基于科學思維水平劃分,構(gòu)建遞進物理課堂、培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力
——以“探究加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系”為例

居 津

(江蘇省蘇州實驗中學，江蘇 蘇州 215011)

2018年1月,教育部正式發(fā)布了《普通高中物理課程標準(2017版)》(以下簡稱“高中課標2017版”)．整體上看,修訂后的高中課程標準有5個方面的變化:① 凝練了物理學科核心素養(yǎng),凸顯物理課程的育人功能;② 優(yōu)化高中課程結(jié)構(gòu),注重課程基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性和選擇性;③ 強調(diào)物理實驗和科學實踐,注重物理與社會和技術(shù)的聯(lián)系;④ 劃分學業(yè)質(zhì)量水平,促進關(guān)于物理學科核心素養(yǎng)評價的探索;⑤ 注重各類提示及建議,引導教師關(guān)注學生物理學科核心素養(yǎng)的提升．[1]高中課標2017版尤其注重學生物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng),并將物理學科核心素養(yǎng)的4個方面進行了詳細的水平劃分．其中科學思維劃分為如表1所示5個層次.[2]

本文針對科學思維水平劃分的質(zhì)疑創(chuàng)新能力要求,以力學中最基本、最重要的探究實驗:加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系為例,按5個水平要求序化物理課堂,談?wù)剬W生逐步提高自己的質(zhì)疑和創(chuàng)新能力的“三部曲”．

1 博聞強識,知識積累

所謂“博觀而約取,厚積而薄發(fā)”,只有達到一定的積累量才會噴發(fā)．所以要培養(yǎng)科學思維的質(zhì)疑和創(chuàng)新能力,首先要有大量的知識積累．以實驗探究加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系實驗為例,學生就需要有一定的知識儲備:(1) 本實驗需要用到的實驗方法是控制變量法;(2) 本實驗研究的是加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系,所以需要測量的是小車所受到的合外力,質(zhì)量和加速度,如何測量小車所受到的合外力,質(zhì)量和加速度;(3) 如何設(shè)計實驗方案;(4) 所設(shè)計的操作有沒有實驗誤差,如何減小實驗誤差．

表1

這里所提到的第(4)條就是質(zhì)疑的最佳體現(xiàn)．對于一個實驗設(shè)計,我們只有有了質(zhì)疑精神,知道質(zhì)疑的重要性(水平1),具有質(zhì)疑和創(chuàng)新的意識(水平2),才會想知道有沒有更精確的實驗方案,才會思考如何減少實驗誤差,設(shè)計更優(yōu)的實驗方案．當然如果要設(shè)計出更優(yōu)方案,要提出自己的質(zhì)疑或者創(chuàng)新意見,知識儲備必不可少．圖1是最常見的探究加速度和力、質(zhì)量關(guān)系的實驗裝置圖．對于這個實驗裝置,可以引導學生思考是否存在實驗誤差,怎樣減小誤差,是否有更優(yōu)的設(shè)計方案．讓他們知道質(zhì)疑的重要性,從而喚醒學生內(nèi)心的質(zhì)疑意識．

圖1

2 融會貫通,多向思維

科學思維水平劃分的水平3提出:對已有的觀點提出質(zhì)疑,從不同的角度思考物理問題．對于本實驗上述方案進一步引導啟發(fā)學生提出質(zhì)疑:(1) 小車受到幾個力的作用?(2) 怎么表示小車受到的合外力？(3) 如何減少實驗誤差？學生可以運用已有的知識,通過對小車的受力分析得出小車放在水平木板上,需要平衡小車的摩擦力．通過分別先后對小車和砝碼的受力分析知道砝碼的總質(zhì)量要遠小于小車的質(zhì)量．

但是即使?jié)M足這兩個實驗條件,本實驗仍然有系統(tǒng)誤差．水平劃分水平4提出:提出質(zhì)疑后,要求學生采用不同方式分析解決物理問題．教師此時可以再次引導學生質(zhì)疑思考,是否有更優(yōu)的實驗設(shè)計方案,來減少實驗的系統(tǒng)誤差．逐步引導學生創(chuàng)新,解決物理問題,從而提高科學思維水平．最后學生總結(jié)出可以用以下實驗方案.

方案1. 改進實驗儀器法.

對于平衡摩擦力的條件,在操作時頗有難度,所以學生很容易就能提出是否可以采用氣墊導軌進行替代;對于鉤碼的質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量所帶來的系統(tǒng)誤差問題,可以采用在小車前安裝力傳感器來解決．測小車的加速度也可以通過光電門來完成．如圖2．當然這樣的實驗方案對器材要求比較高,如果受實驗條件限制的學校,可以通過類似的實驗方案來完成．如圖3．

圖2

圖3

方案2. 轉(zhuǎn)換研究對象法.

如圖4所示，在平衡好摩擦力后,將幾個相同的砝碼都放在小車上掛上砝碼盤,然后每次從小車上取一個砝碼添加到砝碼盤中,利用打點計時器測出小車的加速度,此時如果作小車加速度a與砝碼盤中砝碼總重力(含砝碼盤)F關(guān)系圖得到的一定是線性關(guān)系,不需要滿足砝碼質(zhì)量m遠小于小車質(zhì)量M條件,消除了之前設(shè)計方案的系統(tǒng)誤差,優(yōu)化了實驗設(shè)計．研究加速度a與質(zhì)量m關(guān)系的時候,也以小車和砝碼(含砝碼盒)總質(zhì)量作為研究對象即可．

圖4

方案3. 創(chuàng)新實驗設(shè)計方案.

具體操作方法如下.

(1) 如圖5所示,先將沙和沙桶通過滑輪懸掛于小車一端,調(diào)節(jié)平板的傾角θ,使小車沿斜面向下做勻速直線運動,測出沙和沙桶的總質(zhì)量m.

圖5

(2) 保持平板傾角θ不變,去掉沙和沙桶,小車即在平板上沿斜面向下做勻加速直線運動,通過紙帶測量其加速度a.

(3) 保持小車質(zhì)量M不變,多次改變沙和沙桶的總質(zhì)量m,每次重復(1)(2)兩步操作,得到小車加速度與合力的關(guān)系.

(4) 多次改變小車的質(zhì)量,進行適當?shù)牟僮?得到小車加速度和質(zhì)量的關(guān)系．

通過以上操作,受力分析可知,小車下滑受到的合力即為沙和沙桶的總重力,消除了原實驗設(shè)計的系統(tǒng)誤差．

3 實踐檢驗,不斷創(chuàng)新

科學思維水平劃分水平5指出:能從多個視角審視檢驗結(jié)論,解決物理問題具有一定的新穎性．對于上述提出的各種實驗方案,無論有無系統(tǒng)誤差,都應(yīng)該讓學生親自到實驗室進行操作探究,在檢驗過程中可以將各方案再次優(yōu)化,重組,不斷創(chuàng)新．

如在上述方案中大部分方案都需要平衡摩擦力,教材給出的平衡摩擦力方法是“不斷調(diào)整軌道的斜度,使小車不掛重物時能勻速運動”,顯然這種方法不易操作．有些教材給出的方案是“不斷調(diào)整軌道的斜度,使小車不掛重物時剛好能運動”,這種方法相對好操作,卻有較大的理論誤差,因為最大靜摩擦力小于滑動摩擦力．學生只有通過實踐操作,才能發(fā)現(xiàn)問題，進一步培養(yǎng)學生的質(zhì)疑能力．有學生提出可以先通過理論計算出小車和導軌斜面的動摩擦因數(shù),進而求出平衡摩擦力所欲要的導軌斜面與水平面間的角度,這樣就可以利用量角器,準確地找出摩擦力平衡時斜面的傾斜度．

具體方法如下:如圖6中，先用打點計時器和刻度尺測出小車在斜面上下滑的加速度,再量出此時斜面的傾角．根據(jù)牛頓運動定律計算出動摩擦因數(shù)μ．

f=μmgcosθ，

mgsinθ-μmgcosθ=ma，

圖6

調(diào)節(jié)斜面傾角為θ0,

mgsinθ0=f，

μmgcosθ0=f，

μ=tanθ0，

可得θ0=arctanμ.

由此計算得到的斜面傾角,學生只要利用量角器就很容易得到了,且誤差較小．

在這一系列的實驗改進研究過程中,學生通過質(zhì)疑層層遞進,不僅有對于方案改進創(chuàng)新,在實驗操作中也不斷提出質(zhì)疑,推陳出新,同時,在后續(xù)做“探究功與動能變化關(guān)系”的實驗中也大有幫助．整個過程可以達到讓學生科學思維水平逐步提高,質(zhì)疑創(chuàng)新能力得以培養(yǎng)的目的．