基于科学探究能力培养的创新实验教学设计

黄佳

摘   要：科学探究是物理学科核心素养的重要组成部分，如何在物理教学过程中培养学生的科学探究能力呢？笔者试图通过创新实验教学设计，利用层层递进的实验活动引导学生进行科学探究，从而提升学生的科学探究和科学思维能力。文章以创新实验突破定量探究单摆周期与重力加速度的关系这一难点为例，阐述如何在解决物理问题的过程中提升学生的科学探究能力，培养学生的核心素养。

关键词：科学探究;创新实验设计;核心素养;单摆周期

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）10-0049-4

科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估和反思的能力。物理学科通过实验活动进行科学探究，透过观察现象去挖掘其背后蕴含的物理规律和原理，在这个过程中所运用和体现的多种能力综合形成的探究能力，是学生在学习物理时培养其科学素养的直接体现。

1    科学探究能力培养与创新实验设计的融合

在单摆的教学过程中，通过实验教学引导学生利用控制变量法分别探究了单摆周期与摆球质量、单摆摆长以及摆角之间的关系，培养了学生的自主探究能力。但由于课堂所在地的重力加速度保持不变，并且地球各地的重力加速度的数值相差不多，无法有效地开展探究单摆周期与重力加速度关系的实验，使得教学过程中的实验探究缺乏完整性和严谨性，若在此基础上引导学生得到单摆周期表达式则缺乏实验证据。因此，如何有效地进行单摆周期与重力加速度定量关系的实验探究，成为课堂教学中急需突破的重点和难点。

寻求定量探究单摆周期与重力加速度的关系，正是科学探究中所指的“基于观察和实验提出物理问题”，是学生思维出现疑问的起点。引导学生进行猜想和假设：单摆周期与重力加速度之间可能是什么样的关系，如何设计实验与制订方案进行验证，在这个过程中培养学生的科学思维能力。通过创新实验方案获取实验数据，正确处理实验数据得出结论并作出解释，最后对整个科学探究过程进行交流与反思。由此，基于科学探究能力培养的创新实验教学设计如图1所示。

2    基于科学探究能力培养的创新实验教学过程

2.1    基于观察和实验提出物理问题

学生分组进行实验探究，研究单摆周期的影响因素。首先，让学生猜想单摆周期的影响因素，很容易想到影响单摆周期的有摆球质量、摆长、摆角、重力加速度等因素。然后，引导学生进行分组实验，探究单摆周期与摆球质量、摆长、摆角等的关系。最后，引导学生得出单摆周期与摆球质量和摆角的关系以及与摆长的定量关系。

提出问题1：单摆周期与重力加速度的关系是怎样的呢？

学生回答：没有办法完成实验探究，因为实验时重力加速度的值不能变化。

提出问题2：有什么办法可以改变重力加速度的值呢？

要完成單摆周期与重力加速度关系的实验探究，必须要改变重力加速度。引导学生思考，想到地球表面重力加速度的影响因素有两个：纬度的变化以及高度的变化。学生通过交流与讨论后得出，可以到全球不同的地点进行实验，或者通过高度的变化改变重力加速度的值完成实验探究。

教师展示深圳、苏州、北京三个地点在摆长为1 m的情况下单摆周期的数值，以及在苏州市国际金融中心不同高度处摆长为1 m的情况下单摆周期的数值，如表1所示。

提出问题3：根据不同地点、不同高度下进行实验的结果，同学们可以得到什么结论？

学生回答：单摆周期的数值基本没变，与重力加速度无关。

提出问题4：纬度的变化和海拔高度的变化对重力加速度的影响大吗？

2.2    引导学生猜想与假设

试图通过改变实验所在地及所在高度继而直接改变重力加速度的值，无法完成单摆周期与重力加速度关系的探究。

提出问题5：如何创新实验方案，完成实验探究呢？

引导学生思考，在前面的教学过程中设计实验时，考虑的是直接改变重力加速度的值。那么，能不能通过有效的物理方法和思想，间接地改变物体重力加速度的值呢？通过等效的物理思想，改变摆球在竖直方向上的受力，达到改变物体所受“等效重力加速度”的目的。

提出问题6：设计实验方案，通过改变“等效重力加速度”的值完成实验探究。

学生进行分组讨论，设计实验方案。实验装置如图2所示，在摆球下方放置磁体（笔者提供给学生的是磁砖，磁砖的特点是体积大，而且周围的磁场分布相对均匀），实验时控制摆长为1 m，测量单摆周期进行实验探究。实验原理是摆球由于受到向下的磁力作用从而使“等效重力加速度”增加，测量单摆周期与等效重力加速度的关系，实验数据记录在表2中。

此实验方案定性地比较了在增加磁体前后，由于摆球所受到的竖直向下的“等效重力”增大，转化为摆球的“等效重力加速度”增大，由此探究得到单摆周期与等效重力加速度之间的关系，即单摆周期随重力加速度的增大而减小。

提出问题7：你可以猜想出单摆周期和重力加速度具体的定量关系吗？

引导学生进行猜想，由上面的实验得出单摆周期随“等效重力加速度”的增大而减小，可以猜想假设单摆周期与重力加速度成反比？或者单摆周期与重力加速度的平方成反比？等等。

2.3    设计定量探究实验方案

定量探究重力加速度对单摆周期的影响，关键在于如何定量改变重力加速度。已经引导学生思考利用了等效性思想，通过改变摆球的“等效重力加速度”从而完成实验探究。

提出问题8：思考有哪些方法可以定量改变摆球的“等效重力加速度”呢？

引导学生进行回顾与思考，结合“伽利略对自由落体运动的研究”的学习过程，采用了伽利略“冲淡”重力斜面实验的思想，定量改变摆球所受的“等效重力加速度”。示意图如图3所示，当斜面倾角为θ时，沿斜面方向重力的分力G'=Gsinθ，等效重力加速度g'=gsinθ。

借此物理思想，利用斜面代替竖直平面进行单摆实验，如图4所示。利用斜面“冲淡”重力，通过控制斜面倾角θ，达到改变“等效重力加速度的值”，从而定量地探究单摆周期和重力加速度的关系。

提出问题9：斜面上摆球的运动可以“等效”于单摆运动吗？

引导学生思考，锻炼学生的科学思维能力。原始的单摆模型在摆动过程中回复力来源于重力的分量，创新实验改进的摆球悬浮于斜面上摆动，回复力的来源为mgsinθ，故等效重力加速度g'=gsinθ，斜面上摆球的运动可以等效于重力加速度为g'=gsinθ的单摆运动。

2.4    定量探究实验装置制作及实验数据获取

为消除摆球和斜面之间的摩擦，实验过程中将摆球替换为轻质圆盘（图5），并采用气垫导轨的设计思想，将斜面制作成中空密闭的长方体箱体（图6），并根据圆盘摆动过程中经过的区域大小，在斜面朝上的箱体平面上打穿很多小孔，同时使箱体连接空气泵。实验时打开空气泵，从箱体上小孔中喷出的气体让轻质圆盘能够稳定地悬浮于斜面之上，使轻质圆盘在斜面平面内做小角度摆动，测量摆动的周期，从而进行定量实验探究。

实验过程中通过控制箱体的倾角θ，从而改变单摆圆盘的等效重力加速度g'=gsinθ。制作实验装置时将长方体箱体固定在带有可调节角度的铝合金支架上，并将支架稳定地固定在水平面上（图7）。同时，通过量角器测量斜面的倾角（图8），达到有效控制倾角和读取倾角的目的。

定量探究单摆周期与重力加速度关系的创新实验装置如图9所示，进行实验探究时控制摆长为1 m，调节斜面倾角分别为30°、45°、60°、75°时，使圆盘在斜面平面做小角度摆动，测量30个周期的时间求平均值得到单摆的周期，记录实验数据填入表3中。（计算等效重力加速度时，参照江苏地区重力加速度的值）

2.5    定量探究实验的数据处理及结果

定量探究实验中得到不同等效重力加速度时单摆的周期，画出单摆周期的平方和重力加速度倒数的关系图像（图10）。得出实验结论：单摆周期的平方与重力加速度的倒数成正比。

2.6    引导学生进行交流、评估和反思

创新实验完成了单摆周期与重力加速度关系的定量研究，结合单摆周期与摆球质量、摆长、摆角等关系，完整地探究了单摆周期与各个影响因素之间的关系，为引导学生得出单摆周期的表达式提供了详实、准确的实验依据。进一步引导学生交流讨论，对层层递进的实验过程开展评估与反思。

提出问题10：结合创新实验方案，你还能设计其他的实验方案进行单摆周期与重力加速度关系的定量探究吗？

引导学生拓展思维，突破思维定式完成升华。

设想方案1：在超重或者失重情况下进行实验，例如在电梯中进行实验探究。加速或者减速状态下，摆球所受“等效重力加速度”改变，继而研究单摆周期的变化。

设想方案2：利用电场来改变摆球的“等效重力加速度”，从而研究单摆周期的变化。

……

以学生为主体的交流、评估与反思的过程，让学生认识到科学探究不能局限在课堂教学中，解决问题的方法也不是只有一种，进一步锻炼学生的科学思维和科学探究能力。

3    总结与评价

培养学生的科学探究能力是物理教学的核心实践活動，是发展学生物理学科核心素养的重要途径。基于科学探究能力培养的创新实验设计，成为了实现教学创新、突破学生难点的重要手段，在进行实验探究的过程中锻炼了学生的科学思维，学会结合前面的学习内容进行知识的迁移与内化，学生经历了发现问题、提出方案、改进装置、实验探究、解决问题的过程，提升了物理思维的本质，使培养学生物理核心素养的目标有效达成。

（栏目编辑    刘   荣）

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