì)疑或者創(chuàng)新意見,知識儲備必不可少．圖1是最常見的探究加速度和力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置圖．對于這個實(shí)驗(yàn)裝置,可以引導(dǎo)學(xué)生思考是否存在實(shí)驗(yàn)誤差,怎樣減小誤差,是否有更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案．讓他們知道質(zhì)疑的重要性,從而喚醒學(xué)生內(nèi)心的質(zhì)疑意識．

圖1

2 融會貫通,多向思維

科學(xué)思維水平劃分的水平3提出:對已有的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑,從不同的角度思考物理問題．對于本實(shí)驗(yàn)上述方案進(jìn)一步引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生提出質(zhì)疑:(1) 小車受到幾個力的作用?(2) 怎么表示小車受到的合外力？(3) 如何減少實(shí)驗(yàn)誤差？學(xué)生可以運(yùn)用已有的知識,通過對小車的受力分析得出小車放在水平木板上,需要平衡小車的摩擦力．通過分別先后對小車和砝碼的受力分析知道砝碼的總質(zhì)量要遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量．

但是即使?jié)M足這兩個實(shí)驗(yàn)條件,本實(shí)驗(yàn)仍然有系統(tǒng)誤差．水平劃分水平4提出:提出質(zhì)疑后,要求學(xué)生采用不同方式分析解決物理問題．教師此時可以再次引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑思考,是否有更優(yōu)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,來減少實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差．逐步引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新,解決物理問題,從而提高科學(xué)思維水平．最后學(xué)生總結(jié)出可以用以下實(shí)驗(yàn)方案.

方案1. 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器法.

對于平衡摩擦力的條件,在操作時頗有難度,所以學(xué)生很容易就能提出是否可以采用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行替代;對于鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量所帶來的系統(tǒng)誤差問題,可以采用在小車前安裝力傳感器來解決．測小車的加速度也可以通過光電門來完成．如圖2．當(dāng)然這樣的實(shí)驗(yàn)方案對器材要求比較高,如果受實(shí)驗(yàn)條件限制的學(xué)校,可以通過類似的實(shí)驗(yàn)方案來完成．如圖3．

圖2

圖3

方案2. 轉(zhuǎn)換研究對象法.

如圖4所示，在平衡好摩擦力后,將幾個相同的砝碼都放在小車上掛上砝碼盤,然后每次從小車上取一個砝碼添加到砝碼盤中,利用打點(diǎn)計(jì)時器測出小車的加速度,此時如果作小車加速度a與砝碼盤中砝碼總重力(含砝碼盤)F關(guān)系圖得到的一定是線性關(guān)系,不需要滿足砝碼質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量M條件,消除了之前設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)誤差,優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)．研究加速度a與質(zhì)量m關(guān)系的時候,也以小車和砝碼(含砝碼盒)總質(zhì)量作為研究對象即可．

圖4

方案3. 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案.

具體操作方法如下.

(1) 如圖5所示,先將沙和沙桶通過滑輪懸掛于小車一端,調(diào)節(jié)平板的傾角θ,使小車沿斜面向下做勻速直線運(yùn)動,測出沙和沙桶的總質(zhì)量m.

圖5

(2) 保持平板傾角θ不變,去掉沙和沙桶,小車即在平板上沿斜面向下做勻加速直線運(yùn)動,通過紙帶測量其加速度a.

(3) 保持小車質(zhì)量M不變,多次改變沙和沙桶的總質(zhì)量m,每次重復(fù)(1)(2)兩步操作,得到小車加速度與合力的關(guān)系.

(4) 多次改變小車的質(zhì)量,進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮?得到小車加速度和質(zhì)量的關(guān)系．

通過以上操作,受力分析可知,小車下滑受到的合力即為沙和沙桶的總重力,消除了原實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)誤差．

3 實(shí)踐檢驗(yàn),不斷創(chuàng)新

科學(xué)思維水平劃分水平5指出:能從多個視角審視檢驗(yàn)結(jié)論,解決物理問題具有一定的新穎性．對于上述提出的各種實(shí)驗(yàn)方案,無論有無系統(tǒng)誤差,都應(yīng)該讓學(xué)生親自到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作探究,在檢驗(yàn)過程中可以將各方案再次優(yōu)化,重組,不斷創(chuàng)新．

如在上述方案中大部分方案都需要平衡摩擦力,教材給出的平衡摩擦力方法是“不斷調(diào)整軌道的斜度,使小車不掛重物時能勻速運(yùn)動”,顯然這種方法不易操作．有些教材給出的方案是“不斷調(diào)整軌道的斜度,使小車不掛重物時剛好能運(yùn)動”,這種方法相對好操作,卻有較大的理論誤差,因?yàn)樽畲箪o摩擦力小于滑動摩擦力．學(xué)生只有通過實(shí)踐操作,才能發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑能力．有學(xué)生提出可以先通過理論計(jì)算出小車和導(dǎo)軌斜面的動摩擦因數(shù),進(jìn)而求出平衡摩擦力所欲要的導(dǎo)軌斜面與水平面間的角度,這樣就可以利用量角器,準(zhǔn)確地找出摩擦力平衡時斜面的傾斜度．

具體方法如下:如圖6中，先用打點(diǎn)計(jì)時器和刻度尺測出小車在斜面上下滑的加速度,再量出此時斜面的傾角．根據(jù)牛頓運(yùn)動定律計(jì)算出動摩擦因數(shù)μ．

f=μmgcosθ，

mgsinθ-μmgcosθ=ma，

圖6

調(diào)節(jié)斜面傾角為θ0,

mgsinθ0=f，

μmgcosθ0=f，

μ=tanθ0，

可得θ0=arctanμ.

由此計(jì)算得到的斜面傾角,學(xué)生只要利用量角器就很容易得到了,且誤差較小．

在這一系列的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究過程中,學(xué)生通過質(zhì)疑層層遞進(jìn),不僅有對于方案改進(jìn)創(chuàng)新,在實(shí)驗(yàn)操作中也不斷提出質(zhì)疑,推陳出新,同時,在后續(xù)做“探究功與動能變化關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中也大有幫助．整個過程可以達(dá)到讓學(xué)生科學(xué)思維水平逐步提高,質(zhì)疑創(chuàng)新能力得以培養(yǎng)的目的．