經歷科學探究 提升核心素養

摘" "要：高中物理新課標把“科學探究”作為物理學科核心素養的一個重要維度。以“瞬時加速度”這節習題課為例，通過科學探究的形式對教學難點展開教學，借助手機、DIS傳感器和電腦等現代化技術設備突破學生思維難點，從而提升學生的科學思維和科學探究能力。

關鍵詞：模型建構；科學探究；科學思維；核心素養；瞬時加速度

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）1-0029-4

“科學探究”是物理學科四大核心素養中的一個維度。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）明確指出，高中物理課程應“重視科學探究能力的培養和信息技術的應用”［１］。學生在學習了牛頓第二定律后會遇到包括輕彈簧、輕繩或輕桿在內的瞬時性問題，這類問題需要考慮“某一瞬時”，相對比較抽象，學生理解起來有一定難度。通過創設問題情境引導學生經歷科學探究過程，并借助手機、DIS傳感器和電腦等現代化技術設備將探究過程中的一些抽象問題具體化、形象化，從而幫助學生突破思維難點，提升物理學科核心素養。

1" " 教學流程設計

1.1" " 探究活動一

1.1.1" " 提出問題

兩個完全相同的重錘用彈簧連接，上方重錘與細繩相連，細繩另一端固定在鐵架臺上，整個裝置處于靜止狀態（圖1）。將上方細繩燒斷后，經過一小段時間，兩重錘所處位置符合實際情況的是圖2中哪一幅？

分析與說明：教師將圖1中的實物直接展示給學生。圖1背景紙上這一上一下兩個黑色痕跡是用于標記重錘初始位置的黑色膠帶紙，圖2的四幅圖中只有一幅是拍攝得到的，其余三幅圖都是人為設計的。通過創設這樣一個實際情境問題來激發學生的好奇心和探究熱情。

1.1.2" " 作出猜想

本環節要求學生基于自己的判斷在事先下發的探究報告上寫出自己所選的答案。

分析與說明：課堂實踐中發現，選擇A，B，C，D四個選項的學生都有。教師可以讓選擇各個選項的學生分別給出自己的理由，以充分暴露學生在認知層面的問題。在此環節，教師要允許學生各抒己見，并充分肯定學生作出的各種判斷，從而營造出一個輕松、自由又充滿質疑的課堂氛圍。該環節不要求學生進行定量分析，僅作定性分析。因此，該環節用時不宜過長，2分鐘內為宜。

1.1.3" " 理論推導

本環節要求學生從理論角度進行分析，利用所學知識進行理論推導，并在此基礎上給出上述猜想的理由。

分析與說明：從上一環節的定性分析到本環節的定量推導，難度較高。本環節意圖引導學生從理性層面對結果作出分析，思維層次較高。課堂實踐表明，部分優秀學生可以利用牛頓第二定律進行理論推導，并對結果作出合理解釋。

1.1.4" " 實驗驗證

本環節教師邀請兩個學生配合完成實驗，一個學生用打火機燒斷圖1中的細繩，另一個學生用手機拍攝細繩燒斷前后及重錘下落的整個過程。

分析與說明：盡管在上一環節中有學生對判斷結果作出了合理解釋，但結果是否真如他們所料呢？可以用實驗進行驗證。這個環節也是學生非常期待的，此時的課堂氛圍已經非常熱烈。遺憾的是，實驗發現從細繩燒斷到兩重錘落地的整個過程發生在一瞬間，肉眼無法作出判斷。

1.1.5" " 慢鏡回放

現代技術手段讓我們能欣賞上述過程。本環節教師將手機投屏到教室的大屏幕上，并用慢鏡頭回放剛才的實驗過程，慢鏡頭顯示在細繩燒斷的一小段時間內，上方重錘快速下落，而下方重錘紋絲不動，正確答案為A。

分析與說明：現在的智能手機一般都有慢放功能，且每秒的幀數基本都在30幀以上，慢放效果非常不錯。該環節讓課堂氛圍達到高潮，學生紛紛驚嘆下方重錘竟然在短時間內紋絲不動。這種視覺沖擊極大地激發了他們的認知沖突。認知心理學指出，人的認知活動包括同化、順應和平衡化三個過程。在學習過程中，學生根據已有的認知結構來知覺新的客體或事件，這就是同化。當學生無法將新知識納入到已有的認知結構中去時，他們就必須修改現有的認知結構，這時就發生了順應。平衡化包括同化和順應，是指學生從一個發展階段向另一個發展階段的過渡［２］。如果一個人在同化和順應的過程中遇到了困難，那么他的認知活動將處于一種不平衡狀態，從而產生認知沖突。在教學實踐中，創設能有效激發學生認知沖突的情境，有利于激發學生內在的認知需要，使學生的學習內驅力達到高峰［3］。

至此，之前作出錯誤判斷學生的認知需要被充分激發。接下來，學生的知識建構將水到渠成。

1.1.6" " 建立模型

本環節讓學生自主概括彈簧形變、彈力變化的特點，并在探究報告上寫下總結的內容。然后，教師引導學生建立輕彈簧模型，并指出輕彈簧是質量可以忽略的彈簧，在圖1所示裝置中，彈簧質量比重錘質量小得多，為研究問題的方便，我們可以忽略彈簧自身質量，從而建立輕彈簧這一理想化物理模型。

分析與說明：本環節絕大部分學生都能概括出輕彈簧模型的特點。教師PPT呈現：輕彈簧能發生明顯的形變，但形變的恢復需要一定時間，所以在某一瞬間，由于彈簧形變量來不及變化，可認為彈簧彈力保持不變。

1.1.7" " 模型應用

該環節教師利用PPT給出兩個例題，讓學生在課堂上自行完成。

例1 如圖3所示，兩質量均為m的重錘A和B用輕彈簧連接，重錘A的另一端與輕繩相連，輕繩上方固定在天花板上，整個裝置處于靜止狀態，已知重力加速度為g。求：剪斷輕繩的瞬間，重錘A的加速度大小。

例2 如圖4所示，輕質彈簧和水平輕繩的一端與質量為m的小球相連，輕彈簧與豎直方向夾角為θ=30°，已知重力加速度為g。求：剪斷輕繩瞬間，小球的加速度大小及方向。

分析與說明：實踐表明，上述兩例題絕大部分學生均能快速求解，教學中只需請學生分析即可。

1.2" " 探究活動二

探究活動二的具體環節與探究活動一基本相同（表1）。通過探究活動二，學生總結出繩、桿的形變特點及彈力變化特點，從而建立輕繩和輕桿模型。

1.3" " 探究活動三

通過探究已經總結得到輕彈簧、輕繩、輕桿中彈力的變化特點，下面借助DIS力傳感器進一步探究彈簧、繩、桿中彈力的變化情況，實驗裝置如圖5—圖7所示。三個裝置中的重錘均相同，將三個力傳感器接入到同一數據采集器中，待裝置靜止后，先后燒斷圖5—圖7中兩重錘間的細繩，電腦顯示出力隨時間變化的圖像（圖8）。

細繩燒斷后，彈簧、繩、桿間彈力變化情況的局部放大圖如圖9所示。從圖9（a）（b）（c）中分別可以看出，細繩燒斷后，彈簧、繩、桿的彈力從最大減至最小所需時間分別約為0.64 s，0.10 s，0.05 s。相比之下，彈簧彈力從最大減至最小所需時間要明顯長于繩和桿，進一步說明了將彈簧、繩、桿均做模型化處理后，彈簧彈力可以認為保持瞬時不變，而繩、桿中的彈力可以認為能夠發生突變。通過這個探究活動，學生進一步理解了實際物體與物理模型之間的聯系和區別。

2" " 結" 語

“基于物理學科核心素養確定教學的目標和內容”是新課標的明確要求。本堂規律應用型習題課以三個探究活動為主線，注重發展和培養學生的科學思維和科學探究能力。在完成前兩個探究活動后，學生已經建立了輕彈簧、輕繩、輕桿模型，最后再利用傳感器進一步探究上述三種模型的特點，起到畫龍點睛的作用，這既促進了學生對理想化物理模型的深刻理解，又提升了學生分析問題、建構模型的能力。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０．

［２］Ｍ·Ｐ·德里斯科爾．學習心理學——面向教學的取向（第三版）［Ｍ］．王小明，譯．上海：華東師范大學出版社，２００８：１６８．

［３］丁進．例談如何激發學生的認知沖突［Ｊ］．物理通報，２０１０（１２）：４－５．

（欄目編輯" " 鄧" "磊）

收稿日期：2023-05-19

作者簡介：陳一垠（1991-），男，中學一級教師，主要從事物理教學和試題命制研究。