“科学探究”教学过程促进师生共进

徐从茂

摘 要：教师设立主线，创设情景并导入新课；结合学生已学的知识，引领学生探究功和速度变化的关系，设计多种方案并进行优化，展示出本节教学的过程。学生经过探究，在获得知识与技能的同时，也享受着中间的曲折与乐趣，从而进一步领悟人类探索未知自然的科学思想和科学方法。最后，讨论笔者对本节教材的思考，并给出进一步优化实验方案的建议。

关键词：探究；实验方案；反思；优化

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）7-0073-4

1 问题的提出

对于高中物理实验，教师们通常过分关注知识层面的教学。实验教学往往是预定好实验仪器，讲解好操作技能，规划好实验过程。其结果是学生往往缺少探寻未知的动机和兴趣，很难体会到探究的乐趣，思维也得不到有效的提升。

“实验：探究功与速度变化的关系”把寻找动能表达式内容前移，把“动能和动能定理”这一内容后置，不急于让学生直接得到前人的结论。通过本节实验，利用已经从个案中有所领悟的功能关系，探究另一种能量——动能的表达式，为下一节理论探究动能表达式和动能定理打下实验基础。当然，仅仅根据这一实验探究并不能得到动能的表达式，但它可以让学生体会到教材中所体现的科学探究方法，特别是实验数据处理和分析方法。究其本质，教材意图让学生按照科学家的思路，体验科学探究过程，体会科学探究的快乐，并提升其科学思维的能力。

2 案例呈现

课堂探究并不是科学家实验过程的全部重演，教师需设定好教学主线，抓住“功与速度变化的关系”这一核心问题，巧搭“教学脚手架”，铺设科学的认知台阶，以减少探究过程中的不确定性。笔者按照以下几个步骤来展开教学。

2.1 创设情景，导入新课

播放两段视频（子弹击穿西瓜、奥运会射箭比赛情景等），激发学生的学习热情并让学生强烈体验到物体的动能与它的速度是密切相关的。

物体的动能与它的速度是密切相关的，而物体速度的变化又与它所受力做的功有关。所以，本节课我们首先通过实验来探究：外力对物体做功与物体速度变化的关系。

为了研究方便，设物体初速度为0，问题转化为探究功W与物体获得的末速度v的关系（有学生对“速度变化△v”念念不忘，见下文反思）。

2.2 由定性关系到定量关系的猜想

要探究功W与速度v两个物理量的关系，首先应考虑两者的定性关系；然后猜想两者的定量关系；最后再设计实验，验证猜想的结论。让学生体会物理学的一般探究思路。

演示实验：“弹弓拉纸团”

学生很容易得出两者的定性关系——随着外力做功W增大，物体获得的速度v也增大，引导学生猜想两者的定量关系。

2.3 带领学生做“思维体操”，设计各种方案并选择“合适”的方案

猜想中涉及到速度与功，速度可以用打点计时器和纸带来测量，“功的测量”以及“怎样通过一个实验把速度和功联系起来”就成了实验中要解决的问题。

方案1 实验器材：铁架台、打点计时器、纸带、重物、刻度尺。

思路：如图1所示，打点计时器研究自由落体运动在“必修1”中曾出现过，很多学生最先想到这种方案。重力对重物做功前面刚刚学过，重物获得的速度也能通过纸带测出。

方案2 实验器材：长木板、打点计时器、小车、纸带、重物、刻度尺。

思路：如圖2所示，在“必修1”中“探究加速度、力、质量的关系”中也曾出现过，学生比较熟悉。细线拉力对小车做的功能够测算出（需要平衡摩擦力），再测出小车的速度，该方案也可行。

方案3 实验器材：光电门、气垫导轨、力传感器、滑块、重物。

思路：如图3所示，在方案2的基础上改进。该方案没有额外阻力干扰，比较容易测得时间，从而计算出瞬时速度；同时，在滑块前接上力传感器，测量的误差较小，准确性较高，是本实验的首选，但受仪器数量的限制，只能作为演示实验用。

方案4 实验器材：规格相同的橡皮筋、小车、长木板、打点计时器、纸带、刻度尺、钉子2枚。

思路：如图4所示，同样在方案2的基础上改进。用橡皮筋代替重物的拉力（同样需要平衡摩擦力）。该实验的巧妙之处在于确定橡皮筋对小车做功时运用了倍增法，即橡皮筋每次拉伸量相同，随着并联数目成倍增加，橡皮筋做的功也成倍增加。

外力做功会改变物体的速度，可以考虑用恒力做功，也可以考虑用变力做功，但变力做功更普遍、更有实际意义。考虑到方案1、2、3都是恒力做功，只有方案4是变力做功，与学生一起商量后选择方案4做实验。教师继续带领学生探究，细化该方案要解决的问题。

学生分成5组做实验，得到5组数据，填入表1。

最后，数据处理，寻找W与v的关系。加上（0，0）点共6组数据，利用Excel软件作出“W-v”图像，“添加趋势线”发现图像与二次函数图像相似。于是，调整方向，做出“W-v2”图像，发现是过原点的倾斜直线，即W∝v2。进一步引导学生思考：能否从理论上推导来验证该关系？

2.4 进一步探究验证

如图5所示，探究的过程如同教师带领下的思维体操，由笔者设立教学主线，学生通过探究而获得知识与技能，同时也享受着中间的曲折与乐趣，从而进一步领悟人类探索未知自然的科学思想和科学方法。

3 教学反思

3.1 对本节标题的思考

经过教学实践及深度思考后，笔者觉得可以将本节的标题——“实验：探究功与速度变化的关系”，改为“探究功对速度变化情况的影响” 或者直接改为“探究动能的表达式”。之所以这样修改，主要基于以下两点考虑：

首先，教材标题中出现的“实验”两字，笔者觉得有进一步探讨的空间。教材的标题限定是“实验探究”自有编写者的用意，联系课本下一节《动能和动能定理》的内容，不难得出编者的意图应该是“通过本节课的学习，探究动能的表达式”。而“探究”可以是“实验探究”，也可以是“理论探究”。教材的标题加了“实验”两字，就倾向于本节只能是实验探究课了。而现实中可以从实验和理论两个层面进行探究。

其次，教材标题中“速度变化”给学生带来一定的误解。因为“速度变化”有着特定的指代意思，即“△v”。在课后与学生的交流中，有学生就问笔者，课题要我们研究W与△v的关系，为什么我们最后研究的是W与v的关系，这完全曲解了教材逻辑的意思。

仔细研读教材的前几段文字，或许编者意图通过已经从个案中有所领悟的功能关系——重力做功，重力势能发生变化；弹力做功，弹性势能发生变化，以期得到：外力做功也能写成类似“WG=mgh1-mgh2”的表达式，即W等于“两者差”的表达式。为研究方便，设初速度为0（初动能为0），因而，转化为W与末动能的关系式，而末动能里含有了物体末速度的因子。故而，最终转化为W与v的关系。笔者建议修改标题，以防学生误解为本节课是探究W与△v的关系，从而造成缘木求鱼的思考和探索。实际上，W与△v无必然联系。例如，自由落体运动，相同时间内速度变化相同，重力做功不同；匀速圆周运动，外力不做功，而△v一直存在。

3.2 对文本内容的思考

（1）课文在数据处理时采用的是绘制“W-v”（或“W-v2”等）图像，即W为纵坐标、v为横坐标。笔者觉得最好是绘制“v-W”等图像。通过做功W导致物体速度v的变化，这样更好地体现了物理量之间的因果关系。如“必修1”中加速度与力的“a-F”图像——力是产生加速度的原因，力F作为横坐标；“选修3-1”中的伏安特性曲线“I-U”图像——电压是产生电流的原因，电压U作为横坐标等。这些都体现了物理量之间的因果关系。在数学里“y-x”图像：x是自变量，y是因变量，y是随着x变化而变化。我们物理学中作图时，应尽可能作出体现这种因果关系的图像。

（2）适当添加一些有关理论探究方面的内容，应强调实验探究和理论探究两种方式的并存与融合，从而以相互支撑的方式来引领学生进行探究。正如著名的物理学家密立根所说：“科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验，有时一条腿走在前面，有时另一条腿走在前面，但只有两条腿才能前进。”

这一调整基于以下两方面的考虑：一方面是理论探究与实验探究有着相同的地位，教学过程中不能厚此薄彼，以防学生在认知上产生偏差；另一方面是将后面“动能”教学内容提前（后面一节中正好有涉及动能表达式的理论推导），保证了本节内容的完整性，同时也减少了下一节课的教学内容和教学难度。

3.3 优化实验的进一步思考

笔者在教学实施时采用了方案4（教材参考案例二），取得了不错的效果。但此方案也有不足之处：

首先，准备实验用的橡皮筋费工费时。实验时需用规格相同的橡皮筋。生活中常见的成品橡皮筋，弹性偏大且一致性差，不适宜用于这一实验；若能在市场上买到弹性不太强的柔软细线型橡皮筋最好，这样做实验时效果好、误差小。（笔者在此实验前，跑了很多地方，终于在纽扣店里买到了直径约为0.5 mm的这种橡皮筋。）

除此之外，该方案的不足之处还有：需要平衡摩擦力，操作难度大； 需要测小车速度，计算量大，实验耗时较长；小车速度是橡皮筋做功结束时小车的瞬时速度，确定此位置操作难度大。

方案2（教材参考案例一）的不足主要体现在：需要平衡摩擦力；存在系統误差（需满足“小车质量远大于重物质量”这一条件时，才可以近似用重物的重量G代表小车受到的牵引力F）。

有没有其他切合教学实际的方案呢？

优化方案1：

实验器材：打点计时器、纸带、托盘、若干个50 g的砝码、小车、长木板。

受方案2和方案4的启发，按上图2安装后完成实验。

实验原理及优点：

实验中控制所挂钩码的个数不变，用钩码代替橡皮筋拉动小车，小车拉着纸带向前运动。因小车所受的合外力不变，故不需要平衡摩擦力。在纸带上倍增位移可得到W0、2W0、3W0……实验变得既精确又简便。

所挂钩码的个数不宜过多，可以在小车加些砝码来增加小车的质量。这样，小车运动的加速度较小，纸带上的点迹比较密集。选择点迹清晰的纸带进行测量研究。

可以用这样的方法来处理数据：如图6在纸带上选取O、A、B、C……，满足OA=AB=BC=……，这样得到OA、OB、OC等几段拉力所做的功为W0、2W0、3W0……，再根据“中间时刻的瞬时速度等于各段时间的平均速度”这一结论算出每点的速度vA、vB、vC……（若等距离的B、C各点不在所打的点上，则速度可以用临近点的速度近似表示）。这样得到W-v和W-v2等图像进行探究。

优化方案2：

斜槽、平抛装置、小球、刻度尺。

用1H、2H……来对应体现1W、2W……；用x1、x2……去代替v1、v2……最后作出图像W-x、W-x2……该方案的巧妙之处在于用位移测量代替速度测量，而位移的测量就会简单很多，极大地降低了实验操作的难度。此方案渗透了等效替代的思想，学生的科学思维能力得到了进一步提升。

4 结束语

这是笔者经过课堂教学实践并取得成功的案例，其教学实施的过程很好地体现了科学探究的本质。本节课的重难点不是实验的结论，而是去体会和学会宏观把握、分块分点、逐步探究的过程。本案例中的教学活动始终以学生的探究活动为主线去展开，有利于培养学生的科学探究能力和严谨认真的科学态度，并让学生在探究中体会到成功的快乐。

参考文献：

[1]盛芳剑. 创新实验：探究功与速度变化的关系[J].湖南中学物理，2013（1）：39-41.

[2]王祥东.实验教学的逻辑化处理策略[J].中学物理教学参考，2016，44（10）：16-18.

（栏目编辑 李富强）