科學探究之地震中的高樓生存密碼

仲國虎/北京市十一學校教師

核心素養(yǎng)是學生在學習過程中逐漸形成的必備品格和關鍵能力。科學探究是學生物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要途徑，它既能幫助學生深度學習物理理論，又能提高學生科學探究能力。因而，物理學科教學中非常重視科學探究任務的開展。學生通過科學探究任務展開學習，認真觀察和分析提出科學探究問題、形成猜想或假設、抽象建模、設計方案獲取信息、根據證據得出結論并解釋、撰寫論文，在這一系列過程中增強學生物理學習興趣和獨立解決問題能力，培養(yǎng)和落實物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任核心素養(yǎng)。

科學探究任務側重于真實情景，但真實的問題一般也是中學生難以直接上手研究的問題，教師必須幫助學生將真實問題轉化為可探究的任務。

臺風過境中國沿海，尹同學產生疑惑：中國臺北的101 高塔如何能在臺風或地震等自然災害中巍然屹立？這是一個典型的真實情境中的問題，教師需要引導學生抽絲剝繭，通過開題答辯的方式，形成科學探究任務。

首先，給學生設計一系列具體問題：高樓穩(wěn)定系統(tǒng)的機制是什么？影響穩(wěn)定機制的關鍵因素有哪些？這些因素的主次順序是什么？這些因素中哪些是和已學過的物理知識相關聯(lián)的因素？本次科學探究任務中，你計劃研究哪些因素？學生在尋找解決方案過程中層層遞進，逐漸理清思路、確立研究方向、聚焦研究內容。

其次，組織學生開題答辯。學生探究過程中發(fā)現101 高塔第八十九層樓懸掛著調諧質量阻尼器——一個巨型的單擺，是整個高樓穩(wěn)定性的保障。學生對單擺已經非常熟知，最后選擇研究調諧質量阻尼器擺長和擺球質量如何影響其對高樓穩(wěn)定性的作用。一個真實情境的問題也就轉化為可探究的物理任務了。

科學探究任務，以學生的主動學習為中心，是學生基礎知識、科學思維、科學探究能力、科學態(tài)度等方面綜合素養(yǎng)的體現。

擺在學生面前的第一個問題就是高樓的穩(wěn)定性用什么物理量描述呢？學生檢索到很多碎片化的信息，信息之間及信息與學生高中學過的內容有些脫節(jié)，影響學生深度學習和理解調諧質量阻尼器原理。我根據學生搜集到的相關信息，引導學生首先理清這些知識的脈絡，即信息的邏輯聯(lián)系，以及與學過的振動知識的關聯(lián)。信息之間有斷層的情況，我推薦學生閱讀一些大學書籍或觀看國外著名大學的公開課視頻，然后和我討論，找到描述高樓穩(wěn)定性的物理量。整個過程中，我引導學生自主學習，為學生提供必要的幫助和建議。

探究實驗設計是探究任務非常重要的環(huán)節(jié)，是學生科學思維和探究能力的體現，也是探究困難或問題比較多的部分。學生最初的實驗設計非常巧妙，用四根PVC 管固定在木塊上來模擬樓體，木塊固定在桌面上，通過改變連接到金屬桿上的金屬小球質量和位置，實現擺球質量和擺長的控制，用鐵錘敲擊木塊來模擬地震的沖擊力。然而，實驗過程發(fā)現了一些問題，實驗設計還需優(yōu)化。

模型結構選材為PVC 管，其硬度不夠，一定長度后沒有外力的情況下，樓體也會搖晃不穩(wěn)。用什么材料好呢？既然是探究實驗，那通過一次次的實驗來尋找理想的材料就是最好的解決方式。

考慮到實驗過程的難度與耗時性，我為學生同時開放了物理實驗室、技術教室、工程實驗室，這里有學生制作或切割儀器需要的工具，并且延長各實驗室開放時間。教師在實驗室值班，既保證學生的實驗安全，又能隨時解答或討論學生遇到的問題。學生儼然是一位工程師，時而量尺寸繪圖紙，時而切割材料連接儀器。學生的物理知識、設計思維、動手能力都體現得淋漓盡致。經過對比實驗過程中幾種材料的實驗效果，最后選擇硬度適當的銅合金材料。

改變了擺球的質量，其體積也會改變，用什么樣的方式實現改變質量卻不改變體積呢？雖然我已經有了解決方案，卻不能直接告知學生，培養(yǎng)學生解決問題的能力是科學探究的重點之一，也是提高學生科學思維能力的重要途徑。通過層層遞進問題的設計，引發(fā)學生思考，提升學生類比遷移思維能力，培養(yǎng)學生的科學思維。我問學生：“如何才能使一個鐵塊和一個木塊的質量和體積都相同？”學生立刻回答：“空心鐵塊?！笨v然理論上是可行的，但是無法把一個實心金屬球改成空心的，學生又陷入了沉思。我再次問學生：“既然無法在金屬球內做文章，那金屬球外部是否可以？”學生經過一番思考和探索，用同一個塑料球殼將不同質量的擺球套在其內，就可以非常好實現改變擺球的質量卻沒有改變其體積。

用鐵錘人工敲擊木塊來模擬地震的搖晃力，怎樣實現每一次的力都相同？學生很容易就想到將人工敲擊改為擺錘下落，擺錘從同一高度下落來保證每一次的搖晃力相同。但很快就出現了新的問題：擺錘在下落過程中會左右搖擺甚至旋轉，怎么解決？學校舉行的趣味運動會中有一款游戲“擊鼓顛球”為這一問題的解決提供了思路。鼓的邊緣均勻系上六條繩子，六個人分別拉住繩子的另一頭，就可以讓鼓平穩(wěn)運動，從而擊球。仔細思考和類比后，學生將擺錘的前后兩端分別用兩根線與四個固定點連接，擺錘穩(wěn)定性問題也就解決了。這個問題的解決看似平淡無奇，但卻讓學生切身體會到物理就在身邊，平時多觀察生活中物理現象的重要性。

科學探究任務的呈現形式是撰寫論文，但中學生撰寫科學論文是一種挑戰(zhàn)，學生對論文的結構框架、內容闡述等方面都比較陌生。為此，我們開設了系統(tǒng)介紹如何撰寫科研論文的選修課程，拓寬學生的視野，并且將之前本校學生的科學探究論文、搜集到的一些中學生的優(yōu)秀科學探究論文整理成冊，擺放在閱覽室，學生撰寫論文過程中可以隨時借閱。

科學探究任務，以學生的主動學習為中心，是學生基礎知識、科學思維、科學探究能力、科學態(tài)度等方面綜合素養(yǎng)的體現，有助于激發(fā)學生的學習熱情、培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，逐步形成適應學生終身發(fā)展的必備能力。