基于科学思维水平划分,构建递进物理课堂、培养质疑创新能力——以“探究加速度和力、质量的关系”为例

居 津

(江苏省苏州实验中学，江苏 苏州 215011)

2018年1月,教育部正式发布了《普通高中物理课程标准(2017版)》(以下简称“高中课标2017版”)．整体上看,修订后的高中课程标准有5个方面的变化:① 凝练了物理学科核心素养,凸显物理课程的育人功能;② 优化高中课程结构,注重课程基础性、系统性和选择性;③ 强调物理实验和科学实践,注重物理与社会和技术的联系;④ 划分学业质量水平,促进关于物理学科核心素养评价的探索;⑤ 注重各类提示及建议,引导教师关注学生物理学科核心素养的提升．[1]高中课标2017版尤其注重学生物理学科核心素养的培养,并将物理学科核心素养的4个方面进行了详细的水平划分．其中科学思维划分为如表1所示5个层次.[2]

本文针对科学思维水平划分的质疑创新能力要求,以力学中最基本、最重要的探究实验:加速度和力、质量的关系为例,按5个水平要求序化物理课堂,谈谈学生逐步提高自己的质疑和创新能力的“三部曲”．

1 博闻强识,知识积累

所谓“博观而约取,厚积而薄发”,只有达到一定的积累量才会喷发．所以要培养科学思维的质疑和创新能力,首先要有大量的知识积累．以实验探究加速度和力、质量的关系实验为例,学生就需要有一定的知识储备:(1) 本实验需要用到的实验方法是控制变量法;(2) 本实验研究的是加速度与力和质量的关系,所以需要测量的是小车所受到的合外力,质量和加速度,如何测量小车所受到的合外力,质量和加速度;(3) 如何设计实验方案;(4) 所设计的操作有没有实验误差,如何减小实验误差．

表1

这里所提到的第(4)条就是质疑的最佳体现．对于一个实验设计,我们只有有了质疑精神,知道质疑的重要性(水平1),具有质疑和创新的意识(水平2),才会想知道有没有更精确的实验方案,才会思考如何减少实验误差,设计更优的实验方案．当然如果要设计出更优方案,要提出自己的质疑或者创新意见,知识储备必不可少．图1是最常见的探究加速度和力、质量关系的实验装置图．对于这个实验装置,可以引导学生思考是否存在实验误差,怎样减小误差,是否有更优的设计方案．让他们知道质疑的重要性,从而唤醒学生内心的质疑意识．

图1

2 融会贯通,多向思维

科学思维水平划分的水平3提出:对已有的观点提出质疑,从不同的角度思考物理问题．对于本实验上述方案进一步引导启发学生提出质疑:(1) 小车受到几个力的作用?(2) 怎么表示小车受到的合外力？(3) 如何减少实验误差？学生可以运用已有的知识,通过对小车的受力分析得出小车放在水平木板上,需要平衡小车的摩擦力．通过分别先后对小车和砝码的受力分析知道砝码的总质量要远小于小车的质量．

但是即使满足这两个实验条件,本实验仍然有系统误差．水平划分水平4提出:提出质疑后,要求学生采用不同方式分析解决物理问题．教师此时可以再次引导学生质疑思考,是否有更优的实验设计方案,来减少实验的系统误差．逐步引导学生创新,解决物理问题,从而提高科学思维水平．最后学生总结出可以用以下实验方案.

方案1. 改进实验仪器法.

对于平衡摩擦力的条件,在操作时颇有难度,所以学生很容易就能提出是否可以采用气垫导轨进行替代;对于钩码的质量远小于小车质量所带来的系统误差问题,可以采用在小车前安装力传感器来解决．测小车的加速度也可以通过光电门来完成．如图2．当然这样的实验方案对器材要求比较高,如果受实验条件限制的学校,可以通过类似的实验方案来完成．如图3．

图2

图3

方案2. 转换研究对象法.

如图4所示，在平衡好摩擦力后,将几个相同的砝码都放在小车上挂上砝码盘,然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中,利用打点计时器测出小车的加速度,此时如果作小车加速度a与砝码盘中砝码总重力(含砝码盘)F关系图得到的一定是线性关系,不需要满足砝码质量m远小于小车质量M条件,消除了之前设计方案的系统误差,优化了实验设计．研究加速度a与质量m关系的时候,也以小车和砝码(含砝码盒)总质量作为研究对象即可．

图4

方案3. 创新实验设计方案.

具体操作方法如下.

(1) 如图5所示,先将沙和沙桶通过滑轮悬挂于小车一端,调节平板的倾角θ,使小车沿斜面向下做匀速直线运动,测出沙和沙桶的总质量m.

图5

(2) 保持平板倾角θ不变,去掉沙和沙桶,小车即在平板上沿斜面向下做匀加速直线运动,通过纸带测量其加速度a.

(3) 保持小车质量M不变,多次改变沙和沙桶的总质量m,每次重复(1)(2)两步操作,得到小车加速度与合力的关系.

(4) 多次改变小车的质量,进行适当的操作,得到小车加速度和质量的关系．

通过以上操作,受力分析可知,小车下滑受到的合力即为沙和沙桶的总重力,消除了原实验设计的系统误差．

3 实践检验,不断创新

科学思维水平划分水平5指出:能从多个视角审视检验结论,解决物理问题具有一定的新颖性．对于上述提出的各种实验方案,无论有无系统误差,都应该让学生亲自到实验室进行操作探究,在检验过程中可以将各方案再次优化,重组,不断创新．

如在上述方案中大部分方案都需要平衡摩擦力,教材给出的平衡摩擦力方法是“不断调整轨道的斜度,使小车不挂重物时能匀速运动”,显然这种方法不易操作．有些教材给出的方案是“不断调整轨道的斜度,使小车不挂重物时刚好能运动”,这种方法相对好操作,却有较大的理论误差,因为最大静摩擦力小于滑动摩擦力．学生只有通过实践操作,才能发现问题，进一步培养学生的质疑能力．有学生提出可以先通过理论计算出小车和导轨斜面的动摩擦因数,进而求出平衡摩擦力所欲要的导轨斜面与水平面间的角度,这样就可以利用量角器,准确地找出摩擦力平衡时斜面的倾斜度．

具体方法如下:如图6中，先用打点计时器和刻度尺测出小车在斜面上下滑的加速度,再量出此时斜面的倾角．根据牛顿运动定律计算出动摩擦因数μ．

f=μmgcosθ，

mgsinθ-μmgcosθ=ma，

图6

调节斜面倾角为θ0,

mgsinθ0=f，

μmgcosθ0=f，

μ=tanθ0，

可得θ0=arctanμ.

由此计算得到的斜面倾角,学生只要利用量角器就很容易得到了,且误差较小．

在这一系列的实验改进研究过程中,学生通过质疑层层递进,不仅有对于方案改进创新,在实验操作中也不断提出质疑,推陈出新,同时,在后续做“探究功与动能变化关系”的实验中也大有帮助．整个过程可以达到让学生科学思维水平逐步提高,质疑创新能力得以培养的目的．