挖掘學生課后實驗素材 培養力學科學思維
——以“筷子提米”和“斜立可樂罐”為例

張楊敏

(上海市七寶第二中學 上海 201101)

《普通高中物理課程標準(2017版)》指出：“科學思維分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用，是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格.”常見的科學思維表現如圖1所示.

圖1 4種思維類型

力學教學貫穿整個初中物理教學，學生通過課后實驗學習相互作用與運動規律、能量守恒與能源、經典力學的成就與局限性等物理核心內容，經歷科學探究活動，初步了解物理學的學科特點與研究方法，逐漸形成力學的科學思維.力學的學習有助于培養學生質疑創新、分析綜合、推理論證等科學思維.

1 教師的苦惱學生的煩惱

上學期發現，學生在理解二力平衡條件的等值和共線問題存在很大的問題，每每遇到力學辨析題時，時常出現思維障礙，答題正確率不足30%.滬教版八年級第一學期第三章力關于“二力平衡”這一節，重點介紹了在怎樣的情況下能二力平衡.在二力平衡的4個條件中，共線問題和等值問題一直是教師進行教學設計時苦惱的問題，教師需要設計出適合學生生活情境，容易理解的實驗模型.而這同時也是學生煩惱的問題.為幫助學生理解生活中的二力平衡現象，對二力平衡課內教學內容的補充和拓展，筆者設計了“筷子提米”和“斜立易拉罐”兩個實驗，兩者有利于學生進一步理解二力平衡的條件，拉近物理學與生活的距離，讓學生深切感受到科學的真實性.

兩個實驗經過2個月的反復修正，最終在每個月的月尾學生寫成了自己的小論文.教師經過對學生小論文的評析，筆者驚訝地發現學生的認知水平得到了質的飛躍，遠遠超出教師的預期.教師需要善用學生熟知的生活實例、生活體驗、生活情景、生活物品開展教學活動，關注現代社會生活和科學技術，讓學生體會到物理就在身邊.本文重點闡述利用學生課后實驗的生成性資源進行深入地科學探究，以期找到培養學生科學思維的良好路徑.

2 優化“筷子提米”實驗實踐推理論證的科學思維

“筷子提米”實驗在其他版本教材中主要用來驗證靜摩擦力存在的演示實驗[1～3].筆者的用意是為了證明摩擦力和重力相等時二力平衡，說明兩個力大小相等的關系.該實驗現象生動有趣，能夠激發學生的興趣和求知欲，增強其對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生的靜摩擦力，從而提升裝有米的杯子.通過受力分析，只需要滿足杯子的重力G≤fmax.提出問題:筷子能否把米提起來與哪些因素有關？

猜想與假設:可能與米粒是否夯實、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.

設計實驗:夯實與不夯實；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)

進行實驗: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,實驗結果如表1～4所示

圖2 不同杯子不同筷子同一大米實驗成功

表1 研究筷子提米與顆粒物的種類是否有關

表2 研究筷子提米與杯口大小是否有關

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

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

圖7 扁平形、圓形、長方形筷子

分析與論證:以上實驗結果都是經過多次實踐.

英國物理學家Roberts提出了著名的“糧倉效應”.他發現容器內部的顆粒對底部產生壓力，當顆粒的高度H達到底部直徑的兩倍時，底部的壓強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，則實驗成功，反之則實驗失敗.而實踐后發現，當d

(1)顆粒物的種類

黃豆、赤豆(表面有點扁平)的實驗現象和網上的視頻有所出入，無論杯口粗細，都沒有成功.黑豆實驗在杯口細的杯子里能成功.薏米實驗盡管能成功，但成功率并不高，而用大米實驗，基本一次實驗便能成功.赤豆和黃豆表面圓潤，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，空氣進入少，筷子插進去后顆粒物不易滑動，豆類的縫隙較大，空氣進入多，顆粒物易滑動，因此，大米實驗比豆類實驗成功率高.

圖8 薏米和麥片對比實驗

圖9 赤豆和大米對比實驗

(2)杯口大小

選擇口徑較小的杯子做實驗，夯實后，不需要用手壓緊，直接將筷子快速插進杯中，實驗也能成功.選擇口徑較大的杯子進行實驗，夯實后，若不壓緊，讓筷子沿指縫插進杯中，實驗容易失敗.

(3)筷子的種類和形狀

在其他條件相同的情況下，木質筷子產生的靜摩擦力大于塑料筷子.長方形和扁平形的筷子，失敗率很高，因為長方形和扁平形都是有棱角的筷子，在插入顆粒時，顆粒的排列分布在棱角處發生變化，筷子與顆粒發生剪切作用時，顆粒內部原先形成的力鏈結構在棱角處被切斷，導致顆粒對筷子的壓力變小，最大靜摩擦力也跟著變小.因此，應選擇圓柱形的木筷，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“斜立可樂罐”實驗 培養質疑創新的科學思維

3.1 實驗引入

在學習探究二力平衡條件實驗中，學生對兩個力是否作用在同一條直線問題，一直百思不得其解.為了解決該問題，筆者給學生布置了一個課后實驗——“斜立可樂罐”實驗.將一罐可樂傾斜，手慢慢松開，經過多次調整傾斜角度，讓可樂罐最終立在桌面上,如圖11所示.

圖11 斜立可樂罐

圖12為用水代替可樂后的演示，比較是否一樣.

圖12 裝水和裝可樂等效替代

3.2 實驗交流

實驗目的：探究可樂罐能否立起與罐內所剩可樂體積的關系.

實驗器材：1罐330 mL可口可樂.

實驗過程：

第一步，嘗試將未開封的易拉罐立在桌面上，發現怎么都立不住.無論可樂以任何方式擺放，都不能傾斜著穩定在桌面上.

第四步，將可樂全部倒出時，同第二步的結果相同，一定角度，可以穩定斜立.

3.3 實驗分析

圖13 易拉罐站立在桌子上

3.4 實驗拓展

圖14為實驗拓展流程圖.

圖14 實驗拓展流程圖

實驗設計:在完成斜立可樂罐實驗時，筆者發現有一位學生設計了如上實驗，將兩個礦泉水的瓶蓋，中間鉆直徑1 cm的圓孔，分別用一個生活用吸盤扣在瓶蓋上，用膠槍將兩個瓶蓋口對口粘牢，在上方吸盤上綁上一根細繩，將該細繩從下方瓶蓋邊緣穿出，繩的末端系一個圓形硅膠片，硅膠片中間鏤空，可以用手指扣住拉繩即可.

設計意圖1:讓“斜立可樂罐”實驗輕而易舉.

將可樂罐向下壓，固定在吸盤上，無論怎樣傾斜可樂罐，都會轉動幾下，立在桌面上，比以往的實驗更容易成功.

設計意圖2:說明大氣壓強的存在.

無論手怎么撥動，可樂罐都能牢牢地站立在吸盤上，如同不倒翁可樂罐.說明可樂罐和吸盤之間存在引力.可樂罐向下壓的過程，可以排出吸盤和可樂罐之間的空氣，大氣壓強的值很大，吸盤內氣體壓強小，大氣壓強的作用把可樂罐緊緊地固定在吸盤上.

設計意圖3:探究彈性勢能大小與彈性形變程度的關系

圖3 大米、紅豆、麥片、米仁

當拉動細繩時，吸盤會在拉力的作用下發生形變，繩子受到手的拉力越大，根據力的傳遞性原理，吸盤的形變程度越大，可樂罐跳起的高度越高,測量數據見表5，關系折線圖如圖15所示.

表5 探究可樂罐彈起高度與拉力大小的關系

4 洞察物理概念 激發探求本質的科學思維

首先，思維是由疑問而引起的，質疑是創新能力的源泉，在物理學習過程中，學生對知識的理解往往淺嘗輒止，不能夠深入理解其中要義.運用質疑與思辨的方式深化物理教學，學生通過課后實驗為媒介，在做中學，在科學探究過程中培養學生的問題意識和創新意識.

其次，“筷子提米”實驗，看似原理簡單，實則米和筷子之間的最大靜摩擦力規律卻十分復雜， 這也是實驗不容易成功的主要原因.只有在嚴謹的理論規律支撐下，才能對癥下藥，通過改變大米高度、筷子形狀和容器種類，才能提高實驗的成功率.“筷子提米”實驗充分調動學生的視覺和觸覺等感官，增強學生關注摩擦力的興趣，強化實驗的育人功能，潛移默化地培養學生的力學科學思維.最終解決二力平衡條件中“等值”和“反向”問題.

第三，“斜立可樂罐”實驗解決二力平衡條件中重力和支持力大小相等、方向相反的問題，同時，深入理解重心下移后提高了物體的穩定性，重力和支持力作用在同一條通過重心的直線上.探求事物本質就是探究決定事物性質和發展趨向的東西.物理概念是整個物理學的基礎，是對事物本質的一個認知過程.

實驗教學，目的是使學生經歷基本的科學探究過程，理解實驗原理，學習探究方法，發展初步的探究能力，并形成尊重事實、探索真理的科學態度.科學思維是隨著人的思維不斷發展而不斷進步，增強創新思維的深刻性，最終實現思維活動由表層轉入深層.