挖掘?qū)W生課后實(shí)驗(yàn)素材 培養(yǎng)力學(xué)科學(xué)思維
——以“筷子提米”和“斜立可樂(lè)罐”為例

張楊敏

(上海市七寶第二中學(xué) 上海 201101)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》指出：“科學(xué)思維分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用，是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品格.”常見(jiàn)的科學(xué)思維表現(xiàn)如圖1所示.

圖1 4種思維類型

力學(xué)教學(xué)貫穿整個(gè)初中物理教學(xué)，學(xué)生通過(guò)課后實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律、能量守恒與能源、經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性等物理核心內(nèi)容，經(jīng)歷科學(xué)探究活動(dòng)，初步了解物理學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)與研究方法，逐漸形成力學(xué)的科學(xué)思維.力學(xué)的學(xué)習(xí)有助于培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新、分析綜合、推理論證等科學(xué)思維.

1 教師的苦惱學(xué)生的煩惱

上學(xué)期發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在理解二力平衡條件的等值和共線問(wèn)題存在很大的問(wèn)題，每每遇到力學(xué)辨析題時(shí)，時(shí)常出現(xiàn)思維障礙，答題正確率不足30%.滬教版八年級(jí)第一學(xué)期第三章力關(guān)于“二力平衡”這一節(jié)，重點(diǎn)介紹了在怎樣的情況下能二力平衡.在二力平衡的4個(gè)條件中，共線問(wèn)題和等值問(wèn)題一直是教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)苦惱的問(wèn)題，教師需要設(shè)計(jì)出適合學(xué)生生活情境，容易理解的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?而這同時(shí)也是學(xué)生煩惱的問(wèn)題.為幫助學(xué)生理解生活中的二力平衡現(xiàn)象，對(duì)二力平衡課內(nèi)教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充和拓展，筆者設(shè)計(jì)了“筷子提米”和“斜立易拉罐”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，兩者有利于學(xué)生進(jìn)一步理解二力平衡的條件，拉近物理學(xué)與生活的距離，讓學(xué)生深切感受到科學(xué)的真實(shí)性.

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)2個(gè)月的反復(fù)修正，最終在每個(gè)月的月尾學(xué)生寫成了自己的小論文.教師經(jīng)過(guò)對(duì)學(xué)生小論文的評(píng)析，筆者驚訝地發(fā)現(xiàn)學(xué)生的認(rèn)知水平得到了質(zhì)的飛躍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出教師的預(yù)期.教師需要善用學(xué)生熟知的生活實(shí)例、生活體驗(yàn)、生活情景、生活物品開展教學(xué)活動(dòng)，關(guān)注現(xiàn)代社會(huì)生活和科學(xué)技術(shù)，讓學(xué)生體會(huì)到物理就在身邊.本文重點(diǎn)闡述利用學(xué)生課后實(shí)驗(yàn)的生成性資源進(jìn)行深入地科學(xué)探究，以期找到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的良好路徑.

2 優(yōu)化“筷子提米”實(shí)驗(yàn)實(shí)踐推理論證的科學(xué)思維

“筷子提米”實(shí)驗(yàn)在其他版本教材中主要用來(lái)驗(yàn)證靜摩擦力存在的演示實(shí)驗(yàn)[1～3].筆者的用意是為了證明摩擦力和重力相等時(shí)二力平衡，說(shuō)明兩個(gè)力大小相等的關(guān)系.該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動(dòng)有趣，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，增強(qiáng)其對(duì)二力平衡條件的感知.

原理:筷子提米是利用筷子和米粒之間產(chǎn)生的靜摩擦力，從而提升裝有米的杯子.通過(guò)受力分析，只需要滿足杯子的重力G≤fmax.提出問(wèn)題:筷子能否把米提起來(lái)與哪些因素有關(guān)？

猜想與假設(shè):可能與米粒是否夯實(shí)、杯子的材料、筷子的種類、顆粒物的種類、杯口的大小、杯子的深度、筷子的形狀有關(guān).

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn):夯實(shí)與不夯實(shí)；不同的杯子裝米；用不同類型的筷子提米；顆粒物的種類(黃豆、綠豆、黑豆、小米、大米)；杯子的材料(塑料杯、玻璃杯)；杯口的直徑(5 cm,10 cm,15 cm)；杯子的深度(10 cm,20 cm,30 cm)；筷子的種類(木筷、銀筷、鐵筷、密胺筷、竹筷)；筷子的形狀(圓形、扁平形)

進(jìn)行實(shí)驗(yàn):各種不同杯子、不同顆粒物、不同接觸面等情況如圖2～10所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1～4所示

圖2 不同杯子不同筷子同一大米實(shí)驗(yàn)成功

表1 研究筷子提米與顆粒物的種類是否有關(guān)

表2 研究筷子提米與杯口大小是否有關(guān)

圖4 4種直徑的杯口

表3 研究筷子提米與筷子種類是否有關(guān)

圖5 鐵筷、木筷、塑料筷、鐵和木筷綜合體

圖6 銀筷

表4 研究筷子提米與筷子形狀是否有關(guān)

圖7 扁平形、圓形、長(zhǎng)方形筷子

分析與論證:以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐.

英國(guó)物理學(xué)家Roberts提出了著名的“糧倉(cāng)效應(yīng)”.他發(fā)現(xiàn)容器內(nèi)部的顆粒對(duì)底部產(chǎn)生壓力，當(dāng)顆粒的高度H達(dá)到底部直徑的兩倍時(shí)，底部的壓強(qiáng)將不再變化且趨于一定的飽和值.若杯子高度H與底部直徑d滿足H≥2d，則實(shí)驗(yàn)成功，反之則實(shí)驗(yàn)失敗.而實(shí)踐后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)d

(1)顆粒物的種類

黃豆、赤豆(表面有點(diǎn)扁平)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和網(wǎng)上的視頻有所出入，無(wú)論杯口粗細(xì)，都沒(méi)有成功.黑豆實(shí)驗(yàn)在杯口細(xì)的杯子里能成功.薏米實(shí)驗(yàn)盡管能成功，但成功率并不高，而用大米實(shí)驗(yàn)，基本一次實(shí)驗(yàn)便能成功.赤豆和黃豆表面圓潤(rùn)，而黑豆表面扁平，薏米表面坑坑洼洼增加粗糙程度.大米排列比較緊實(shí)，空氣進(jìn)入少，筷子插進(jìn)去后顆粒物不易滑動(dòng)，豆類的縫隙較大，空氣進(jìn)入多，顆粒物易滑動(dòng)，因此，大米實(shí)驗(yàn)比豆類實(shí)驗(yàn)成功率高.

圖8 薏米和麥片對(duì)比實(shí)驗(yàn)

圖9 赤豆和大米對(duì)比實(shí)驗(yàn)

(2)杯口大小

選擇口徑較小的杯子做實(shí)驗(yàn)，夯實(shí)后，不需要用手壓緊，直接將筷子快速插進(jìn)杯中，實(shí)驗(yàn)也能成功.選擇口徑較大的杯子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，夯實(shí)后，若不壓緊，讓筷子沿指縫插進(jìn)杯中，實(shí)驗(yàn)容易失敗.

(3)筷子的種類和形狀

在其他條件相同的情況下，木質(zhì)筷子產(chǎn)生的靜摩擦力大于塑料筷子.長(zhǎng)方形和扁平形的筷子，失敗率很高，因?yàn)殚L(zhǎng)方形和扁平形都是有棱角的筷子，在插入顆粒時(shí)，顆粒的排列分布在棱角處發(fā)生變化，筷子與顆粒發(fā)生剪切作用時(shí)，顆粒內(nèi)部原先形成的力鏈結(jié)構(gòu)在棱角處被切斷，導(dǎo)致顆粒對(duì)筷子的壓力變小，最大靜摩擦力也跟著變小.因此，應(yīng)選擇圓柱形的木筷，更容易成功.如圖10所示為筷子插入大米后筷子的接觸面示意圖.

圖10 筷子插入大米后接觸面示意圖

3 改進(jìn)“斜立可樂(lè)罐”實(shí)驗(yàn) 培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維

3.1 實(shí)驗(yàn)引入

在學(xué)習(xí)探究二力平衡條件實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生對(duì)兩個(gè)力是否作用在同一條直線問(wèn)題，一直百思不得其解.為了解決該問(wèn)題，筆者給學(xué)生布置了一個(gè)課后實(shí)驗(yàn)——“斜立可樂(lè)罐”實(shí)驗(yàn).將一罐可樂(lè)傾斜，手慢慢松開，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整傾斜角度，讓可樂(lè)罐最終立在桌面上,如圖11所示.

圖11 斜立可樂(lè)罐

圖12為用水代替可樂(lè)后的演示，比較是否一樣.

圖12 裝水和裝可樂(lè)等效替代

3.2 實(shí)驗(yàn)交流

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄靠蓸?lè)罐能否立起與罐內(nèi)所剩可樂(lè)體積的關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)器材：1罐330 mL可口可樂(lè).

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

第一步，嘗試將未開封的易拉罐立在桌面上，發(fā)現(xiàn)怎么都立不住.無(wú)論可樂(lè)以任何方式擺放，都不能傾斜著穩(wěn)定在桌面上.

第四步，將可樂(lè)全部倒出時(shí)，同第二步的結(jié)果相同，一定角度，可以穩(wěn)定斜立.

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

圖13 易拉罐站立在桌子上

3.4 實(shí)驗(yàn)拓展

圖14為實(shí)驗(yàn)拓展流程圖.

圖14 實(shí)驗(yàn)拓展流程圖

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):在完成斜立可樂(lè)罐實(shí)驗(yàn)時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)有一位學(xué)生設(shè)計(jì)了如上實(shí)驗(yàn)，將兩個(gè)礦泉水的瓶蓋，中間鉆直徑1 cm的圓孔，分別用一個(gè)生活用吸盤扣在瓶蓋上，用膠槍將兩個(gè)瓶蓋口對(duì)口粘牢，在上方吸盤上綁上一根細(xì)繩，將該細(xì)繩從下方瓶蓋邊緣穿出，繩的末端系一個(gè)圓形硅膠片，硅膠片中間鏤空，可以用手指扣住拉繩即可.

設(shè)計(jì)意圖1:讓“斜立可樂(lè)罐”實(shí)驗(yàn)輕而易舉.

將可樂(lè)罐向下壓，固定在吸盤上，無(wú)論怎樣傾斜可樂(lè)罐，都會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)幾下，立在桌面上，比以往的實(shí)驗(yàn)更容易成功.

設(shè)計(jì)意圖2:說(shuō)明大氣壓強(qiáng)的存在.

無(wú)論手怎么撥動(dòng)，可樂(lè)罐都能牢牢地站立在吸盤上，如同不倒翁可樂(lè)罐.說(shuō)明可樂(lè)罐和吸盤之間存在引力.可樂(lè)罐向下壓的過(guò)程，可以排出吸盤和可樂(lè)罐之間的空氣，大氣壓強(qiáng)的值很大，吸盤內(nèi)氣體壓強(qiáng)小，大氣壓強(qiáng)的作用把可樂(lè)罐緊緊地固定在吸盤上.

設(shè)計(jì)意圖3:探究彈性勢(shì)能大小與彈性形變程度的關(guān)系

圖3 大米、紅豆、麥片、米仁

當(dāng)拉動(dòng)細(xì)繩時(shí)，吸盤會(huì)在拉力的作用下發(fā)生形變，繩子受到手的拉力越大，根據(jù)力的傳遞性原理，吸盤的形變程度越大，可樂(lè)罐跳起的高度越高,測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，關(guān)系折線圖如圖15所示.

表5 探究可樂(lè)罐彈起高度與拉力大小的關(guān)系

4 洞察物理概念 激發(fā)探求本質(zhì)的科學(xué)思維

首先，思維是由疑問(wèn)而引起的，質(zhì)疑是創(chuàng)新能力的源泉，在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解往往淺嘗輒止，不能夠深入理解其中要義.運(yùn)用質(zhì)疑與思辨的方式深化物理教學(xué)，學(xué)生通過(guò)課后實(shí)驗(yàn)為媒介，在做中學(xué)，在科學(xué)探究過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí).

其次，“筷子提米”實(shí)驗(yàn)，看似原理簡(jiǎn)單，實(shí)則米和筷子之間的最大靜摩擦力規(guī)律卻十分復(fù)雜， 這也是實(shí)驗(yàn)不容易成功的主要原因.只有在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撘?guī)律支撐下，才能對(duì)癥下藥，通過(guò)改變大米高度、筷子形狀和容器種類，才能提高實(shí)驗(yàn)的成功率.“筷子提米”實(shí)驗(yàn)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的視覺(jué)和觸覺(jué)等感官，增強(qiáng)學(xué)生關(guān)注摩擦力的興趣，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)的育人功能，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)科學(xué)思維.最終解決二力平衡條件中“等值”和“反向”問(wèn)題.

第三，“斜立可樂(lè)罐”實(shí)驗(yàn)解決二力平衡條件中重力和支持力大小相等、方向相反的問(wèn)題，同時(shí)，深入理解重心下移后提高了物體的穩(wěn)定性，重力和支持力作用在同一條通過(guò)重心的直線上.探求事物本質(zhì)就是探究決定事物性質(zhì)和發(fā)展趨向的東西.物理概念是整個(gè)物理學(xué)的基礎(chǔ)，是對(duì)事物本質(zhì)的一個(gè)認(rèn)知過(guò)程.

實(shí)驗(yàn)教學(xué)，目的是使學(xué)生經(jīng)歷基本的科學(xué)探究過(guò)程，理解實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)習(xí)探究方法，發(fā)展初步的探究能力，并形成尊重事實(shí)、探索真理的科學(xué)態(tài)度.科學(xué)思維是隨著人的思維不斷發(fā)展而不斷進(jìn)步，增強(qiáng)創(chuàng)新思維的深刻性，最終實(shí)現(xiàn)思維活動(dòng)由表層轉(zhuǎn)入深層.