基于科學思維提升的實驗教學設計
——以“隨盤轉動物塊的向心力”教學為例

吳 君 郭月斌

（龍海第一中學，福建 漳州 363100）

一、“轉盤—物塊”模型的思考

高中物理中，靜摩擦力具有多變性和抽象性。水平圓周運動中的“轉盤—物塊”模型，是高中物理向心力的內容，常以習題形式出現(xiàn)，其考點主要涉及物塊的受力分析和系統(tǒng)的臨界問題等。理論的教學方式，對初步形成抽象理論的高一學生而言，易造成理解性偏差。對隨盤轉動物塊用輕繩連接后，摩擦力方向變化和繩子拉力出現(xiàn)變化的臨界條件，學生一般表現(xiàn)為不分過程，不加選擇的套用公式，無法達到科學思維能力的有效培養(yǎng)。

科學思維是基于事實證據(jù)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(chuàng)造性見解的能力與品格。［1］物理模型是物理試題設計的基礎，解決物理問題需要抓住模型臨界狀態(tài)的特點。新課標、新高考對建模、實際應用等能力，有更明確的要求。在物理教學中，可設計必要的實驗實際情境，結合學生的思維層次，切實提高學生對模型的識別能力、遷移能力和應用能力。［2］讓學生不斷突破自我潛意識帶來的錯誤認知，理解多種模式歸一的模型核心特點。

限于中學物理知識體系及學生的思維能力，筆者通過自制教具，基于經驗事實，建構物理模型，讓學生對模型的認識是由實際問題引發(fā)，再遷移到抽象思維逐步加工加深，調動學生邏輯推理的積極性，在模型建構中進行過程性分析，概括模型內在規(guī)律，從而達到深度學習下的思維進階。

二、基于科學思維提升的模型建構過程

（一）科學思維啟動——單物隨盤轉

創(chuàng)設情境：以學生親身體驗游樂場轉盤的視頻引入（圖1），分析（1）隨盤轉動的人，在轉速達到一定程度時，會滑出的原因。（2）此過程物體所受摩擦力f 大小怎么變化？

圖1

引導學生歸納：物體隨盤做勻速圓周運動時，所受靜摩擦力提供向心力，方向指向圓心，初步構建“轉盤—物塊”模型。

目前，中學教學儀器無法對轉盤上動態(tài)的靜摩擦力進行直接展現(xiàn)及測量。如何讓學生感知靜摩擦力的變化，幫助學生建立證據(jù)意識以解決模型難點，筆者用減速電機，調壓電源，木板，毛巾，組裝成能緩慢調速，直徑50cm 的水平轉盤。搭配微型無線攝像頭（自帶電腦監(jiān)控軟件），用于轉盤上不易觀察現(xiàn)象的跟蹤拍攝。

圖2

實驗情境：放上刷毛的物塊隨盤轉動，讓學生直接觀察，刷毛的形變程度（圖3），用毛刷把靜摩擦力的大小和方向粗略地顯示出來的方法，證實學生想法。再由學生分析出小物塊即將發(fā)生滑動時角速度的臨界值。

圖3

在此提問學生，ω=時，向心力分別為多少？學生思考后，能準確回答。

［設計意圖］通過刷毛形變程度，直觀、便捷地展示沿半徑方向靜摩擦力的變化情況，學生使用直接證據(jù)，定性評估向心力的變化。此過程也讓學生將實際問題中的對象和過程轉化成物理模型。

（二）科學思維發(fā)展——牽物隨盤轉

1.初始無拉力的牽連

問題情境：連接物塊和轉軸的輕繩剛好被拉直（圖4）設問：當物體隨盤轉動，角速度較小時，向心力由什么力提供呢？繩子拉力還是摩擦力？

圖4

學生受繩子干擾，很多會以為隨盤轉動的物體馬上受到拉力。筆者采用DIS 實驗系統(tǒng)中的無線力傳感器，其精確度達到0.01N，采集頻率達到50Hz，將其作為轉盤上的物塊。在配套軟件中，筆者設置縱軸為拉力大小，橫軸為時間（對應不同的大小角速度的時刻），實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，在黑板屏幕上呈現(xiàn)，結合變化規(guī)律，引導學生探究繩上力的變化。首先確定繩子處于伸直不緊繃，即示數(shù)為零的初狀態(tài)。緩慢調節(jié)轉速，力傳感器隨盤轉動（圖5），得到拉力的數(shù)據(jù)圖像（圖6）。

圖5

圖6

實驗情境1：手控緩慢調速，物體隨盤轉動穩(wěn)定較小角速度時（圈1），傳感器的拉力值未發(fā)生變化；角速度達到一定值，拉力才出現(xiàn)（圈2）；角速度較大并穩(wěn)定時，拉力值穩(wěn)定（圈3）（基于高中知識特點及學生能力，此處不對曲線趨勢進行解釋，只強調拉力的出現(xiàn)，物體做勻速圓周運動的角速度要達到臨界值）。

學生能根據(jù)拉力的實驗數(shù)據(jù)規(guī)律，分析出：起始階段，完全由靜摩擦力提供物體的向心力，達到最大靜摩擦后，繩子拉力才出現(xiàn)，其臨界向心力表達式如下：fmax=>ω0時fmax+T=mω2r

2.初始有拉力牽連

問題情境：（圖6）實驗末尾現(xiàn)象（圈4），繩子拉力數(shù)據(jù)未回到0N，這是為何？

讓學生展開討論，積極思考，并通過啟發(fā)式反問，讓學生思維逐步完善。物體牽扯彈簧拉伸一定長度后，放到桌面會有什么現(xiàn)象？繩子的微小形變肉眼看不到，但可分析出此時繩子處于繃緊狀態(tài)，靜止時，物體所受拉力與靜摩擦力等大反向。在此，順勢引入下個學習環(huán)節(jié)。

設計問題串：①若以上個實驗結果為起始狀態(tài)，即輕繩（輕彈簧）有初始拉力T0=f0，物體隨盤轉動，角速度較小時，請寫出物體向心力表達式？學生：T-f=mω2r②根據(jù)初始狀態(tài)T0=f0，分析物體開始隨盤做勻速圓周運動時的向心力，是因為物體所受的靜摩擦力減?。窟€是拉力增大？還是兩個力一起變化？讓學生結合上個實驗，再次進行思維碰撞的小組討論，在同伴互助中學習，展示各小組討論結果及理由，但不予以評判，直接讓學生根據(jù)實驗現(xiàn)象進行修正。

實驗情境2：從上次實驗的末狀態(tài)切入，再次緩慢增加轉盤角速度，得到拉力的數(shù)據(jù)圖像（圖7）。

圖7

學生分析可得：物體做勻速圓周運動，有較小角速度時，拉力仍沒有馬上改變（圈1），說明先變的是摩擦力，即ω<ω1時T0-f=mω2r；角速度緩慢增加到某個數(shù)值，拉力才增大（圈2）；穩(wěn)定加速度，拉力大小也穩(wěn)定（圈3）；最后角速度緩慢減小到零，拉力大?。ㄈ?）與起始數(shù)據(jù)一致。

設問：③拉力變化之前，靜摩擦力經歷了怎樣的變化？學生：先減小到零。④靜摩擦力減小到零后，拉力就增加么？學生普遍對此處靜摩擦力會反向增大的問題表示難以理解。

實驗情境3：本次改用彈簧連接加刷毛的木塊，以解決細繩連接無法引起刷毛上下錯層形變的效果，并采取劃線定位的方式（圖8），通過攝像頭清楚記錄并投影刷毛移動的全過程。

圖8

學生直觀感知，圓盤轉動的角速度緩慢增大的過程中，刷毛由原來水平向左變?yōu)樨Q直再變?yōu)橄蛴遥▓D9），即沿半徑方向的靜摩擦力先減小到零后反向增加了，分析出ω1是靜摩擦力反向的臨界角速度，即ω=ω1時T0=mω2r。

圖9

為此，啟發(fā)學生思考：因刷毛柔軟形變，而通過劃線定位可知，下方接觸面相對轉盤位置不變。如果換成固體物塊，彈簧形變量則不會變化，拉力大小就不會改變。至此，學生思維清晰，能自主總結此過程向心力的臨界情況：ω1<ω<ω2時T0+f反=mω2r；ω=ω2時拉力改變的臨界條件；ω2<ω時T+f反m=mω2r。

學生綜合上述實驗現(xiàn)象和結論，可以對“轉盤—物塊”模型進行化繁為簡的歸納：1.物塊對轉盤恰好不發(fā)生相對滑動的臨界條件：物體受到向心方向的最大靜摩擦。2.此類模型，當角速度緩慢增加，先發(fā)生變化的力，是還未達到最大值的靜摩擦力。

［設計意圖］通過數(shù)字化多媒體配合教學，讓教師精心設計實驗環(huán)節(jié)不會因實驗現(xiàn)象的難以觀察而草草了事，三組實驗現(xiàn)象給學生帶來強烈的認知沖突。學生能對隨盤轉動的物體所受靜摩擦力問題的持不同觀點，基于事實證據(jù)，對結論提出質疑，分析綜合信息，進行修正，并解釋變化原因，從而理解現(xiàn)象本質，將實際問題抽象簡化為模型，進而得出正確性見解，找出規(guī)律，形成科學思維，有效完成此過程中，組成向心力的各個力的分析，有利于學生進一步理解第三種拓展情形。

（三）科學思維進階——連接體隨盤轉

問題情境：相同的物塊A、B，轉動半徑rA=2rB，連接A、B 物塊的輕繩恰好伸直（圖10）。思考：①細線上何時出現(xiàn)拉力，出現(xiàn)時A、B 的向心力表達式？②兩物塊何時開始相對轉盤滑動？臨界狀態(tài)的向心力表達式？

圖10

學生根據(jù)前面的分析思路，可以自行得出以下過程ω<ω1時，fB=mω2r，fA=mω22r

ω=ω1時，fB=拉力出現(xiàn)的臨界條件

ω1<ω<ω2時，fB-T=mω2r，fAm+T=mω22r

追問：外圍物體達到最大靜摩擦會拉動繩子，此時物體一起滑動了嗎？學生不確定實驗情境：演示傳感器連接體隨盤轉（圖11）：

圖11

學生分析得：轉動半徑大的物塊A，先達到最大靜摩擦力后，拉力開始增大，整體未滑動（圖13）。再增大角速度，直到轉動半徑小的物塊B 也達到指向圓心的最大靜摩擦，整個系統(tǒng)才會滑動，相當于系統(tǒng)達到最大靜摩擦（圖14）。

圖12

圖13

圖14

ω=ω2時，fBm-T=相對滑動的臨界條件

ω2<ω時，整體相對圓盤滑動

［設計意圖］通過傳感器對接測連接體內力變化，同步測量數(shù)據(jù)和實驗畫面，給予恰當?shù)乃季S難度，讓學生通過科學推理和科學論證，把實驗情境轉化為物理模型規(guī)律的表述，進而提出創(chuàng)造性見解，提升科學思維。

（四）科學思維有機整合

基于上述模型建立的過程，再引導學生進行相關類型的分析練習（圖15），讓學生經歷“比較—概括—整合”的過程，促進學生研究實際相近問題，學會變通，理解并鞏固模型規(guī)律的適用條件，從多個視角審視檢驗結論，發(fā)展科學思維。

圖15

三、結語

通過自制教學儀器，進行半定性、半定量的實驗，能無縫對接學生對情境理解的思維障礙，學生從情境中發(fā)現(xiàn)和提煉問題，獲取客觀真實的數(shù)據(jù)，分析修正自己的假設，運用邏輯和現(xiàn)有知識進行科學論證和解釋，重在啟發(fā)學生形成模型的本質認識和相關規(guī)律，幫助學生克服思維障礙，有效落實了物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。課后回訪和作業(yè)完成的情況表明，學生對物體隨盤轉動的問題，能進行科學思考。