经历科学探究　提升核心素养

摘   要：高中物理新课标把“科学探究”作为物理学科核心素养的一个重要维度。以“瞬时加速度”这节习题课为例，通过科学探究的形式对教学难点展开教学，借助手机、DIS传感器和电脑等现代化技术设备突破学生思维难点，从而提升学生的科学思维和科学探究能力。

关键词：模型建构；科学探究；科学思维；核心素养；瞬时加速度

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）1-0029-4

“科学探究”是物理学科四大核心素养中的一个维度。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）明确指出，高中物理课程应“重视科学探究能力的培养和信息技术的应用”［１］。学生在学习了牛顿第二定律后会遇到包括轻弹簧、轻绳或轻杆在内的瞬时性问题，这类问题需要考虑“某一瞬时”，相对比较抽象，学生理解起来有一定难度。通过创设问题情境引导学生经历科学探究过程，并借助手机、DIS传感器和电脑等现代化技术设备将探究过程中的一些抽象问题具体化、形象化，从而帮助学生突破思维难点，提升物理学科核心素养。

1    教学流程设计

1.1    探究活动一

1.1.1    提出问题

两个完全相同的重锤用弹簧连接，上方重锤与细绳相连，细绳另一端固定在铁架台上，整个装置处于静止状态（图1）。将上方细绳烧断后，经过一小段时间，两重锤所处位置符合实际情况的是图2中哪一幅？

分析与说明：教师将图1中的实物直接展示给学生。图1背景纸上这一上一下两个黑色痕迹是用于标记重锤初始位置的黑色胶带纸，图2的四幅图中只有一幅是拍摄得到的，其余三幅图都是人为设计的。通过创设这样一个实际情境问题来激发学生的好奇心和探究热情。

1.1.2    作出猜想

本环节要求学生基于自己的判断在事先下发的探究报告上写出自己所选的答案。

分析与说明：课堂实践中发现，选择A，B，C，D四个选项的学生都有。教师可以让选择各个选项的学生分别给出自己的理由，以充分暴露学生在认知层面的问题。在此环节，教师要允许学生各抒己见，并充分肯定学生作出的各种判断，从而营造出一个轻松、自由又充满质疑的课堂氛围。该环节不要求学生进行定量分析，仅作定性分析。因此，该环节用时不宜过长，2分钟内为宜。

1.1.3    理论推导

本环节要求学生从理论角度进行分析，利用所学知识进行理论推导，并在此基础上给出上述猜想的理由。

分析与说明：从上一环节的定性分析到本环节的定量推导，难度较高。本环节意图引导学生从理性层面对结果作出分析，思维层次较高。课堂实践表明，部分优秀学生可以利用牛顿第二定律进行理论推导，并对结果作出合理解释。

1.1.4    实验验证

本环节教师邀请两个学生配合完成实验，一个学生用打火机烧断图1中的细绳，另一个学生用手机拍摄细绳烧断前后及重锤下落的整个过程。

分析与说明：尽管在上一环节中有学生对判断结果作出了合理解释，但结果是否真如他们所料呢？可以用实验进行验证。这个环节也是学生非常期待的，此时的课堂氛围已经非常热烈。遗憾的是，实验发现从细绳烧断到两重锤落地的整个过程发生在一瞬间，肉眼无法作出判断。

1.1.5    慢镜回放

现代技术手段让我们能欣赏上述过程。本环节教师将手机投屏到教室的大屏幕上，并用慢镜头回放刚才的实验过程，慢镜头显示在细绳烧断的一小段时间内，上方重锤快速下落，而下方重锤纹丝不动，正确答案为A。

分析与说明：现在的智能手机一般都有慢放功能，且每秒的帧数基本都在30帧以上，慢放效果非常不错。该环节让课堂氛围达到高潮，学生纷纷惊叹下方重锤竟然在短时间内纹丝不动。这种视觉冲击极大地激发了他们的认知冲突。认知心理学指出，人的认知活动包括同化、顺应和平衡化三个过程。在学习过程中，学生根据已有的认知结构来知觉新的客体或事件，这就是同化。当学生无法将新知识纳入到已有的认知结构中去时，他们就必须修改现有的认知结构，这时就发生了顺应。平衡化包括同化和顺应，是指学生从一个发展阶段向另一个发展阶段的过渡［２］。如果一个人在同化和顺应的过程中遇到了困难，那么他的认知活动将处于一种不平衡状态，从而产生认知冲突。在教学实践中，创设能有效激发学生认知冲突的情境，有利于激发学生内在的认知需要，使学生的学习内驱力达到高峰［3］。

至此，之前作出错误判断学生的认知需要被充分激发。接下来，学生的知识建构将水到渠成。

1.1.6    建立模型

本环节让学生自主概括弹簧形变、弹力变化的特点，并在探究报告上写下总结的内容。然后，教师引导学生建立轻弹簧模型，并指出轻弹簧是质量可以忽略的弹簧，在图1所示装置中，弹簧质量比重锤质量小得多，为研究问题的方便，我们可以忽略弹簧自身质量，从而建立轻弹簧这一理想化物理模型。

分析与说明：本环节绝大部分学生都能概括出轻弹簧模型的特点。教师PPT呈现：轻弹簧能发生明显的形变，但形变的恢复需要一定时间，所以在某一瞬间，由于弹簧形变量来不及变化，可认为弹簧弹力保持不变。

1.1.7    模型应用

该环节教师利用PPT给出两个例题，让学生在课堂上自行完成。

例1 如图3所示，两质量均为m的重锤A和B用轻弹簧连接，重锤A的另一端与轻绳相连，轻绳上方固定在天花板上，整个装置处于静止状态，已知重力加速度为g。求：剪断轻绳的瞬间，重锤A的加速度大小。

例2 如图4所示，轻质弹簧和水平轻绳的一端与质量为m的小球相连，轻弹簧与竖直方向夹角为θ=30°，已知重力加速度为g。求：剪断轻绳瞬间，小球的加速度大小及方向。

分析与说明：实践表明，上述两例题绝大部分学生均能快速求解，教学中只需请学生分析即可。

1.2    探究活动二

探究活动二的具体环节与探究活动一基本相同（表1）。通过探究活动二，学生总结出绳、杆的形变特点及弹力变化特点，从而建立轻绳和轻杆模型。

1.3    探究活动三

通过探究已经总结得到轻弹簧、轻绳、轻杆中弹力的变化特点，下面借助DIS力传感器进一步探究弹簧、绳、杆中弹力的变化情况，实验装置如图5—图7所示。三个装置中的重锤均相同，将三个力传感器接入到同一数据采集器中，待装置静止后，先后烧断图5—图7中两重锤间的细绳，电脑显示出力随时间变化的图像（图8）。

细绳烧断后，弹簧、绳、杆间弹力变化情况的局部放大图如图9所示。从图9（a）（b）（c）中分别可以看出，细绳烧断后，弹簧、绳、杆的弹力从最大减至最小所需时间分别约为0.64 s，0.10 s，0.05 s。相比之下，弹簧弹力从最大减至最小所需时间要明显长于绳和杆，进一步说明了将弹簧、绳、杆均做模型化处理后，弹簧弹力可以认为保持瞬时不变，而绳、杆中的弹力可以认为能够发生突变。通过这个探究活动，学生进一步理解了实际物体与物理模型之间的联系和区别。

2    结  语

“基于物理学科核心素养确定教学的目标和内容”是新课标的明确要求。本堂规律应用型习题课以三个探究活动为主线，注重发展和培养学生的科学思维和科学探究能力。在完成前两个探究活动后，学生已经建立了轻弹簧、轻绳、轻杆模型，最后再利用传感器进一步探究上述三种模型的特点，起到画龙点睛的作用，这既促进了学生对理想化物理模型的深刻理解，又提升了学生分析问题、建构模型的能力。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０．

［２］Ｍ·Ｐ·德里斯科尔．学习心理学——面向教学的取向（第三版）［Ｍ］．王小明，译．上海：华东师范大学出版社，２００８：１６８．

［３］丁进．例谈如何激发学生的认知冲突［Ｊ］．物理通报，２０１０（１２）：４－５．

（栏目编辑    邓   磊）

收稿日期：2023-05-19

作者简介：陈一垠（1991-），男，中学一级教师，主要从事物理教学和试题命制研究。