基于科學思維水平劃分,構建遞進物理課堂、培養質疑創新能力
——以“探究加速度和力、質量的關系”為例

居 津

(江蘇省蘇州實驗中學，江蘇 蘇州 215011)

2018年1月,教育部正式發布了《普通高中物理課程標準(2017版)》(以下簡稱“高中課標2017版”)．整體上看,修訂后的高中課程標準有5個方面的變化:① 凝練了物理學科核心素養,凸顯物理課程的育人功能;② 優化高中課程結構,注重課程基礎性、系統性和選擇性;③ 強調物理實驗和科學實踐,注重物理與社會和技術的聯系;④ 劃分學業質量水平,促進關于物理學科核心素養評價的探索;⑤ 注重各類提示及建議,引導教師關注學生物理學科核心素養的提升．[1]高中課標2017版尤其注重學生物理學科核心素養的培養,并將物理學科核心素養的4個方面進行了詳細的水平劃分．其中科學思維劃分為如表1所示5個層次.[2]

本文針對科學思維水平劃分的質疑創新能力要求,以力學中最基本、最重要的探究實驗:加速度和力、質量的關系為例,按5個水平要求序化物理課堂,談談學生逐步提高自己的質疑和創新能力的“三部曲”．

1 博聞強識,知識積累

所謂“博觀而約取,厚積而薄發”,只有達到一定的積累量才會噴發．所以要培養科學思維的質疑和創新能力,首先要有大量的知識積累．以實驗探究加速度和力、質量的關系實驗為例,學生就需要有一定的知識儲備:(1) 本實驗需要用到的實驗方法是控制變量法;(2) 本實驗研究的是加速度與力和質量的關系,所以需要測量的是小車所受到的合外力,質量和加速度,如何測量小車所受到的合外力,質量和加速度;(3) 如何設計實驗方案;(4) 所設計的操作有沒有實驗誤差,如何減小實驗誤差．

表1

這里所提到的第(4)條就是質疑的最佳體現．對于一個實驗設計,我們只有有了質疑精神,知道質疑的重要性(水平1),具有質疑和創新的意識(水平2),才會想知道有沒有更精確的實驗方案,才會思考如何減少實驗誤差,設計更優的實驗方案．當然如果要設計出更優方案,要提出自己的質疑或者創新意見,知識儲備必不可少．圖1是最常見的探究加速度和力、質量關系的實驗裝置圖．對于這個實驗裝置,可以引導學生思考是否存在實驗誤差,怎樣減小誤差,是否有更優的設計方案．讓他們知道質疑的重要性,從而喚醒學生內心的質疑意識．

圖1

2 融會貫通,多向思維

科學思維水平劃分的水平3提出:對已有的觀點提出質疑,從不同的角度思考物理問題．對于本實驗上述方案進一步引導啟發學生提出質疑:(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) 如何減少實驗誤差？學生可以運用已有的知識,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量要遠小于小車的質量．

但是即使滿足這兩個實驗條件,本實驗仍然有系統誤差．水平劃分水平4提出:提出質疑后,要求學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學生質疑思考,是否有更優的實驗設計方案,來減少實驗的系統誤差．逐步引導學生創新,解決物理問題,從而提高科學思維水平．最后學生總結出可以用以下實驗方案.

方案1. 改進實驗儀器法.

對于平衡摩擦力的條件,在操作時頗有難度,所以學生很容易就能提出是否可以采用氣墊導軌進行替代;對于鉤碼的質量遠小于小車質量所帶來的系統誤差問題,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．當然這樣的實驗方案對器材要求比較高,如果受實驗條件限制的學校,可以通過類似的實驗方案來完成．如圖3．

圖2

圖3

方案2. 轉換研究對象法.

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,利用打點計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關系圖得到的一定是線性關系,不需要滿足砝碼質量m遠小于小車質量M條件,消除了之前設計方案的系統誤差,優化了實驗設計．研究加速度a與質量m關系的時候,也以小車和砝碼(含砝碼盒)總質量作為研究對象即可．

圖4

方案3. 創新實驗設計方案.

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,調節平板的傾角θ,使小車沿斜面向下做勻速直線運動,測出沙和沙桶的總質量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動,通過紙帶測量其加速度a.

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

(4) 多次改變小車的質量,進行適當的操作,得到小車加速度和質量的關系．

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,消除了原實驗設計的系統誤差．

3 實踐檢驗,不斷創新

科學思維水平劃分水平5指出:能從多個視角審視檢驗結論,解決物理問題具有一定的新穎性．對于上述提出的各種實驗方案,無論有無系統誤差,都應該讓學生親自到實驗室進行操作探究,在檢驗過程中可以將各方案再次優化,重組,不斷創新．

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“不斷調整軌道的斜度,使小車不掛重物時能勻速運動”,顯然這種方法不易操作．有些教材給出的方案是“不斷調整軌道的斜度,使小車不掛重物時剛好能運動”,這種方法相對好操作,卻有較大的理論誤差,因為最大靜摩擦力小于滑動摩擦力．學生只有通過實踐操作,才能發現問題，進一步培養學生的質疑能力．有學生提出可以先通過理論計算出小車和導軌斜面的動摩擦因數,進而求出平衡摩擦力所欲要的導軌斜面與水平面間的角度,這樣就可以利用量角器,準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，先用打點計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．根據牛頓運動定律計算出動摩擦因數μ．

f=μmgcosθ，

mgsinθ-μmgcosθ=ma，

圖6

調節斜面傾角為θ0,

mgsinθ0=f，

μmgcosθ0=f，

μ=tanθ0，

可得θ0=arctanμ.

由此計算得到的斜面傾角,學生只要利用量角器就很容易得到了,且誤差較小．

在這一系列的實驗改進研究過程中,學生通過質疑層層遞進,不僅有對于方案改進創新,在實驗操作中也不斷提出質疑,推陳出新,同時,在后續做“探究功與動能變化關系”的實驗中也大有幫助．整個過程可以達到讓學生科學思維水平逐步提高,質疑創新能力得以培養的目的．