谷春生

(北京市首都師范大學(xué)附屬麗澤中學(xué)，北京 100071)

基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的創(chuàng)新實驗資源開發(fā)的探究式教學(xué)是物理科學(xué)探究教學(xué)的重要組成部分,也是落實課程目標(biāo),全面提高學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要途徑．物理實驗的開發(fā)和利用有利于提高物理教育質(zhì)量和全面實現(xiàn)物理課程目標(biāo)．這就迫切要求中學(xué)教師要善于吸收教育科學(xué)及所教學(xué)科的最新成果,拓寬自己的知識面,挖掘出教材所蘊涵的探究性因素,精心設(shè)計相應(yīng)的探究性課題,創(chuàng)新實驗資源,把學(xué)生置于開放、多元的學(xué)習(xí)環(huán)境中,確立起學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位,增進獨立思考能力,啟迪創(chuàng)新思維,以更好的培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力,使其逐步形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神．下面把本人設(shè)計創(chuàng)新實驗,實施探究教學(xué)實踐研究的幾個案例介紹給大家,以求能拋磚引玉．

1 旋轉(zhuǎn)共享單車轉(zhuǎn)軸發(fā)電探究實驗

(1) 創(chuàng)設(shè)情境,引出問題.

大家都騎過摩拜單車吧？當(dāng)你用手機掃碼的時候,單車具備智能開鎖,甚至GPS定位功能．這些單車的核心部件電子鎖要不要供電?如果需要,那么電從哪兒來呢?

(2) 學(xué)生積極回答.

有的學(xué)生回答摩拜單車不需要用電,因為手機掃碼手機有電;有的回答摩拜單車?yán)锩姘惭b有電源,眾說紛紜,莫衷一是,到底是什么樣的呢?激發(fā)強烈興趣,使他們產(chǎn)生強烈的探究欲望．

(3) 啟迪思考.

大家有沒有想過摩拜單車內(nèi)置發(fā)電機,大家課余時間去觀察研究一下,看看它是怎樣供電的?也可以查閱資料(學(xué)生興趣高漲)．

(4) 引導(dǎo)分析,實施自主探究.

教師從摩拜單車公司找了一輛報廢的摩拜自行車,讓學(xué)生從家中自帶工具,在教師帶領(lǐng)下課余時間實施拆卸,并借了學(xué)?？倓?wù)處機修班的一些專業(yè)工具,費了九牛二虎之力,終于大功告成,如圖1所示．學(xué)生興趣大增,欣喜若狂．

(a)

(b)

(c)

(d)

(5) 解釋原理.

第一代摩拜單車重達25 kg,特別難騎．用的就是騎車發(fā)電的方式,全鋁機身、橡膠實心車胎、封閉軸傳動,其后輪有一個發(fā)電花鼓及蓄電池．當(dāng)人在騎行時,通過蹬腿帶動后輪旋轉(zhuǎn),滾動的輪軸上纏繞線圈作為轉(zhuǎn)子,相對內(nèi)部側(cè)壁上的強磁體模塊產(chǎn)生相對運動發(fā)電,并給內(nèi)部蓄電池充電,如圖1(c)所示,所以有時候我們騎這種單車會比較吃力,那是因為蓄電池已經(jīng)沒電了,我們要通過騎行發(fā)電來給其充電,當(dāng)蓄電池充好電后,我們騎行就比較輕松,拆開的發(fā)電花鼓如圖1(d)所示．

點評:聯(lián)系生活實際的問題往往是學(xué)生特別感興趣的問題,能激發(fā)起學(xué)生更加強烈的好奇心和求知欲．通過對問題的自主探究,可以使學(xué)生品嘗探究的樂趣,從而激發(fā)學(xué)生對物理學(xué)的熱愛,使他們義無返顧地投入到物理學(xué)科的探究學(xué)習(xí)中去,更有利于學(xué)生素質(zhì)的全面提高．

2 旋轉(zhuǎn)小電扇發(fā)電引課實驗

(1) 創(chuàng)設(shè)情境,引出問題.

在“法拉第電磁感應(yīng)定律”一節(jié)的引課環(huán)節(jié)中,設(shè)計創(chuàng)新小實驗,可以使學(xué)生耳目一新．“旋轉(zhuǎn)小電扇發(fā)電”引課分組實驗,首先把輸入電風(fēng)扇的導(dǎo)線插頭部分的兩金屬片分別接入學(xué)生的兩手指之間,由另一位學(xué)生快速旋轉(zhuǎn)電扇扇葉,頓時第一位學(xué)生下意識地迅速甩開兩手指間的插頭金屬片,有觸電疼痛感覺,引發(fā)學(xué)生的切膚之痛,終身難忘．這到底是為什么呢?瞬間吸引學(xué)生產(chǎn)生強烈的興趣,產(chǎn)生“不憤不啟,不悱不發(fā)”的效果．

(2) 實驗驗證.

如圖2(a)所示,從小電風(fēng)扇的輸入導(dǎo)線插頭兩金屬片端分別引出兩根導(dǎo)線,把它們接入靈敏電流計的正、負(fù)接線柱,迅速旋轉(zhuǎn)電風(fēng)扇扇葉,便觀察到靈敏電流計的指針偏轉(zhuǎn),原來該裝置對外輸出了電流．這到底是為什么呢?

(a)

(b)

(3) 引導(dǎo)分析,實施自主探究.

拆開一電扇的機頭部分,如圖2(b)所示,學(xué)生們頓時恍然大悟．因為在初中他們學(xué)過法拉第電磁感應(yīng)定律的初步知識.這里可以引導(dǎo)學(xué)生交流討論,然后分小組匯報交流．有些小組回答較好:圖2(b)側(cè)壁上排放了許多小磁鐵塊,形成了磁場,內(nèi)部轉(zhuǎn)軸上纏繞線圈作為轉(zhuǎn)子．當(dāng)一個學(xué)生撥動電風(fēng)扇扇葉使其旋轉(zhuǎn)時,轉(zhuǎn)子線圈便切割磁感線運動產(chǎn)生感應(yīng)電流,所以手指有觸電疼痛感覺.既回憶了舊知識,又引發(fā)了新思考,從而產(chǎn)生對高中新知識的強烈的探究欲望,達到較好的引課效果．

點評:這個探究實驗非常有趣,可以培養(yǎng)學(xué)生較強的動手能力、觀察能力、分析綜合能力．如果有條件,可帶領(lǐng)學(xué)生動手自主分組實驗,進行實驗探究,在實踐觀察中學(xué)習(xí)物理知識,使物理學(xué)變得更加親切．

3 自制“隔空取物”分組探究小實驗

(1) 創(chuàng)設(shè)情境,引出問題.

圖3

“隔空取物”:如圖3僅有弧形玻璃杯和塑料球,身體的任何部位不能接觸球,杯壁、杯口不能著地,隔空把塑料球取走,應(yīng)該怎么做?為什么可行?技巧如何?

(2) 探究操作.

這是高中物理必修2中“離心運動”的一個本人創(chuàng)新設(shè)計的學(xué)生分組探究實驗．開始有的小組把玻璃杯側(cè)著放置,杯口對著塑料球,使足渾身的氣力用嘴吹氣,如果杯口著地勉強可行,但要求杯口不能著地,這就難了,便無法完成．該怎么做呢?有的小組陷入了困惑,部分小組摸索出了一種方法：把杯口朝下,反扣住塑料球,保持杯口面與桌面平行并遠(yuǎn)離桌面,剛好杯口平面正對塑料球高度的一半位置處,如圖4所示,然后手握住玻璃杯快速拖動塑料球,使其做圓周運動,隨著拖動晃動的加快,小球圓周運動的速度越來越大,小球便騰空而起,懸空在玻璃杯內(nèi)壁做勻速圓周運動,這時小心翼翼整體移動玻璃杯,從而成功實現(xiàn)“隔空取物”,如圖5所示．技巧是要想使小球向上略微升高,則應(yīng)該加快晃動玻璃杯的速度,從而使小球運動速度加快,使其離心向上甩,實現(xiàn)小球從低軌道近似勻速圓周運動向高軌道的遷移．其動力學(xué)本質(zhì)如圖6(a)～(c)所示．

圖4

(3) 引導(dǎo)分析.

讓我們抽象為小球、弧形玻璃杯模型來探究一下．“隔空取物”只需研究小球在玻璃杯下半部分的運動情景即可,弧形玻璃杯的切線如圖6(c)所示．因為塑料球、玻璃杯壁之間摩擦很小,可以忽略不計．當(dāng)塑料球在弧形玻璃杯的切面上做勻速圓周運動時,受力分析如圖6(a)所示,支持力的豎直分力與重力大小相等,使其豎直方向上受力平衡;水平分力提供了做勻速圓周運動的向心力．按力的合成思想進行受力分析如圖6(b)所示,則

(a)

所以小球從低軌道近似勻速圓周運動向高軌道遷移的過程中,杯壁圓弧切面越來越陡峭,支持力與水平方向的夾角θ角減小,小球的高軌道穩(wěn)定運行也可以近似看作勻速圓周運動,其軌道半徑r變大,則根據(jù)上述的計算式可知其線速度v變大,所以技巧是要想使小球向上略微升高,則應(yīng)該加快晃動玻璃杯的速度,使小球的線速度變大,從而做離心運動由低軌道向高軌道遷移,是離心運動知識在實際操作層面的一個較好的案例．

點評:這個實驗非常有趣,可以培養(yǎng)學(xué)生較強的觀察能力、分析綜合能力．在玩中學(xué),在愉快中感悟,在濃厚的興趣中提升,實施自主探究,親身感受,可以提高學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力．

4 在南北半球,馬桶下水的旋轉(zhuǎn)方向真的不同嗎?

圖7

圖8

(1) 創(chuàng)設(shè)情境,引出問題.

(展示圖7、圖8)

人們一直認(rèn)為:南北半球馬桶下水漩渦的方向不同,是因為地球自西向東地自轉(zhuǎn),受慣性作用的影響,南北半球上運動的物體就會有不同方向的偏轉(zhuǎn),北半球偏右,南半球偏左,于是水流就會產(chǎn)生不同方向的漩渦,如圖9所示．那么,這個觀點真的正確嗎?

圖9

(2) 設(shè)計實驗,實施自主探究.

筆者讓學(xué)生在北京做了課外興趣小組實驗,如圖10所示．

實驗表明北半球的水流漩渦是逆時針的．那么,南半球真的會是順時針嗎?筆者聯(lián)系了一個在澳大利亞生活的朋友,請他來幫我們完成南半球的實驗．如圖11所示．

圖10

圖11

實驗結(jié)果:

在南半球,水流有順時針的,但也有逆時針的漩渦．與此同時,在北半球的北京又做了幾次試驗,同樣也發(fā)現(xiàn)了這個問題．

初步實驗結(jié)論:水流的漩渦有時候是逆時針的,有時候又會是順時針的,旋轉(zhuǎn)的方向和所在的地理位置,似乎沒有聯(lián)系．

激發(fā)認(rèn)知沖突:這到底是為什么呢?激起了學(xué)生的興趣,激發(fā)了強烈的探究欲望．

(3) 激發(fā)深思,引導(dǎo)分析:什么是科里奧利力?

由于地球自轉(zhuǎn)的影響,會產(chǎn)生一種力,科學(xué)家把它稱作“科里奧利力”．相對我們平時講的推力、拉力來說科氏力并不是一種真實的力．但是對于地球上運動的物體,特別是流體受到科氏力的影響就非常大．比如說北半球的河流,它南岸(或右邊)的河床受到的沖刷就特別厲害;南半球的河流,它北岸(或左邊)的河床受到的沖刷就特別厲害,這些都是科氏力的影響產(chǎn)生的．

僅僅憑借地球自轉(zhuǎn)的科氏力,會對生活中馬桶下水的水流方向產(chǎn)生影響嗎?

(4) 設(shè)計創(chuàng)新實驗,實施自主探究.

實驗升級,為了把干擾因素降到最低,筆者請來了學(xué)?？倓?wù)處維修組師傅對塑料盆進行改造．在盆底開了個洞,接了根下水管,并且把水管帶螺紋的部分剪掉,只留光滑的一段,如圖12所示．

圖12

將水靜置2h,水面上空氣的流動、周圍人的講話等因素都會影響到水面的波動,所以不能做到絕對的靜止,只能盡可能讓它靜止下來．在臉盆里,加了一些紅色的顏料．在臉盆側(cè)壁上端裝上微型攝像頭進行攝像觀察,如圖13所示．

圖13

靜置2h后,拔開底下的塞子．盆子里的水垂直而下,并沒有產(chǎn)生漩渦,如圖14所示．

圖14

實驗探究結(jié)果:排除掉各種干擾因素,水流并沒有產(chǎn)生漩渦,下水方向全程都是垂直往下的．

多次實驗發(fā)現(xiàn),只要稍微有一點初始動力,在下水的過程中,作用力會最來越大,最后就會產(chǎn)生漩渦．南北半球的下水漩渦的方向,其實是一樣的．

通過科學(xué)探究實驗我們發(fā)現(xiàn):日常生活中,科氏力的作用就很有限,影響其實是微乎其微的．進一步地研究發(fā)現(xiàn),我們實驗中漩渦的形成,除了有科氏力的影響之外,更多的還是受到初始動力.下水道螺旋的形狀,還有水池的形狀等等,這些干擾因素的影響還會更大一些．

點評:這個實驗非常有趣,可以培養(yǎng)學(xué)生較強的觀察能力、分析綜合能力、團隊協(xié)作能力．較好地培養(yǎng)科學(xué)思維,并逐步形成“科里奧利力”的物理觀念．

總之,基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的創(chuàng)新實驗資源開發(fā)的探究式教學(xué)實踐研究在全面提升學(xué)生核心素養(yǎng)方面具有廣闊的研究前景,所以教師在教學(xué)過程中要深挖教材中的探究性因素,開發(fā)創(chuàng)新實驗資源,精心多多設(shè)計或啟發(fā)學(xué)生設(shè)計新的探究方案,盡最大可能給學(xué)生提供必要的科學(xué)探究機會,讓學(xué)生自主思維、動手實驗、社會調(diào)查、查閱文獻等等,體驗探究過程的曲折和樂趣,發(fā)展科學(xué)探究能力,激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新潛能,實施科學(xué)探究教育．科學(xué)因探究而美麗,探究以創(chuàng)新而更精彩．教育改革呼喚更多具有創(chuàng)新思維的教師,以更好地激發(fā)學(xué)生探究科學(xué)的熱情,增強他們的創(chuàng)新意識．