科学探究之地震中的高楼生存密码

仲国虎/北京市十一学校教师

核心素养是学生在学习过程中逐渐形成的必备品格和关键能力。科学探究是学生物理核心素养培养的重要途径，它既能帮助学生深度学习物理理论，又能提高学生科学探究能力。因而，物理学科教学中非常重视科学探究任务的开展。学生通过科学探究任务展开学习，认真观察和分析提出科学探究问题、形成猜想或假设、抽象建模、设计方案获取信息、根据证据得出结论并解释、撰写论文，在这一系列过程中增强学生物理学习兴趣和独立解决问题能力，培养和落实物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任核心素养。

科学探究任务侧重于真实情景，但真实的问题一般也是中学生难以直接上手研究的问题，教师必须帮助学生将真实问题转化为可探究的任务。

台风过境中国沿海，尹同学产生疑惑：中国台北的101 高塔如何能在台风或地震等自然灾害中巍然屹立？这是一个典型的真实情境中的问题，教师需要引导学生抽丝剥茧，通过开题答辩的方式，形成科学探究任务。

首先，给学生设计一系列具体问题：高楼稳定系统的机制是什么？影响稳定机制的关键因素有哪些？这些因素的主次顺序是什么？这些因素中哪些是和已学过的物理知识相关联的因素？本次科学探究任务中，你计划研究哪些因素？学生在寻找解决方案过程中层层递进，逐渐理清思路、确立研究方向、聚焦研究内容。

其次，组织学生开题答辩。学生探究过程中发现101 高塔第八十九层楼悬挂着调谐质量阻尼器——一个巨型的单摆，是整个高楼稳定性的保障。学生对单摆已经非常熟知，最后选择研究调谐质量阻尼器摆长和摆球质量如何影响其对高楼稳定性的作用。一个真实情境的问题也就转化为可探究的物理任务了。

科学探究任务，以学生的主动学习为中心，是学生基础知识、科学思维、科学探究能力、科学态度等方面综合素养的体现。

摆在学生面前的第一个问题就是高楼的稳定性用什么物理量描述呢？学生检索到很多碎片化的信息，信息之间及信息与学生高中学过的内容有些脱节，影响学生深度学习和理解调谐质量阻尼器原理。我根据学生搜集到的相关信息，引导学生首先理清这些知识的脉络，即信息的逻辑联系，以及与学过的振动知识的关联。信息之间有断层的情况，我推荐学生阅读一些大学书籍或观看国外著名大学的公开课视频，然后和我讨论，找到描述高楼稳定性的物理量。整个过程中，我引导学生自主学习，为学生提供必要的帮助和建议。

探究实验设计是探究任务非常重要的环节，是学生科学思维和探究能力的体现，也是探究困难或问题比较多的部分。学生最初的实验设计非常巧妙，用四根PVC 管固定在木块上来模拟楼体，木块固定在桌面上，通过改变连接到金属杆上的金属小球质量和位置，实现摆球质量和摆长的控制，用铁锤敲击木块来模拟地震的冲击力。然而，实验过程发现了一些问题，实验设计还需优化。

模型结构选材为PVC 管，其硬度不够，一定长度后没有外力的情况下，楼体也会摇晃不稳。用什么材料好呢？既然是探究实验，那通过一次次的实验来寻找理想的材料就是最好的解决方式。

考虑到实验过程的难度与耗时性，我为学生同时开放了物理实验室、技术教室、工程实验室，这里有学生制作或切割仪器需要的工具，并且延长各实验室开放时间。教师在实验室值班，既保证学生的实验安全，又能随时解答或讨论学生遇到的问题。学生俨然是一位工程师，时而量尺寸绘图纸，时而切割材料连接仪器。学生的物理知识、设计思维、动手能力都体现得淋漓尽致。经过对比实验过程中几种材料的实验效果，最后选择硬度适当的铜合金材料。

改变了摆球的质量，其体积也会改变，用什么样的方式实现改变质量却不改变体积呢？虽然我已经有了解决方案，却不能直接告知学生，培养学生解决问题的能力是科学探究的重点之一，也是提高学生科学思维能力的重要途径。通过层层递进问题的设计，引发学生思考，提升学生类比迁移思维能力，培养学生的科学思维。我问学生：“如何才能使一个铁块和一个木块的质量和体积都相同？”学生立刻回答：“空心铁块。”纵然理论上是可行的，但是无法把一个实心金属球改成空心的，学生又陷入了沉思。我再次问学生：“既然无法在金属球内做文章，那金属球外部是否可以？”学生经过一番思考和探索，用同一个塑料球壳将不同质量的摆球套在其内，就可以非常好实现改变摆球的质量却没有改变其体积。

用铁锤人工敲击木块来模拟地震的摇晃力，怎样实现每一次的力都相同？学生很容易就想到将人工敲击改为摆锤下落，摆锤从同一高度下落来保证每一次的摇晃力相同。但很快就出现了新的问题：摆锤在下落过程中会左右摇摆甚至旋转，怎么解决？学校举行的趣味运动会中有一款游戏“击鼓颠球”为这一问题的解决提供了思路。鼓的边缘均匀系上六条绳子，六个人分别拉住绳子的另一头，就可以让鼓平稳运动，从而击球。仔细思考和类比后，学生将摆锤的前后两端分别用两根线与四个固定点连接，摆锤稳定性问题也就解决了。这个问题的解决看似平淡无奇，但却让学生切身体会到物理就在身边，平时多观察生活中物理现象的重要性。

科学探究任务的呈现形式是撰写论文，但中学生撰写科学论文是一种挑战，学生对论文的结构框架、内容阐述等方面都比较陌生。为此，我们开设了系统介绍如何撰写科研论文的选修课程，拓宽学生的视野，并且将之前本校学生的科学探究论文、搜集到的一些中学生的优秀科学探究论文整理成册，摆放在阅览室，学生撰写论文过程中可以随时借阅。

科学探究任务，以学生的主动学习为中心，是学生基础知识、科学思维、科学探究能力、科学态度等方面综合素养的体现，有助于激发学生的学习热情、培养学生的核心素养，逐步形成适应学生终身发展的必备能力。