真實情境下培育科學探究素養(yǎng)的教學設計
——以 “向心力(第1課時)”為例

丁紅明

(平湖市教師進修學校 浙江 嘉興 314200)

新教材中向心力置于圓周運動之后，向心加速度之前，與舊教材在編排體系上有較大的差異，從力與運動的角度來看，有利于向心加速度教學.這節(jié)課重點是設計實驗制定探究方案，歸納向心力與質(zhì)量、角速度和軌道半徑的關系，難點是向心力演示器的結構和工作原理.

控制變量法研究多變量問題是高中物理中的一種重要方法，初中及高中物理必修第一冊雖有涉及，但學生還不夠熟練.本實驗中影響向心力大小的因素眾多，需要學生回顧牛頓第二定律的探究經(jīng)歷，在教師的指導下設計實驗探究方案.同時會采集相應的數(shù)據(jù)，分析和比較數(shù)據(jù)，并總結出規(guī)律，這是科學探究中的一種重要能力.

物體做圓周運動的必要條件之一是在圓周軌跡平面內(nèi)受到一個指向圓心的向心力，這里給出了向心力的方向.而向心力的大小如何？影響向心力大小的因素有哪些？向心力是否與物體本身的性質(zhì)以及它的運動狀態(tài)有關？這就是需要我們探究的問題.

探究向心力大小的影響因素屬于科學探究的范疇，教師要遵循學生認知規(guī)律開展教學設計，從定性感受向心力存在到定量研究向心力大小的影響因素，領會控制變量思想在科學探究中的運用，引導學生設計實驗方案.通過觀察操作向心力演示器，引導學生探究向心力演示器的工作機理，理解將力的大小關系轉(zhuǎn)換為標尺露出格數(shù)的原理.

1 基于觀察和實驗提出物理問題

情境1：如圖1所示，用手通過細繩拉著小沙包在水平面內(nèi)做圓周運動.

圖1 新課引入小實驗

教師提出引導性問題：從運動與力的角度看，你想研究的問題有哪些？在這個情境中，哪些可以定性研究？定量研究時，還需要哪些物理量？

學生討論提出一些問題后，師生明確本節(jié)課的核心問題：物體做勻速圓周運動時，合力指向哪里？物體做勻速圓周運動時，合力的大小與哪些因素有關？如何設計探究方案，定量研究合力與質(zhì)量、角速度和半徑的關系？然后師生共同對提出的問題進行分類：

(1)如何給物體做勻速圓周運動時受到的合力命名，要從合力方向的特點出發(fā)，為合力命名.

(2)區(qū)分定性問題和定量問題，本課時先研究定性問題后研究定量問題.

(3)區(qū)分問題主要研究方向：水平面內(nèi)的圓周運動，豎直面內(nèi)的圓周運動，傾斜的圓周運動，確定對水平面內(nèi)圓周運動做定量研究，其他兩個做定性研究.

交流討論后，制定研究計劃，總結得出本節(jié)課的任務串.

圖2 課時任務串

教學建議：在本環(huán)節(jié)教學中，主要任務是完成本節(jié)課任務串的制定，可以以小組為單位廣泛搜集學生提出的問題并進行匯總補充.針對各類問題，引導學生按照不同視角對問題進行分類，以明晰研究方向，由此制定本節(jié)課的任務串.

設計意圖：本環(huán)節(jié)教學旨在明晰本節(jié)課的學習路徑，避免教師直接制定教學安排，讓學生經(jīng)歷“問題提出—問題分類—問題提煉—任務制定”等過程，參與課堂設計.

2 設計實驗方案 開展科學探究

任務1：感受向心力的存在，形成猜想與假設.

情境2：兩個同學為一組，每組配一個帶有細繩的小沙袋(或小沙桶)，讓學生按照以下操作完成實驗.

操作一:如圖3所示，同學甲手握繩結A，使沙袋在水平面上做勻速圓周運動.同學乙每秒鐘喊2次口令.同學甲按口令調(diào)節(jié)沙袋轉(zhuǎn)動的快慢，使沙袋每2次口令運動1周，即每秒鐘運動1周，體驗此時細繩對手的拉力的大小.

(a)(b)

操作二:改為手握繩結B，仍使沙袋在水平面內(nèi)每秒鐘運動1周，體驗此時細繩對手的拉力的大小.

操作三:再次改為手握繩結A，使沙袋在水平面內(nèi)做勻速圓周運動，每秒鐘運動2周，體驗此時細繩拉力的大小.

操作四:手握繩結A，增大沙袋質(zhì)量為原來的2倍，使沙袋在水平面內(nèi)做勻速圓周運動，每秒運動1周，體驗此時細繩拉力的大小.

教師設置以下問題，幫助學生進行歸納：

(1)操作二與操作一中沙袋質(zhì)量和角速度都一樣，但是轉(zhuǎn)動半徑不同，你感受到的細繩拉力有什么不同？

(2)操作三與操作一中沙袋質(zhì)量、轉(zhuǎn)動半徑相同，但沙袋的角速度是操作一的2倍，你感到哪一次的向心力比較大?

(3)操作四與操作一中沙袋的角速度、轉(zhuǎn)動半徑相同，但沙袋質(zhì)量是操作一的2倍，你感到哪次的向心力比較大?

教學建議：為了確保安全，在做本實驗時同學之間要保持一定的距離.可將多余的細繩繞在手上，以免沙袋甩出去傷人.同時，要注意把握甩繩的節(jié)奏，教師示范，學生一開始多練習幾次每秒鐘喊2次口令，然后再開始感受向心力的存在.

設計意圖：通過操作一到操作四的連續(xù)四步操作，讓學生通過觀察和使用基本器材進行實驗，形成對于向心力大小影響因素的初步猜想，為后續(xù)定量研究向心力大小與質(zhì)量、角速度和半徑關系做好準備.

任務2：探究向心力大小與質(zhì)量、角速度和半徑的關系.

情境3：向心力大小的表達式是怎樣的？怎樣才能驗證你的猜想？教師給出任務的具體目標，探究向心力大小表達式.

通過以下問題設置，幫助學生抓住本任務學習的主要方向：

(1)根據(jù)前面的體驗，我們需要明確向心力大小與哪些因素有關？

(2)探究向心力大小與諸多因素的關系，物理上往往采用什么方法開展研究？

(3)請你設計相應的探究方案，然后依據(jù)操作方案開展探究.

(4)實驗操作時，如何運用控制變量法？

學生相互交流，確定向心力大小的影響因素，然后制定探究方案，結合向心力演示器的使用，設計好相應的數(shù)據(jù)記錄表格(見表1～3).

表1 探究1：小球質(zhì)量m和角速度ω相同時向心力F與軌道半徑r的關系

表2 探究2：小球質(zhì)量m和軌道半徑r一定時向心力F與角速度ω的關系

表3 探究3：小球角速度ω和軌道半徑r一定時向心力F與小球質(zhì)量m的關系

教學建議：引導學生廣泛參與方案設計與交流，借助集體的力量完善方案.根據(jù)任務2中的追問，要引導學生明確探究中測量的物理量通過比值關系體現(xiàn)出來，而不是具體的某個數(shù)值.具體探究過程中，教師要多走動，巡視學生具體操作，發(fā)現(xiàn)有操作不規(guī)范的地方，要及時指出并督促其改正.標尺露出的格數(shù)記錄應盡量選擇整數(shù)倍記錄，比如1∶4格或2∶8格，這樣比較容易看清楚格數(shù)之比.實驗時可以先使短槽小球標尺達到，再去觀察長槽小球標尺.

設計意圖：一方面讓學生在承接任務1 “猜想與假設”的基礎上，一起交流探討“設計實驗和制定方案”，觀察向心力演示器結構，明確如何實現(xiàn)控制變量法以及探究中測量的物理量通過比值關系體現(xiàn)出來，通過操作實驗、采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，形成初步結論，最后結合課本得出向心力表達式，讓學生經(jīng)歷科學探究全過程.另外一方面，由于儀器本身的限制，所能采集的數(shù)據(jù)很有限，所以基于有限的、不連續(xù)的數(shù)據(jù)形成的結論也是初步的、不可靠的，為學生思維提升打開了一扇窗，為后續(xù)進一步研究做好了必要的鋪墊.

情境4：如何驗證向心力表達式F=mω2r是否正確？

教師引導：利用向心力演示器得出向心力大小表達式是否正確，這個表達式中有無比例系數(shù)，還需要實驗進一步驗證.

學生討論交流，分享自己的想法，綜合大家的意見，給出相應的觀點：表達式是否正確，可以把等號左右兩邊的量都求出來，看具體數(shù)值是否相等.

教師總結：向心力本質(zhì)上是由具體的某個力提供，如果這個力的大小確實與mω2r的數(shù)值相等，那么我們就說由這個力提供了圓周運動所需的向心力，進一步也證明了F=mω2r表達式的正確性.要實現(xiàn)精確測量，就可以借助傳感器，利用圖4所示傳感器實驗裝置開展探究.

圖4 傳感器實驗裝置

教學建議：本教學任務受制于時間和空間，具體探究過程可能要放在課外進行，課內(nèi)僅進行理論上的分析和探討，幫助學生形成研究思路，制定研究方案.

設計意圖：這部分教學中，主要是讓學生敢于表達自己的觀點(探究實驗是從比例關系推導而來，并非精準實驗)，反思剛才的探究過程和結果(有限的數(shù)據(jù)得出結果是否可靠)，提出新的質(zhì)疑(向心力公式中可能有系數(shù))，于是師生交流，明確下面的任務是要驗證向心力公式的正確性，討論發(fā)現(xiàn)向心力演示器無法同時測量向心力和角速度的數(shù)值，因而無法用向心力演示器驗證，于是考慮使用傳感器突破上述難點，重新制定有新意的科學探究方案，靈活選用傳感器獲得連續(xù)數(shù)據(jù)，形成合理的結論，驗證向心力公式的正確性.

任務3：探究向心力演示器的結構與工作原理.

情境5：如圖5所示，兩人一組，每一組實驗桌上放一臺向心力演示器，學生慢慢搖動手柄，認識向心力演示器，探究其工作原理.

圖5 向心力演示器

學生閱讀書本28～29頁材料，邊閱讀邊體會儀器的工作原理，完成圖6的填空.

圖6 向心力演示器的結構部位

教師設置以下問題，幫助學生更好地認識向心力演示器.

(1)小球做圓周運動時的向心力由什么提供?

(2)標尺露出的格數(shù)和擋板對小球的作用力有什么關系？

(3)塔輪自上而下有3層，這3層起到什么作用？

(4)向心力演示器設置兩個塔輪的巧妙之處在哪里？

【案例1】擋板對小球作用力與標尺露出的格數(shù)之間的關系.

師：為什么說露出的格數(shù)與向心力大小成線性關系呢？

生：……(思考中)

師：大家觀察小球受到的彈力(向心力)是怎么樣轉(zhuǎn)換到露出的格數(shù)？如何受力分析？

生：小球受到的彈力的反作用力是小球?qū)醢宓耐屏Γ瑱M臂是杠桿，通過橫臂的杠桿作用，把球?qū)醢宓淖饔昧D(zhuǎn)換到了彈簧測力套筒的彈力，彈力使得套筒上下移動.

師：能否再具體點，為什么向心力和露出的格數(shù)之間是線性關系.

圖7 向心力演示器中的杠桿結構

教師追問：在實驗操作時，為了使機座保持穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速有什么要求？既然單個標尺露出的格數(shù)不能精準等價力的大小，那么用什么方法可以表示兩個小球受到的擋板作用力大小關系呢？

教師總結：向心力演示器使用時轉(zhuǎn)速應從慢到快慢慢增大，右手轉(zhuǎn)動手柄，左手握住向心力演示器機座，使機座保持穩(wěn)定，將小球受到的向心力之比轉(zhuǎn)換為標尺露出的格數(shù)之比.

教學建議：在探究擋板對小球作用力與標尺露出格數(shù)的關系時，引導學生認真閱讀書本材料，找到一些關鍵的字眼(比如：杠桿作用)，然后觀察儀器構造，建立相應杠桿模型，加以推理論證分析，讓學生養(yǎng)成每個判斷都要拿出相應證據(jù)的習慣.同時，遵循從定性到定量的教學策略，隨著老師的追問，引導學生結合嚴密的數(shù)學推導，深入理解整個裝置的結構轉(zhuǎn)換關系，最后理解標尺露出的格數(shù)可以反映向心力的大小.

設計意圖：在完成向心力大小影響因素的定量探究后，學生自然而然想到向心力大小為什么和向心力演示器標尺露出格數(shù)成正比.所以要求學生面對真實的情境，能從不同角度認識向心力演示器，探究向心力演示器的結構轉(zhuǎn)換關系，能用已知的物理知識(杠桿原理)通過嚴密的數(shù)學推導，科學解釋心中的疑惑(向心力大小和標尺露出格數(shù)是線性關系)，落實科學探究素養(yǎng).

【案例2】感受向心力演示器雙塔輪結構的巧妙之處.

師：我們在研究向心力大小與角速度的關系時，能不能在保證m和r不變的情況下，第一次搖手柄，使物體以角速度ω運動，第二次搖手柄，使物體以角速度2ω運動，然后總結向心力F大小與角速度ω的關系？

生：可以模仿前面喊口令的方法，第一次喊一次口令小球運動1周，第二次喊一次口令小球運動2周，比較兩次標尺露出的格數(shù).

師：從實驗數(shù)據(jù)獲取的精準性角度看，困難在哪里？

生：理論上通過喊口令，前后兩次角速度為兩倍關系，但實際操作的時候，很難保證角速度就是2倍關系.

師：那會帶來什么影響？

生：比如操作時，真實的角速度是1.8倍，那么平方以后實際上是3.24倍關系，但我們還以為角速度是2倍關系，平方以后是4倍關系，對于實驗來說誤差就大大增加了.

師：為了避免剛才所說的情況，我們在實驗時是用左右兩個塔輪的.大家想想這樣有什么巧妙之處？可以用具體的數(shù)據(jù)說明問題.

生：研究向心力F大小與角速度ω的關系時，只要控制左右塔輪的半徑比為2∶1，由于塔輪邊緣線速度相等，所以左右塔輪的角速度就是1∶2，這個時候在搖動手柄時，不管是勻速搖動還是加速搖動，左右兩邊的角速度關系始終是1∶2，可以有效避免人為因素造成的實驗誤差.

師：是的，采用左右塔輪對比的方法，可以很好地滿足實驗探究的需要.大家是否可以再說，在研究F與r的關系時，這個巧妙關系依然存在.

生：在具體探究時，如果用一個小球，保證角速度不變，做半徑不一樣的兩次探究，實際操作時，很難保證前后兩次的角速度完全一樣.所以采用左右兩個半徑相同的塔輪用皮帶連接，這樣在具體探究的時候，不管是搖動手柄時，勻速搖動還是加速搖動，只要皮帶在第一層，兩個小球的角速度始終相同，這樣比較才有實際意義.

教學建議：本任務在學生具體操作體驗中完成，需要兩位同學相互配合，具身體驗與精準閱讀相結合，及時提取課本相應的知識.案例實施時引導學生從實際操作上去考慮問題，同時，指導學生在塔輪上換皮帶的方法，體現(xiàn)實驗的安全操作要求.不同塔輪的半徑關系，學生往往先定性表述，然后教師提醒，學生再仔細觀察結合分析、推理才能得到定量結論.

設計意圖：通過追問讓學生發(fā)現(xiàn)單塔輪研究問題存在的困難，從而尋找雙塔輪巧妙之處的證據(jù)，通過課堂上師生交流、生生交流，解釋清楚為什么要用雙塔輪結構，理解其巧妙性.

3 學習活動設計說明

本教學設計依據(jù)學生的認知規(guī)律，從定性到定量，從模糊到精準，從誤差分析到精準探究的思路，引導學生開展科學探究，以問題探究和師生互動、同伴互助等方式組織教學，在完成預設的學習目標的同時，有效落實科學探究素養(yǎng)的培育.

問題、證據(jù)、解釋、交流等科學探究的四要素始終貫穿在本課時中，整個教學設計遵循“情境引出問題”“數(shù)據(jù)提供證據(jù)”“推理支撐解釋”“案例保障交流”的思路.“基于觀察和實驗 提出物理問題”中通過真實的情境，老師給予充分的引導問題，學生討論問題，最后師生一起確定研究的問題.

任務1中的4個體驗操作，給學生定性的認識，為學生提供了定性的證據(jù)，支撐學生形成猜想：向心力大小與質(zhì)量、角速度和半徑有關系.

任務2中學生參與制定科學探究方案，選用合適的器材獲得相應的科學數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律、形成合理的結論，佐證前面的猜想，則將科學探究的要素得以充分展現(xiàn)，特別是培養(yǎng)學生的證據(jù)意識.

任務3中培養(yǎng)學生觀察讀圖能力，發(fā)現(xiàn)了解決問題所需要的證據(jù)，能用已有的物理知識進行解釋，幾個“參考案例”中，學生有了很好的解釋和交流的機會.