顯化科學方法的進階式實驗教學設計
——以“探究微小形變”教學片段為例

黃琪莉 ，吳先球 ，2

1.華南師范大學物理與電信工程學院，廣州 510006

2.華南師范大學物理學科基礎課實驗教學示范中心，廣州510006

實驗教學有利于學生掌握科學研究方法，在實驗過程中學生需要進行歸納推理分析和解決問題，才能夠對學生進行思維方法的訓練[1]。古有“授人以魚，不如授人以漁”，說明方法比知識更重要。同時，科學思維作為核心素養的要素之一[2]，其培養離不開物理思維方法的建立。目前，通過實驗教學顯化科學方法成為培養科學思維的途徑之一。因此，本文以“探究微小形變”教學片段為例，分析高中物理教材內容在該節呈現的物理方法，以實驗探究為載體突破教學中的重、難點，挖掘轉化思想的內涵，設計實驗教學過程，提升學生的科學思維能力。

1 “探究微小形變”的教學地位分析

“探究微小形變”是新粵教版高中物理必修一第三章“彈力”一節前半部分內容，“彈力”一節的教學難點是“微小形變下彈力的有無”[3]。盡管學生在初中接觸過形變的概念，但對微小量放大的思想感觸不深，對轉化法的認識不夠。微小形變難以觀察，因此，“彈力”重點內容之一為通過實驗探究微小形變，理解任何物體受力后都能產生形變。

這一節具有承上啟下的作用，一方面高中的“微小形變”教學是初中“形變”知識的延伸和拓展，通過對“微小形變”的理解，學生經歷同化和順應，完善已有的知識體系，逐漸認知到“形變”具有普遍性。另一方面，轉化法是高中物理常見的思想方法之一，而“微小形變”是學生接觸轉化思想的第一個例子。因此，本節課的學習可以讓學生領悟轉化思維的奧妙，為后續扭秤實驗等知識的學習和應用奠定基礎。

2 教材內容和重、難點分析

2.1 教材內容編排

本節選自新粵教版必修第一冊第三章第二節內容，教材在編排上首先以生活中的沙發、橡皮筋等常見物體的形變來說明形變在生活中隨處可見。然后利用“觀察與思考”欄目，通過觀察受力與不受力狀態下彈簧和橡皮泥形變情況的不同，介紹彈性形變與塑性形變的概念。再強調“任何物體受力時都會形變，只是形變有時明顯，有時很微小”。最后，采用“光線放大”和“液柱高度變化放大”的方式放大微小形變，進一步強調微小放大的方法是物理學研究問題的一種重要方法。

2.2 重、難點分析

本節重點是通過實驗等方法理解微小形變的概念，難點在于如何通過設計實驗認識到微小形變。因此，本文的教學設計主要圍繞探究實驗設計教學過程，深化學生對微小形變的認識。在核心素養的指導下，培養學生的科學思維能力需要正確地引導學生學習科學研究方法。通過實驗探究學習科學研究方法，從而建立正確的物理觀念，培養合理的科學態度與價值觀。科學方法往往體現在探索與發現知識之中，除非親身經歷這種探索的過程，否則很難發現其中的方法和關鍵，尤其是體會某些只能意會、難以言傳的妙用之處[4]。通過進階式的實驗設計，逐步培養學生的思維能力和問題解決能力，讓學生了解微小形變放大在生活中的應用，培養其STSE意識。

3 “探究微小形變”教學設計思路

基于上述對教材內容的分析，筆者首先結合學生所學知識設計了三個進階式實驗。然后，設計進階式實驗探究問題鏈，并融入轉化法的物理思想。最后，利用生活中常見的場景——橋梁應力的測量，進一步內化學生對轉化放大法的理解（圖1）。

圖1 教學設計思路

（1）設置懸念，引出核心問題。設置懸念不僅能激發學生的學習興趣，還能培養學生“提出問題”的能力。情境創設有助于學生提出問題，激發學生的想象力[5]，探索真理，并鍛煉學生觀察與推理的能力。引導學生提出“為什么會出現這種現象”，調動學生“質疑創新”思維的參與。在因果認識興趣的驅動下，學生進一步思考“該怎么樣解決問題”。

（2）將演示實驗變成探究性實驗，還原轉化法的思想。科學思維的發展以物理知識、實驗、理論等作為支撐，而眾多的科學方法隱藏在探究性學習中，對科學思維的訓練產生直接影響[4]。探究性實驗將過程還原給學生，學生親身體驗，才能有效掌握物理規律和方法[6]。而探究過程是基于問題解決的過程，利用問題鏈將學生的思維貫穿起來，在解決問題的過程中，舊知識不斷被用來解決新問題，新知識被不斷整合到原有的認知結構中。學生通過探究的過程不斷對提出的方案質疑并檢驗，實現思維的碰撞，體驗轉化放大思想方法的妙處。

（3）學以致用，深化科學思維。培養學生物理核心素養的終極目標就是提高問題解決的能力。這說明學習物理不僅要學習知識，更要學習方法，而方法的作用是在實際生活中快速、便捷地解決問題。利用常見的橋梁堤壩形變來引發學生思考，如何用轉化的思想把難以觀察到的形變進行放大？既突出了轉化放大法的奧妙，也啟發學生“生活處處有物理”的道理。

4 “探究微小形變”教學過程

4.1 創設情境，設置懸念

物理來源于生活，又走向生活。課前給學生展示彈簧、橡皮泥、橡皮繩、紙等生活中常見的物品受力后的形變情況，總結形變概念：受力后，體積或者形狀發生的變化稱為形變。根據物體形變后是否能恢復，建構彈性形變和塑性形變的概念。

師：彈簧一定會發生彈性形變嗎？

生：不一定，用過大的力拉彈簧時就不會恢復原狀了。

設計意圖：讓學生親自動手實驗，體會動手實驗的樂趣。有些學生輕輕拉動彈簧，有些學生用力過度將彈簧拉直。最終總結出彈性限度的概念。

對形變有一定理解后，教師演示利用一塊堅硬的亞克力板和兩個鋼球（圖2），用手指擠壓板中間，未見形變，但兩個鋼球同時由兩端向中間靠近。

圖2 演示示意圖

師：堅硬的物體受力后是否發生形變？如何證明鋼球相互靠近與形變有關？

生：亞克力板太堅硬了，看不到形變。

設計意圖：設置問題情境，引發學生思考。這里學生不難猜測是亞克力板受力后凹陷導致鋼球相互靠近。但如何證明堅硬物體受力后發生形變則是學生要解決的難點。

4.2 巧妙轉化，放大微小

教師向學生提供玻璃瓶、鋼板、亞克力板、杠桿、螺母、激光筆、平面鏡等器材，要求學生利用這些器材任意組合，自主設計實驗。轉化法是學生初中接觸過的方法，如：聲音的產生，是利用與音叉接觸的乒乓球的彈動來間接說明音叉振動發聲，這是“化重為輕”的思想。教師在課上可以舉例介紹轉化思想是用一個便于描述的物理量來描述另一個物理量，從而將難以觀測的現象可視化，啟發學生采用轉化法設計探究實驗。

4.2.1 進階實驗一“體積放大法”

教師展示擠壓裝有紅色液體的扁平玻璃瓶，在展示前敲擊一下玻璃瓶，發出清脆的響聲，證明其材質是堅硬的玻璃。之后，教師拿出一根細長的玻璃管，將其插入玻璃瓶的活塞中。再次前后擠壓玻璃瓶，玻璃管內液柱上升，松手后回到原來高度，如圖 3（a）（b）所示。

師：是否看到玻璃瓶形變？你認為是否發生形變，為什么？如果有，你是如何發現形變的？

生：沒有看到玻璃瓶形變。應該發生了形變，因為液柱上升了。

設計意圖：鍛煉學生的質疑能力和科學論證能力。部分學生看到玻璃管液柱上升，認為是玻璃瓶形變造成的；也有部分學生認為是手握玻璃瓶，使玻璃瓶內液體熱脹冷縮導致液柱上升，玻璃瓶并未發生形變；少數學生認為玻璃瓶未發生形變，但不知為何擠壓玻璃瓶后液柱上升。

教師先不解釋其中原因，而是將玻璃瓶交給每個小組，讓學生親自捏一捏玻璃瓶。這時有些學生側向捏玻璃瓶，導致液柱下降了，如圖3（c）所示。

圖3 進階實驗一示意圖

師：側向擠壓玻璃瓶，液柱為何下降？

生：側向擠壓時，玻璃瓶的空間變大了。

設計意圖：學生親自體驗，分組討論，尋找證據。學生動手總會有千百種的情況發生，科學真理往往也是在奇思妙想中被發現的。學生動手，既讓學生過了一把科學家的癮，也培養了學生的反證能力和綜合分析能力。

提煉思想方法：教師總結，將玻璃管液面高度的變化轉化為玻璃瓶受力產生的微小形變。側向擠壓則玻璃瓶橫截面積變大，體積變大，所以玻璃管液柱下降。這里運用了轉化法的思想，玻璃管的作用正是采用了“化粗為細”的思想。用玻璃管“細”的優勢轉化了玻璃瓶的微小形變。

4.2.2 進階實驗二“光學放大法”

體積放大的實驗讓學生初次體會到微小放大的思路，這是證明帶有容積的堅硬物體形變的有效方法。生活中的堅硬物體不總是一些容器，還有桌子、鋼板、玻璃等，還應讓學生探究對平面物體該如何證明形變。采用光學放大法的原理，逐步提高對學生的要求，培養學生運用數學原理處理物理問題的能力，進階地了解轉化放大法的精髓。

師：玻璃瓶受力后的形變利用了體積放大來觀察，那堅硬的鋼板受力后產生的形變可以用體積放大來證明嗎？

生：不能，鋼板是平面實心的，應該采用其他方法放大微小形變。

師：那可以用什么方法呢？比如：我們開始時的亞克力板實驗，如果亞克力板是比較軟的，擠壓后會發生凹陷，亞克力板兩端的鋼球就會相互傾斜靠近，根據這個思路如何把堅硬鋼板的凹陷表現出來呢？

生：可以在鋼板上放置物體，鋼板受力形變后，導致放在上邊的物體會傾斜。

師：物體傾斜角度太小難以觀察怎么辦？這里給大家提示一下，我們可以采用光路的方法觀察鋼板上物體的傾斜情況。

生：可以通過平面鏡反射來觀察。

師：如果鋼板受力后發生形變，光點如何變化？

生：根據光的反射定律，形變后導致入射角變小，光點向下移動。

師：幾面鏡子合適？經歷幾次反射效果比較好？該如何設計？如何調整器材位置使效果更明顯？

生：交流與討論。

設計意圖：為了避免“虛假”探究，將光學放大法演示實驗變為探究性實驗，還原光學放大法的實驗設計思想。學生在問題串的引導下不斷完善探究思路，并在探究過程中解決問題。這個過程既讓學生感受到探究的樂趣，也讓學生將轉化法這一物理思想內化于思維中。教師將最終的方案演示給全班學生。

光學放大法在物理上的應用非常廣泛，其運用了“化角為線”的思想。鋼板形變微小，所以鏡子傾斜角度小，激光入射角變化小。設鏡子傾斜角度改變Δθ，相應的法線改變角度為Δθ，即出射光線與原出射光線夾角為Δθ，光點移動的高度為 Δh≈l·Δθ。其中，l是指光線到屏的長度。增大l，Δh越明顯。利用兩面鏡子，發生兩次反射增長光路，觀察投射在白墻上光點位置的變化。同時，可以將鋼板放在兩塊水平等高的木板上擠壓，將鏡子固定在桌面上，激光固定在鋼板上，如圖4所示。只要鋼板發生形變，激光光點就會移動，激光到白墻的距離越遠，效果越好。

圖4 光學放大演示儀示意圖

4.2.3 進階實驗三“力學放大法”

力學放大法是微小放大法實驗的進階實驗，對學生思維能力的要求進一步提高，能讓學生感受物理知識的實用性魅力。

師：除了用光學放大法證明堅硬平板的形變，能不能用力學杠桿的原理放大亞克力板的形變呢？

生：討論與交流，回顧杠桿原理。

師：從形變特點入手，如果形變的凹陷處連通杠桿，會發生什么現象呢？為了放大形變效果，該如何改進方案呢？

生：是不是可以設計一個省距杠桿來實現？

設計意圖：教師給學生提供杠桿、螺母等實驗器材，讓學生自行動手設計。為了放大效果，可以設計多級杠桿。學生經歷實驗探究過程，達到轉化法的進階認識，鍛煉推理分析和多角度思考問題的能力。

筆者自行設計了二級杠桿放大演示儀，如圖5所示，作為課堂演示所用，具體的數學分析如下：在形變的凹陷處連通杠桿，相當于給杠桿提供動力，在阻力端產生位移。由于微小形變引起的凹陷小，如何把移動位移放大是微小放大法應用的關鍵。根據省距費力杠桿原理（圖6），以AC杠桿為研究對象，動力臂為O1C，阻力臂為O1A。顯然，O1C＜O1A，AC是省距費力杠桿。當亞克力板受力形變，使O1C向下移動微小的距離，O1A向上移動較大的距離。由AB聯動，下方長杠桿圍繞支點O2轉動，位移再次放大。亞克力板形變越大，下方長杠桿轉動角度越大。

圖5 二級杠桿放大演示儀示意圖

圖6 省距費力杠桿原理示意圖

4.3 聯系生活，拓寬思維

教師提出一則2019年7月關于 “三峽大壩形變”的謠言，并向學生介紹這則新聞。接著，教師給學生展示生活中常見的電子秤上的應變片，簡要介紹電阻式應變片是通過將物體的微小形變轉化為應變電阻的變化來檢測微小形變的，如圖7所示。

圖7 電子秤示意圖

師：如何用今天學習的“微小形變”知識消除這則謠言？

生：任何物體受力后都會發生形變，只不過有的形變比較明顯，有的形變比較小，難以觀察。

師：科學家們說三峽大壩的形變處于彈性形變狀態。通過本節課的學習，我們知道在受力下不產生任何形變的工程結構幾乎不存在。所以三峽大壩也不例外，也會在壓力作用下發生形變。只不過大壩堅硬，形變微小，我們往往用傳感器來檢測其形變。三峽大壩土方和堤壩形變往往通過壓力計來測量，基本原理是通過作用在兩塊面板上土方壓力變化，將壓力信號轉變為電信號，顯示形變情況。

設計意圖：物理來源于生活，又走向生活。領悟科學的魅力，通過展示生活中微小放大法的應用，培養學生的STSE意識。

5 小結與啟示

本文通過三種不同的實驗原理為學生展示了微小放大法的共通本質，將難以觀察的物理量轉化為容易觀察的其他量。三個實驗的難度層層遞進，以進階式的方式顯化轉化放大法這種科學方法，既讓學生體會到實驗探究的樂趣，又能鍛煉學生的觀察和推理能力，進一步提升科學思維。

在教學中應根據不同的課程內容設計相應的顯化科學思想方法教學過程，挖掘知識與方法之間隱含的聯系。如：講質點模型時，如何顯化理想化方法；瞬時速度里蘊含的極限法等。教學中解決物理問題不僅要講科學方法是什么，更要講方法的特征和作用，才能讓學生體會到科學方法的含義。注重設計引導性的問題，引導學生按照科學方法的思路推導知識，親身經歷探索過程，才能真正培養學生的科學思維能力。愛因斯坦曾說過：你要知道科學方法的實質，不要去聽一個科學家對你說些什么，而要仔細看他在做什么。因此，適當開展探究性實驗，使新、舊知識交替，用舊知識建構新知識體系，讓學生在經歷科學探究的過程中，領悟到其中的思維方法。