真實情境下培育科學探究素養的教學設計
——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.這節課重點是設計實驗制定探究方案，歸納向心力與質量、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據，分析和比較數據，并總結出規律，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以及它的運動狀態有關？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換為標尺露出格數的原理.

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，為合力命名.

(2)區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)區分問題主要研究方向：水平面內的圓周運動，豎直面內的圓周運動，傾斜的圓周運動，確定對水平面內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，總結得出本節課的任務串.

圖2 課時任務串

教學建議：在本環節教學中，主要任務是完成本節課任務串的制定，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，由此制定本節課的任務串.

設計意圖：本環節教學旨在明晰本節課的學習路徑，避免教師直接制定教學安排，讓學生經歷“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.同學甲按口令調節沙袋轉動的快慢，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，增大沙袋質量為原來的2倍，使沙袋在水平面內做勻速圓周運動，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量和角速度都一樣，但是轉動半徑不同，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量、轉動半徑相同，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、轉動半徑相同，但沙袋質量是操作一的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，為后續定量研究向心力大小與質量、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，設計好相應的數據記錄表格(見表1～3).

表1 探究1：小球質量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出來，而不是具體的某個數值.具體探究過程中，教師要多走動，巡視學生具體操作，發現有操作不規范的地方，要及時指出并督促其改正.標尺露出的格數記錄應盡量選擇整數倍記錄，比如1∶4格或2∶8格，這樣比較容易看清楚格數之比.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，明確如何實現控制變量法以及探究中測量的物理量通過比值關系體現出來，通過操作實驗、采集數據、處理數據，形成初步結論，最后結合課本得出向心力表達式，讓學生經歷科學探究全過程.另外一方面，由于儀器本身的限制，所能采集的數據很有限，所以基于有限的、不連續的數據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，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，看具體數值是否相等.

教師總結：向心力本質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(有限的數據得出結果是否可靠)，提出新的質疑(向心力公式中可能有系數)，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，討論發現向心力演示器無法同時測量向心力和角速度的數值，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數據，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之間的關系.

師：為什么說露出的格數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)是怎么樣轉換到露出的格數？如何受力分析？

生：小球受到的彈力的反作用力是小球對擋板的推力，橫臂是杠桿，通過橫臂的杠桿作用，把球對擋板的作用力轉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，為了使機座保持穩定，轉速有什么要求？既然單個標尺露出的格數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速應從慢到快慢慢增大，右手轉動手柄，左手握住向心力演示器機座，使機座保持穩定，將小球受到的向心力之比轉換為標尺露出的格數之比.

教學建議：在探究擋板對小球作用力與標尺露出格數的關系時，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，讓學生養成每個判斷都要拿出相應證據的習慣.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學推導，深入理解整個裝置的結構轉換關系，最后理解標尺露出的格數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換關系，能用已知的物理知識(杠桿原理)通過嚴密的數學推導，科學解釋心中的疑惑(向心力大小和標尺露出格數是線性關系)，落實科學探究素養.

【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.

師：從實驗數據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？可以用具體的數據說明問題.

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：通過追問讓學生發現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，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

本教學設計依據學生的認知規律，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的培育.

問題、證據、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”“數據提供證據”“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，支撐學生形成猜想：向心力大小與質量、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據，發現其中規律、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，特別是培養學生的證據意識.

任務3中培養學生觀察讀圖能力，發現了解決問題所需要的證據，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.