挖掘学生课后实验素材 培养力学科学思维——以“筷子提米”和“斜立可乐罐”为例

张杨敏

(上海市七宝第二中学 上海 201101)

《普通高中物理课程标准(2017版)》指出：“科学思维分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用，是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格.”常见的科学思维表现如图1所示.

图1 4种思维类型

力学教学贯穿整个初中物理教学，学生通过课后实验学习相互作用与运动规律、能量守恒与能源、经典力学的成就与局限性等物理核心内容，经历科学探究活动，初步了解物理学的学科特点与研究方法，逐渐形成力学的科学思维.力学的学习有助于培养学生质疑创新、分析综合、推理论证等科学思维.

1 教师的苦恼学生的烦恼

上学期发现，学生在理解二力平衡条件的等值和共线问题存在很大的问题，每每遇到力学辨析题时，时常出现思维障碍，答题正确率不足30%.沪教版八年级第一学期第三章力关于“二力平衡”这一节，重点介绍了在怎样的情况下能二力平衡.在二力平衡的4个条件中，共线问题和等值问题一直是教师进行教学设计时苦恼的问题，教师需要设计出适合学生生活情境，容易理解的实验模型.而这同时也是学生烦恼的问题.为帮助学生理解生活中的二力平衡现象，对二力平衡课内教学内容的补充和拓展，笔者设计了“筷子提米”和“斜立易拉罐”两个实验，两者有利于学生进一步理解二力平衡的条件，拉近物理学与生活的距离，让学生深切感受到科学的真实性.

两个实验经过2个月的反复修正，最终在每个月的月尾学生写成了自己的小论文.教师经过对学生小论文的评析，笔者惊讶地发现学生的认知水平得到了质的飞跃，远远超出教师的预期.教师需要善用学生熟知的生活实例、生活体验、生活情景、生活物品开展教学活动，关注现代社会生活和科学技术，让学生体会到物理就在身边.本文重点阐述利用学生课后实验的生成性资源进行深入地科学探究，以期找到培养学生科学思维的良好路径.

2 优化“筷子提米”实验实践推理论证的科学思维

“筷子提米”实验在其他版本教材中主要用来验证静摩擦力存在的演示实验[1～3].笔者的用意是为了证明摩擦力和重力相等时二力平衡，说明两个力大小相等的关系.该实验现象生动有趣，能够激发学生的兴趣和求知欲，增强其对二力平衡条件的感知.

原理:筷子提米是利用筷子和米粒之间产生的静摩擦力，从而提升装有米的杯子.通过受力分析，只需要满足杯子的重力G≤fmax.提出问题:筷子能否把米提起来与哪些因素有关？

猜想与假设:可能与米粒是否夯实、杯子的材料、筷子的种类、颗粒物的种类、杯口的大小、杯子的深度、筷子的形状有关.

设计实验:夯实与不夯实；不同的杯子装米；用不同类型的筷子提米；颗粒物的种类(黄豆、绿豆、黑豆、小米、大米)；杯子的材料(塑料杯、玻璃杯)；杯口的直径(5 cm,10 cm,15 cm)；杯子的深度(10 cm,20 cm,30 cm)；筷子的种类(木筷、银筷、铁筷、密胺筷、竹筷)；筷子的形状(圆形、扁平形)

进行实验:各种不同杯子、不同颗粒物、不同接触面等情况如图2～10所示,实验结果如表1～4所示

图2 不同杯子不同筷子同一大米实验成功

表1 研究筷子提米与颗粒物的种类是否有关

表2 研究筷子提米与杯口大小是否有关

图4 4种直径的杯口

表3 研究筷子提米与筷子种类是否有关

图5 铁筷、木筷、塑料筷、铁和木筷综合体

图6 银筷

表4 研究筷子提米与筷子形状是否有关

图7 扁平形、圆形、长方形筷子

分析与论证:以上实验结果都是经过多次实践.

英国物理学家Roberts提出了著名的“粮仓效应”.他发现容器内部的颗粒对底部产生压力，当颗粒的高度H达到底部直径的两倍时，底部的压强将不再变化且趋于一定的饱和值.若杯子高度H与底部直径d满足H≥2d，则实验成功，反之则实验失败.而实践后发现，当d

(1)颗粒物的种类

黄豆、赤豆(表面有点扁平)的实验现象和网上的视频有所出入，无论杯口粗细，都没有成功.黑豆实验在杯口细的杯子里能成功.薏米实验尽管能成功，但成功率并不高，而用大米实验，基本一次实验便能成功.赤豆和黄豆表面圆润，而黑豆表面扁平，薏米表面坑坑洼洼增加粗糙程度.大米排列比较紧实，空气进入少，筷子插进去后颗粒物不易滑动，豆类的缝隙较大，空气进入多，颗粒物易滑动，因此，大米实验比豆类实验成功率高.

图8 薏米和麦片对比实验

图9 赤豆和大米对比实验

(2)杯口大小

选择口径较小的杯子做实验，夯实后，不需要用手压紧，直接将筷子快速插进杯中，实验也能成功.选择口径较大的杯子进行实验，夯实后，若不压紧，让筷子沿指缝插进杯中，实验容易失败.

(3)筷子的种类和形状

在其他条件相同的情况下，木质筷子产生的静摩擦力大于塑料筷子.长方形和扁平形的筷子，失败率很高，因为长方形和扁平形都是有棱角的筷子，在插入颗粒时，颗粒的排列分布在棱角处发生变化，筷子与颗粒发生剪切作用时，颗粒内部原先形成的力链结构在棱角处被切断，导致颗粒对筷子的压力变小，最大静摩擦力也跟着变小.因此，应选择圆柱形的木筷，更容易成功.如图10所示为筷子插入大米后筷子的接触面示意图.

图10 筷子插入大米后接触面示意图

3 改进“斜立可乐罐”实验 培养质疑创新的科学思维

3.1 实验引入

在学习探究二力平衡条件实验中，学生对两个力是否作用在同一条直线问题，一直百思不得其解.为了解决该问题，笔者给学生布置了一个课后实验——“斜立可乐罐”实验.将一罐可乐倾斜，手慢慢松开，经过多次调整倾斜角度，让可乐罐最终立在桌面上,如图11所示.

图11 斜立可乐罐

图12为用水代替可乐后的演示，比较是否一样.

图12 装水和装可乐等效替代

3.2 实验交流

实验目的：探究可乐罐能否立起与罐内所剩可乐体积的关系.

实验器材：1罐330 mL可口可乐.

实验过程：

第一步，尝试将未开封的易拉罐立在桌面上，发现怎么都立不住.无论可乐以任何方式摆放，都不能倾斜着稳定在桌面上.

第四步，将可乐全部倒出时，同第二步的结果相同，一定角度，可以稳定斜立.

3.3 实验分析

图13 易拉罐站立在桌子上

3.4 实验拓展

图14为实验拓展流程图.

图14 实验拓展流程图

实验设计:在完成斜立可乐罐实验时，笔者发现有一位学生设计了如上实验，将两个矿泉水的瓶盖，中间钻直径1 cm的圆孔，分别用一个生活用吸盘扣在瓶盖上，用胶枪将两个瓶盖口对口粘牢，在上方吸盘上绑上一根细绳，将该细绳从下方瓶盖边缘穿出，绳的末端系一个圆形硅胶片，硅胶片中间镂空，可以用手指扣住拉绳即可.

设计意图1:让“斜立可乐罐”实验轻而易举.

将可乐罐向下压，固定在吸盘上，无论怎样倾斜可乐罐，都会转动几下，立在桌面上，比以往的实验更容易成功.

设计意图2:说明大气压强的存在.

无论手怎么拨动，可乐罐都能牢牢地站立在吸盘上，如同不倒翁可乐罐.说明可乐罐和吸盘之间存在引力.可乐罐向下压的过程，可以排出吸盘和可乐罐之间的空气，大气压强的值很大，吸盘内气体压强小，大气压强的作用把可乐罐紧紧地固定在吸盘上.

设计意图3:探究弹性势能大小与弹性形变程度的关系

图3 大米、红豆、麦片、米仁

当拉动细绳时，吸盘会在拉力的作用下发生形变，绳子受到手的拉力越大，根据力的传递性原理，吸盘的形变程度越大，可乐罐跳起的高度越高,测量数据见表5，关系折线图如图15所示.

表5 探究可乐罐弹起高度与拉力大小的关系

4 洞察物理概念 激发探求本质的科学思维

首先，思维是由疑问而引起的，质疑是创新能力的源泉，在物理学习过程中，学生对知识的理解往往浅尝辄止，不能够深入理解其中要义.运用质疑与思辨的方式深化物理教学，学生通过课后实验为媒介，在做中学，在科学探究过程中培养学生的问题意识和创新意识.

其次，“筷子提米”实验，看似原理简单，实则米和筷子之间的最大静摩擦力规律却十分复杂， 这也是实验不容易成功的主要原因.只有在严谨的理论规律支撑下，才能对症下药，通过改变大米高度、筷子形状和容器种类，才能提高实验的成功率.“筷子提米”实验充分调动学生的视觉和触觉等感官，增强学生关注摩擦力的兴趣，强化实验的育人功能，潜移默化地培养学生的力学科学思维.最终解决二力平衡条件中“等值”和“反向”问题.

第三，“斜立可乐罐”实验解决二力平衡条件中重力和支持力大小相等、方向相反的问题，同时，深入理解重心下移后提高了物体的稳定性，重力和支持力作用在同一条通过重心的直线上.探求事物本质就是探究决定事物性质和发展趋向的东西.物理概念是整个物理学的基础，是对事物本质的一个认知过程.

实验教学，目的是使学生经历基本的科学探究过程，理解实验原理，学习探究方法，发展初步的探究能力，并形成尊重事实、探索真理的科学态度.科学思维是随着人的思维不断发展而不断进步，增强创新思维的深刻性，最终实现思维活动由表层转入深层.