创新实验资源开发的探究式教学实践研究

谷春生

(北京市首都师范大学附属丽泽中学，北京 100071)

基于核心素养导向的创新实验资源开发的探究式教学是物理科学探究教学的重要组成部分,也是落实课程目标,全面提高学生物理核心素养的重要途径．物理实验的开发和利用有利于提高物理教育质量和全面实现物理课程目标．这就迫切要求中学教师要善于吸收教育科学及所教学科的最新成果,拓宽自己的知识面,挖掘出教材所蕴涵的探究性因素,精心设计相应的探究性课题,创新实验资源,把学生置于开放、多元的学习环境中,确立起学生在学习中的主体地位,增进独立思考能力,启迪创新思维,以更好的培养学生的科学探究能力,使其逐步形成科学态度与科学精神．下面把本人设计创新实验,实施探究教学实践研究的几个案例介绍给大家,以求能抛砖引玉．

1 旋转共享单车转轴发电探究实验

(1) 创设情境,引出问题.

大家都骑过摩拜单车吧？当你用手机扫码的时候,单车具备智能开锁,甚至GPS定位功能．这些单车的核心部件电子锁要不要供电?如果需要,那么电从哪儿来呢?

(2) 学生积极回答.

有的学生回答摩拜单车不需要用电,因为手机扫码手机有电;有的回答摩拜单车里面安装有电源,众说纷纭,莫衷一是,到底是什么样的呢?激发强烈兴趣,使他们产生强烈的探究欲望．

(3) 启迪思考.

大家有没有想过摩拜单车内置发电机,大家课余时间去观察研究一下,看看它是怎样供电的?也可以查阅资料(学生兴趣高涨)．

(4) 引导分析,实施自主探究.

教师从摩拜单车公司找了一辆报废的摩拜自行车,让学生从家中自带工具,在教师带领下课余时间实施拆卸,并借了学校总务处机修班的一些专业工具,费了九牛二虎之力,终于大功告成,如图1所示．学生兴趣大增,欣喜若狂．

(a)

(b)

(c)

(d)

(5) 解释原理.

第一代摩拜单车重达25 kg,特别难骑．用的就是骑车发电的方式,全铝机身、橡胶实心车胎、封闭轴传动,其后轮有一个发电花鼓及蓄电池．当人在骑行时,通过蹬腿带动后轮旋转,滚动的轮轴上缠绕线圈作为转子,相对内部侧壁上的强磁体模块产生相对运动发电,并给内部蓄电池充电,如图1(c)所示,所以有时候我们骑这种单车会比较吃力,那是因为蓄电池已经没电了,我们要通过骑行发电来给其充电,当蓄电池充好电后,我们骑行就比较轻松,拆开的发电花鼓如图1(d)所示．

点评:联系生活实际的问题往往是学生特别感兴趣的问题,能激发起学生更加强烈的好奇心和求知欲．通过对问题的自主探究,可以使学生品尝探究的乐趣,从而激发学生对物理学的热爱,使他们义无返顾地投入到物理学科的探究学习中去,更有利于学生素质的全面提高．

2 旋转小电扇发电引课实验

(1) 创设情境,引出问题.

在“法拉第电磁感应定律”一节的引课环节中,设计创新小实验,可以使学生耳目一新．“旋转小电扇发电”引课分组实验,首先把输入电风扇的导线插头部分的两金属片分别接入学生的两手指之间,由另一位学生快速旋转电扇扇叶,顿时第一位学生下意识地迅速甩开两手指间的插头金属片,有触电疼痛感觉,引发学生的切肤之痛,终身难忘．这到底是为什么呢?瞬间吸引学生产生强烈的兴趣,产生“不愤不启,不悱不发”的效果．

(2) 实验验证.

如图2(a)所示,从小电风扇的输入导线插头两金属片端分别引出两根导线,把它们接入灵敏电流计的正、负接线柱,迅速旋转电风扇扇叶,便观察到灵敏电流计的指针偏转,原来该装置对外输出了电流．这到底是为什么呢?

(a)

(b)

(3) 引导分析,实施自主探究.

拆开一电扇的机头部分,如图2(b)所示,学生们顿时恍然大悟．因为在初中他们学过法拉第电磁感应定律的初步知识.这里可以引导学生交流讨论,然后分小组汇报交流．有些小组回答较好:图2(b)侧壁上排放了许多小磁铁块,形成了磁场,内部转轴上缠绕线圈作为转子．当一个学生拨动电风扇扇叶使其旋转时,转子线圈便切割磁感线运动产生感应电流,所以手指有触电疼痛感觉.既回忆了旧知识,又引发了新思考,从而产生对高中新知识的强烈的探究欲望,达到较好的引课效果．

点评:这个探究实验非常有趣,可以培养学生较强的动手能力、观察能力、分析综合能力．如果有条件,可带领学生动手自主分组实验,进行实验探究,在实践观察中学习物理知识,使物理学变得更加亲切．

3 自制“隔空取物”分组探究小实验

(1) 创设情境,引出问题.

图3

“隔空取物”:如图3仅有弧形玻璃杯和塑料球,身体的任何部位不能接触球,杯壁、杯口不能着地,隔空把塑料球取走,应该怎么做?为什么可行?技巧如何?

(2) 探究操作.

这是高中物理必修2中“离心运动”的一个本人创新设计的学生分组探究实验．开始有的小组把玻璃杯侧着放置,杯口对着塑料球,使足浑身的气力用嘴吹气,如果杯口着地勉强可行,但要求杯口不能着地,这就难了,便无法完成．该怎么做呢?有的小组陷入了困惑,部分小组摸索出了一种方法：把杯口朝下,反扣住塑料球,保持杯口面与桌面平行并远离桌面,刚好杯口平面正对塑料球高度的一半位置处,如图4所示,然后手握住玻璃杯快速拖动塑料球,使其做圆周运动,随着拖动晃动的加快,小球圆周运动的速度越来越大,小球便腾空而起,悬空在玻璃杯内壁做匀速圆周运动,这时小心翼翼整体移动玻璃杯,从而成功实现“隔空取物”,如图5所示．技巧是要想使小球向上略微升高,则应该加快晃动玻璃杯的速度,从而使小球运动速度加快,使其离心向上甩,实现小球从低轨道近似匀速圆周运动向高轨道的迁移．其动力学本质如图6(a)～(c)所示．

图4

(3) 引导分析.

让我们抽象为小球、弧形玻璃杯模型来探究一下．“隔空取物”只需研究小球在玻璃杯下半部分的运动情景即可,弧形玻璃杯的切线如图6(c)所示．因为塑料球、玻璃杯壁之间摩擦很小,可以忽略不计．当塑料球在弧形玻璃杯的切面上做匀速圆周运动时,受力分析如图6(a)所示,支持力的竖直分力与重力大小相等,使其竖直方向上受力平衡;水平分力提供了做匀速圆周运动的向心力．按力的合成思想进行受力分析如图6(b)所示,则

(a)

所以小球从低轨道近似匀速圆周运动向高轨道迁移的过程中,杯壁圆弧切面越来越陡峭,支持力与水平方向的夹角θ角减小,小球的高轨道稳定运行也可以近似看作匀速圆周运动,其轨道半径r变大,则根据上述的计算式可知其线速度v变大,所以技巧是要想使小球向上略微升高,则应该加快晃动玻璃杯的速度,使小球的线速度变大,从而做离心运动由低轨道向高轨道迁移,是离心运动知识在实际操作层面的一个较好的案例．

点评:这个实验非常有趣,可以培养学生较强的观察能力、分析综合能力．在玩中学,在愉快中感悟,在浓厚的兴趣中提升,实施自主探究,亲身感受,可以提高学生的科学思维和创新能力．

4 在南北半球,马桶下水的旋转方向真的不同吗?

图7

图8

(1) 创设情境,引出问题.

(展示图7、图8)

人们一直认为:南北半球马桶下水漩涡的方向不同,是因为地球自西向东地自转,受惯性作用的影响,南北半球上运动的物体就会有不同方向的偏转,北半球偏右,南半球偏左,于是水流就会产生不同方向的漩涡,如图9所示．那么,这个观点真的正确吗?

图9

(2) 设计实验,实施自主探究.

笔者让学生在北京做了课外兴趣小组实验,如图10所示．

实验表明北半球的水流漩涡是逆时针的．那么,南半球真的会是顺时针吗?笔者联系了一个在澳大利亚生活的朋友,请他来帮我们完成南半球的实验．如图11所示．

图10

图11

实验结果:

在南半球,水流有顺时针的,但也有逆时针的漩涡．与此同时,在北半球的北京又做了几次试验,同样也发现了这个问题．

初步实验结论:水流的漩涡有时候是逆时针的,有时候又会是顺时针的,旋转的方向和所在的地理位置,似乎没有联系．

激发认知冲突:这到底是为什么呢?激起了学生的兴趣,激发了强烈的探究欲望．

(3) 激发深思,引导分析:什么是科里奥利力?

由于地球自转的影响,会产生一种力,科学家把它称作“科里奥利力”．相对我们平时讲的推力、拉力来说科氏力并不是一种真实的力．但是对于地球上运动的物体,特别是流体受到科氏力的影响就非常大．比如说北半球的河流,它南岸(或右边)的河床受到的冲刷就特别厉害;南半球的河流,它北岸(或左边)的河床受到的冲刷就特别厉害,这些都是科氏力的影响产生的．

仅仅凭借地球自转的科氏力,会对生活中马桶下水的水流方向产生影响吗?

(4) 设计创新实验,实施自主探究.

实验升级,为了把干扰因素降到最低,笔者请来了学校总务处维修组师傅对塑料盆进行改造．在盆底开了个洞,接了根下水管,并且把水管带螺纹的部分剪掉,只留光滑的一段,如图12所示．

图12

将水静置2h,水面上空气的流动、周围人的讲话等因素都会影响到水面的波动,所以不能做到绝对的静止,只能尽可能让它静止下来．在脸盆里,加了一些红色的颜料．在脸盆侧壁上端装上微型摄像头进行摄像观察,如图13所示．

图13

静置2h后,拔开底下的塞子．盆子里的水垂直而下,并没有产生漩涡,如图14所示．

图14

实验探究结果:排除掉各种干扰因素,水流并没有产生漩涡,下水方向全程都是垂直往下的．

多次实验发现,只要稍微有一点初始动力,在下水的过程中,作用力会最来越大,最后就会产生漩涡．南北半球的下水漩涡的方向,其实是一样的．

通过科学探究实验我们发现:日常生活中,科氏力的作用就很有限,影响其实是微乎其微的．进一步地研究发现,我们实验中漩涡的形成,除了有科氏力的影响之外,更多的还是受到初始动力.下水道螺旋的形状,还有水池的形状等等,这些干扰因素的影响还会更大一些．

点评:这个实验非常有趣,可以培养学生较强的观察能力、分析综合能力、团队协作能力．较好地培养科学思维,并逐步形成“科里奥利力”的物理观念．

总之,基于核心素养导向的创新实验资源开发的探究式教学实践研究在全面提升学生核心素养方面具有广阔的研究前景,所以教师在教学过程中要深挖教材中的探究性因素,开发创新实验资源,精心多多设计或启发学生设计新的探究方案,尽最大可能给学生提供必要的科学探究机会,让学生自主思维、动手实验、社会调查、查阅文献等等,体验探究过程的曲折和乐趣,发展科学探究能力,激发学生创新潜能,实施科学探究教育．科学因探究而美丽,探究以创新而更精彩．教育改革呼唤更多具有创新思维的教师,以更好地激发学生探究科学的热情,增强他们的创新意识．