創新實驗資源開發的探究式教學實踐研究

谷春生

(北京市首都師范大學附屬麗澤中學，北京 100071)

基于核心素養導向的創新實驗資源開發的探究式教學是物理科學探究教學的重要組成部分,也是落實課程目標,全面提高學生物理核心素養的重要途徑．物理實驗的開發和利用有利于提高物理教育質量和全面實現物理課程目標．這就迫切要求中學教師要善于吸收教育科學及所教學科的最新成果,拓寬自己的知識面,挖掘出教材所蘊涵的探究性因素,精心設計相應的探究性課題,創新實驗資源,把學生置于開放、多元的學習環境中,確立起學生在學習中的主體地位,增進獨立思考能力,啟迪創新思維,以更好的培養學生的科學探究能力,使其逐步形成科學態度與科學精神．下面把本人設計創新實驗,實施探究教學實踐研究的幾個案例介紹給大家,以求能拋磚引玉．

1 旋轉共享單車轉軸發電探究實驗

(1) 創設情境,引出問題.

大家都騎過摩拜單車吧？當你用手機掃碼的時候,單車具備智能開鎖,甚至GPS定位功能．這些單車的核心部件電子鎖要不要供電?如果需要,那么電從哪兒來呢?

(2) 學生積極回答.

有的學生回答摩拜單車不需要用電,因為手機掃碼手機有電;有的回答摩拜單車里面安裝有電源,眾說紛紜,莫衷一是,到底是什么樣的呢?激發強烈興趣,使他們產生強烈的探究欲望．

(3) 啟迪思考.

大家有沒有想過摩拜單車內置發電機,大家課余時間去觀察研究一下,看看它是怎樣供電的?也可以查閱資料(學生興趣高漲)．

(4) 引導分析,實施自主探究.

教師從摩拜單車公司找了一輛報廢的摩拜自行車,讓學生從家中自帶工具,在教師帶領下課余時間實施拆卸,并借了學校總務處機修班的一些專業工具,費了九牛二虎之力,終于大功告成,如圖1所示．學生興趣大增,欣喜若狂．

(a)

(b)

(c)

(d)

(5) 解釋原理.

第一代摩拜單車重達25 kg,特別難騎．用的就是騎車發電的方式,全鋁機身、橡膠實心車胎、封閉軸傳動,其后輪有一個發電花鼓及蓄電池．當人在騎行時,通過蹬腿帶動后輪旋轉,滾動的輪軸上纏繞線圈作為轉子,相對內部側壁上的強磁體模塊產生相對運動發電,并給內部蓄電池充電,如圖1(c)所示,所以有時候我們騎這種單車會比較吃力,那是因為蓄電池已經沒電了,我們要通過騎行發電來給其充電,當蓄電池充好電后,我們騎行就比較輕松,拆開的發電花鼓如圖1(d)所示．

點評:聯系生活實際的問題往往是學生特別感興趣的問題,能激發起學生更加強烈的好奇心和求知欲．通過對問題的自主探究,可以使學生品嘗探究的樂趣,從而激發學生對物理學的熱愛,使他們義無返顧地投入到物理學科的探究學習中去,更有利于學生素質的全面提高．

2 旋轉小電扇發電引課實驗

(1) 創設情境,引出問題.

在“法拉第電磁感應定律”一節的引課環節中,設計創新小實驗,可以使學生耳目一新．“旋轉小電扇發電”引課分組實驗,首先把輸入電風扇的導線插頭部分的兩金屬片分別接入學生的兩手指之間,由另一位學生快速旋轉電扇扇葉,頓時第一位學生下意識地迅速甩開兩手指間的插頭金屬片,有觸電疼痛感覺,引發學生的切膚之痛,終身難忘．這到底是為什么呢?瞬間吸引學生產生強烈的興趣,產生“不憤不啟,不悱不發”的效果．

(2) 實驗驗證.

如圖2(a)所示,從小電風扇的輸入導線插頭兩金屬片端分別引出兩根導線,把它們接入靈敏電流計的正、負接線柱,迅速旋轉電風扇扇葉,便觀察到靈敏電流計的指針偏轉,原來該裝置對外輸出了電流．這到底是為什么呢?

(a)

(b)

(3) 引導分析,實施自主探究.

拆開一電扇的機頭部分,如圖2(b)所示,學生們頓時恍然大悟．因為在初中他們學過法拉第電磁感應定律的初步知識.這里可以引導學生交流討論,然后分小組匯報交流．有些小組回答較好:圖2(b)側壁上排放了許多小磁鐵塊,形成了磁場,內部轉軸上纏繞線圈作為轉子．當一個學生撥動電風扇扇葉使其旋轉時,轉子線圈便切割磁感線運動產生感應電流,所以手指有觸電疼痛感覺.既回憶了舊知識,又引發了新思考,從而產生對高中新知識的強烈的探究欲望,達到較好的引課效果．

點評:這個探究實驗非常有趣,可以培養學生較強的動手能力、觀察能力、分析綜合能力．如果有條件,可帶領學生動手自主分組實驗,進行實驗探究,在實踐觀察中學習物理知識,使物理學變得更加親切．

3 自制“隔空取物”分組探究小實驗

(1) 創設情境,引出問題.

圖3

“隔空取物”:如圖3僅有弧形玻璃杯和塑料球,身體的任何部位不能接觸球,杯壁、杯口不能著地,隔空把塑料球取走,應該怎么做?為什么可行?技巧如何?

(2) 探究操作.

這是高中物理必修2中“離心運動”的一個本人創新設計的學生分組探究實驗．開始有的小組把玻璃杯側著放置,杯口對著塑料球,使足渾身的氣力用嘴吹氣,如果杯口著地勉強可行,但要求杯口不能著地,這就難了,便無法完成．該怎么做呢?有的小組陷入了困惑,部分小組摸索出了一種方法：把杯口朝下,反扣住塑料球,保持杯口面與桌面平行并遠離桌面,剛好杯口平面正對塑料球高度的一半位置處,如圖4所示,然后手握住玻璃杯快速拖動塑料球,使其做圓周運動,隨著拖動晃動的加快,小球圓周運動的速度越來越大,小球便騰空而起,懸空在玻璃杯內壁做勻速圓周運動,這時小心翼翼整體移動玻璃杯,從而成功實現“隔空取物”,如圖5所示．技巧是要想使小球向上略微升高,則應該加快晃動玻璃杯的速度,從而使小球運動速度加快,使其離心向上甩,實現小球從低軌道近似勻速圓周運動向高軌道的遷移．其動力學本質如圖6(a)～(c)所示．

圖4

(3) 引導分析.

讓我們抽象為小球、弧形玻璃杯模型來探究一下．“隔空取物”只需研究小球在玻璃杯下半部分的運動情景即可,弧形玻璃杯的切線如圖6(c)所示．因為塑料球、玻璃杯壁之間摩擦很小,可以忽略不計．當塑料球在弧形玻璃杯的切面上做勻速圓周運動時,受力分析如圖6(a)所示,支持力的豎直分力與重力大小相等,使其豎直方向上受力平衡;水平分力提供了做勻速圓周運動的向心力．按力的合成思想進行受力分析如圖6(b)所示,則

(a)

所以小球從低軌道近似勻速圓周運動向高軌道遷移的過程中,杯壁圓弧切面越來越陡峭,支持力與水平方向的夾角θ角減小,小球的高軌道穩定運行也可以近似看作勻速圓周運動,其軌道半徑r變大,則根據上述的計算式可知其線速度v變大,所以技巧是要想使小球向上略微升高,則應該加快晃動玻璃杯的速度,使小球的線速度變大,從而做離心運動由低軌道向高軌道遷移,是離心運動知識在實際操作層面的一個較好的案例．

點評:這個實驗非常有趣,可以培養學生較強的觀察能力、分析綜合能力．在玩中學,在愉快中感悟,在濃厚的興趣中提升,實施自主探究,親身感受,可以提高學生的科學思維和創新能力．

4 在南北半球,馬桶下水的旋轉方向真的不同嗎?

圖7

圖8

(1) 創設情境,引出問題.

(展示圖7、圖8)

人們一直認為:南北半球馬桶下水漩渦的方向不同,是因為地球自西向東地自轉,受慣性作用的影響,南北半球上運動的物體就會有不同方向的偏轉,北半球偏右,南半球偏左,于是水流就會產生不同方向的漩渦,如圖9所示．那么,這個觀點真的正確嗎?

圖9

(2) 設計實驗,實施自主探究.

筆者讓學生在北京做了課外興趣小組實驗,如圖10所示．

實驗表明北半球的水流漩渦是逆時針的．那么,南半球真的會是順時針嗎?筆者聯系了一個在澳大利亞生活的朋友,請他來幫我們完成南半球的實驗．如圖11所示．

圖10

圖11

實驗結果:

在南半球,水流有順時針的,但也有逆時針的漩渦．與此同時,在北半球的北京又做了幾次試驗,同樣也發現了這個問題．

初步實驗結論:水流的漩渦有時候是逆時針的,有時候又會是順時針的,旋轉的方向和所在的地理位置,似乎沒有聯系．

激發認知沖突:這到底是為什么呢?激起了學生的興趣,激發了強烈的探究欲望．

(3) 激發深思,引導分析:什么是科里奧利力?

由于地球自轉的影響,會產生一種力,科學家把它稱作“科里奧利力”．相對我們平時講的推力、拉力來說科氏力并不是一種真實的力．但是對于地球上運動的物體,特別是流體受到科氏力的影響就非常大．比如說北半球的河流,它南岸(或右邊)的河床受到的沖刷就特別厲害;南半球的河流,它北岸(或左邊)的河床受到的沖刷就特別厲害,這些都是科氏力的影響產生的．

僅僅憑借地球自轉的科氏力,會對生活中馬桶下水的水流方向產生影響嗎?

(4) 設計創新實驗,實施自主探究.

實驗升級,為了把干擾因素降到最低,筆者請來了學校總務處維修組師傅對塑料盆進行改造．在盆底開了個洞,接了根下水管,并且把水管帶螺紋的部分剪掉,只留光滑的一段,如圖12所示．

圖12

將水靜置2h,水面上空氣的流動、周圍人的講話等因素都會影響到水面的波動,所以不能做到絕對的靜止,只能盡可能讓它靜止下來．在臉盆里,加了一些紅色的顏料．在臉盆側壁上端裝上微型攝像頭進行攝像觀察,如圖13所示．

圖13

靜置2h后,拔開底下的塞子．盆子里的水垂直而下,并沒有產生漩渦,如圖14所示．

圖14

實驗探究結果:排除掉各種干擾因素,水流并沒有產生漩渦,下水方向全程都是垂直往下的．

多次實驗發現,只要稍微有一點初始動力,在下水的過程中,作用力會最來越大,最后就會產生漩渦．南北半球的下水漩渦的方向,其實是一樣的．

通過科學探究實驗我們發現:日常生活中,科氏力的作用就很有限,影響其實是微乎其微的．進一步地研究發現,我們實驗中漩渦的形成,除了有科氏力的影響之外,更多的還是受到初始動力.下水道螺旋的形狀,還有水池的形狀等等,這些干擾因素的影響還會更大一些．

點評:這個實驗非常有趣,可以培養學生較強的觀察能力、分析綜合能力、團隊協作能力．較好地培養科學思維,并逐步形成“科里奧利力”的物理觀念．

總之,基于核心素養導向的創新實驗資源開發的探究式教學實踐研究在全面提升學生核心素養方面具有廣闊的研究前景,所以教師在教學過程中要深挖教材中的探究性因素,開發創新實驗資源,精心多多設計或啟發學生設計新的探究方案,盡最大可能給學生提供必要的科學探究機會,讓學生自主思維、動手實驗、社會調查、查閱文獻等等,體驗探究過程的曲折和樂趣,發展科學探究能力,激發學生創新潛能,實施科學探究教育．科學因探究而美麗,探究以創新而更精彩．教育改革呼喚更多具有創新思維的教師,以更好地激發學生探究科學的熱情,增強他們的創新意識．