關注知識本質 注重科學探究

黎莎 謝立

摘 要：初中物理教學注重科學探究，在實驗的基礎上，通過分析數據或觀察現象得出相關結論.本文通過對“阻力對物體運動的影響”這一探究實驗進行深入的思考和解讀，從控制變量的角度對本實驗進行更加嚴謹的設計，這對學生理解實驗本質、建立運動和力的關系，起到至關重要的作用.

關鍵詞：科學探究;控制變量;牛頓第一定律

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）14-0057-02

作者簡介：黎莎（1987-），女，山東人，博士，中學一級教師，研究方向：物理教學創新及實驗創新;

謝立（1989-），男，湖南岳陽人，博士，中學二級教師，研究方向：物理課堂教學.

初高中物理教學注重培養學生的核心素養，這就要求教師在教學中關注科學探究過程，特別是在實驗過程中，教師應該引導學生對實驗進行深入的思考和設計，這對提高學生的科學探究能力有至關重要的作用.

人教版《物理》八年級下冊第八章第一節“牛頓第一定律”中，探究“阻力對物體運動的影響”是得出牛頓第一定律的關鍵演示實驗，對學生正確理解“慣性”概念，以及高中物理中加速度等知識的學習有著很重要的鋪墊作用，而教材中對這個實驗的描述過于簡潔，對實驗中的變量關系描述模糊，不利于學生對實驗的深入理解，從以上這些方面考慮，引導學生對這個實驗進行邏輯嚴謹的設計是非常有必要的.

本文從控制變量的角度對“阻力對物體運動的影響”進行深入解讀，通過理清其中的變量關系，使學生在實驗設計過程中加深對實驗的認識以及對“運動與力的關系”的理解.接下來，對教材中“探究阻力對物體運動的影響”實驗進行詳細解讀，經歷明確變量的過程，將其轉化為可探究的科學問題，更利于學生對本實驗的深入理解，從而培養科學思維.

本節課的教學中，通過前期的引導和鋪墊，引出探究問題——“阻力對物體運動的影響”，但是根據“可探究的科學問題”中要求變量可觀測、可測量的原則，顯然這個實驗探究中“物體運動”是一種狀態描述，不可直接測量，而“阻力”也需要進一步思考怎么改變.不夠具體.針對這樣的思考，在教學中需要引導學生將本探究問題轉化為可探究的科學問題，才能進一步對本實驗進行合理的設計和操作，從而得到更科學、更合理的結論.

結合前面學過的“力的作用效果”相關知識，如圖1所示，力的作用效果是：（1）使物體發生形變;（2）改變物體的運動狀態（速度大小改變或速度方向改變）.為了使實驗可操作，力改變速度方向這一點因為操作比較困難，先不作考慮.在實驗中使物體做直線運動即可滿足.因此，需要從“力可以改變物體的速度大小”的角度思考本實驗中的變量.再結合本實驗是要探究“阻力對物體運動的影響”，如果改變阻力大小，那么物體速度大小改變的快慢會受到影響，因此，將原探究問題中的“物體運動”這個不可直接測量的變量轉換為“物體速度大小改變的快慢”，使變量更具體.

結合以上思考，將原實驗“探究阻力對物體運動的影響”轉換為“探究阻力對物體速度大小改變的快慢的影響”，即“探究物體速度大小改變的快慢與阻力大小的關系”，這就將原來不可探究的科學問題轉換為一個可探究的科學問題.利用思維導圖，實驗中自變量為阻力大小，因變量為物體速度大小改變的快慢，

不同質量的學生在跑步比賽中停下來的快慢不同，可以看出，物體質量也會影響物體速度大小改變的快慢，通過一些貼近學生的生活實例，比如道路上的限重標志顯示出相同速度行駛中的不同質量的車輛會影響剎車的快慢，

因此在本實驗中需要控制物體質量，即控制變量為物體質量m，如圖2所示.

接下來就需要在思維導圖的基礎上對其中的變量進行具體的操作設計.對于自變量“阻力大小”，需要思考怎么改變，因為實驗中阻力選擇的是摩擦力，學生結合生活經驗，很容易想到通過選用不同粗糙程度的接觸面可以改變阻力大小;對于控制變量“物體質量m”，需要思考怎么控制其不變，結合已有的學習和生活經驗，在實驗中可以選擇同一小車即可控制物體質量m.

本實驗設計的難點在于對因變量“物體速度大小改變的快慢”的測量如何實現，如圖2所示，大多數教師在教學中直接引導學生將其轉換為測量“推動小車移動的距離s”，嚴格來說，這是不符合科學邏輯的.基于這樣的思考，引導學生對因變量“物體速度大小改變的快慢”進行更深入的思考，從知識本質出發找到測量方法，這對學生科學思維的培養，以及完整地建立運動和力的關系都會起到促進作用.

本實驗中，因變量“物體速度大小改變的快慢”其實就是加速度，由于在初中階段學生的知識水平有限，需要結合學生的已有知識，將其轉換為學生更容易理解的變量，對其進行測量.可以類比學過的第一章第三節“運動的快慢”中，對于問題“怎樣比較物體運動的快慢”的處理方法，一種方法是相同路程比較物體的運動時間，另一種方法是相同時間比較物體的運動路程，兩種方法都可以比較出物體運動的快慢，其實這就是控制其中的某些條件，去比較其他因素，進而得出結果的方法.那么，針對本實驗中因變量“物體速度大小改變的快慢”的測量，為了在實驗中更容易測量和比較，也可以采取相同的方法，一種方法是使物體速度大小的改變相同，比較速度變化所需的時間，另一種方法是使物體的運動時間相同，比較物體速度大小的改變.顯然，第一種方式更簡單，也更加易于操作.在這樣的思考下，為了更簡單定性地比較因變量“物體速度大小改變的快慢”，可以將其轉換為測量“物體速度變化所需的時間”，在因變量轉換的過程中，產生的控制條件是“物體速度大小的改變”必須相同.在這樣的思考下，對本實驗的思維導圖進行改進，如圖3所示.

接下來就需要思考控制條件“物體速度大小的改變”怎么控制，顯然，根據學生已有的生活經驗和所學知識，可以使物體最終停下，即末速度為零，那么，只需要控制物體的初速度不變，就可以達到控制“物體速度大小的改變”相同的目的.而根據學過的“測量小車平均速度”的實驗，學生容易想到通過讓小車從同一斜面的同一高度由靜止自由下滑就可以使小車到達斜面底端的速度相同.在這樣的思考下，設計實驗，經歷實驗的過程，結合數據進行推理，即可得出牛頓第一定律.

通過這樣的思維過程，將原來的實驗“探究阻力對物體運動的影響”這個不好直接探究的問題轉化為“探究阻力對物體速度大小改變的快慢的影響”，在轉化的過程中使學生經歷知識的遷移、深入思考，相比原來的實驗過程，更加嚴謹、更加科學.

牛頓第一定律作為經典力學的基石，對學生學習力學知識，建立運動和力的關系知識體系起著至關重要的作用，本文中對“探究阻力對物體運動的影響”的實驗從知識本質出發，做出更深入的挖掘和設計，有助于幫助學生對牛頓第一定律的內容建立更加全面而深刻的認識，并且對于高中物理相關知識的學習也起到了銜接的作用.

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（收稿日期：2021-04-14）