黃琪莉 ，吳先球 ，2

1.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006

2.華南師范大學(xué)物理學(xué)科基礎(chǔ)課實驗教學(xué)示范中心，廣州510006

實驗教學(xué)有利于學(xué)生掌握科學(xué)研究方法，在實驗過程中學(xué)生需要進(jìn)行歸納推理分析和解決問題，才能夠?qū)W(xué)生進(jìn)行思維方法的訓(xùn)練[1]。古有“授人以魚，不如授人以漁”，說明方法比知識更重要。同時，科學(xué)思維作為核心素養(yǎng)的要素之一[2]，其培養(yǎng)離不開物理思維方法的建立。目前，通過實驗教學(xué)顯化科學(xué)方法成為培養(yǎng)科學(xué)思維的途徑之一。因此，本文以“探究微小形變”教學(xué)片段為例，分析高中物理教材內(nèi)容在該節(jié)呈現(xiàn)的物理方法，以實驗探究為載體突破教學(xué)中的重、難點，挖掘轉(zhuǎn)化思想的內(nèi)涵，設(shè)計實驗教學(xué)過程，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。

1 “探究微小形變”的教學(xué)地位分析

“探究微小形變”是新粵教版高中物理必修一第三章“彈力”一節(jié)前半部分內(nèi)容，“彈力”一節(jié)的教學(xué)難點是“微小形變下彈力的有無”[3]。盡管學(xué)生在初中接觸過形變的概念，但對微小量放大的思想感觸不深，對轉(zhuǎn)化法的認(rèn)識不夠。微小形變難以觀察，因此，“彈力”重點內(nèi)容之一為通過實驗探究微小形變，理解任何物體受力后都能產(chǎn)生形變。

這一節(jié)具有承上啟下的作用，一方面高中的“微小形變”教學(xué)是初中“形變”知識的延伸和拓展，通過對“微小形變”的理解，學(xué)生經(jīng)歷同化和順應(yīng)，完善已有的知識體系，逐漸認(rèn)知到“形變”具有普遍性。另一方面，轉(zhuǎn)化法是高中物理常見的思想方法之一，而“微小形變”是學(xué)生接觸轉(zhuǎn)化思想的第一個例子。因此，本節(jié)課的學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生領(lǐng)悟轉(zhuǎn)化思維的奧妙，為后續(xù)扭秤實驗等知識的學(xué)習(xí)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 教材內(nèi)容和重、難點分析

2.1 教材內(nèi)容編排

本節(jié)選自新粵教版必修第一冊第三章第二節(jié)內(nèi)容，教材在編排上首先以生活中的沙發(fā)、橡皮筋等常見物體的形變來說明形變在生活中隨處可見。然后利用“觀察與思考”欄目，通過觀察受力與不受力狀態(tài)下彈簧和橡皮泥形變情況的不同，介紹彈性形變與塑性形變的概念。再強調(diào)“任何物體受力時都會形變，只是形變有時明顯，有時很微小”。最后，采用“光線放大”和“液柱高度變化放大”的方式放大微小形變，進(jìn)一步強調(diào)微小放大的方法是物理學(xué)研究問題的一種重要方法。

2.2 重、難點分析

本節(jié)重點是通過實驗等方法理解微小形變的概念，難點在于如何通過設(shè)計實驗認(rèn)識到微小形變。因此，本文的教學(xué)設(shè)計主要圍繞探究實驗設(shè)計教學(xué)過程，深化學(xué)生對微小形變的認(rèn)識。在核心素養(yǎng)的指導(dǎo)下，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力需要正確地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法。通過實驗探究學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，從而建立正確的物理觀念，培養(yǎng)合理的科學(xué)態(tài)度與價值觀?？茖W(xué)方法往往體現(xiàn)在探索與發(fā)現(xiàn)知識之中，除非親身經(jīng)歷這種探索的過程，否則很難發(fā)現(xiàn)其中的方法和關(guān)鍵，尤其是體會某些只能意會、難以言傳的妙用之處[4]。通過進(jìn)階式的實驗設(shè)計，逐步培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和問題解決能力，讓學(xué)生了解微小形變放大在生活中的應(yīng)用，培養(yǎng)其STSE意識。

3 “探究微小形變”教學(xué)設(shè)計思路

基于上述對教材內(nèi)容的分析，筆者首先結(jié)合學(xué)生所學(xué)知識設(shè)計了三個進(jìn)階式實驗。然后，設(shè)計進(jìn)階式實驗探究問題鏈，并融入轉(zhuǎn)化法的物理思想。最后，利用生活中常見的場景——橋梁應(yīng)力的測量，進(jìn)一步內(nèi)化學(xué)生對轉(zhuǎn)化放大法的理解（圖1）。

圖1 教學(xué)設(shè)計思路

（1）設(shè)置懸念，引出核心問題。設(shè)置懸念不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能培養(yǎng)學(xué)生“提出問題”的能力。情境創(chuàng)設(shè)有助于學(xué)生提出問題，激發(fā)學(xué)生的想象力[5]，探索真理，并鍛煉學(xué)生觀察與推理的能力。引導(dǎo)學(xué)生提出“為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象”，調(diào)動學(xué)生“質(zhì)疑創(chuàng)新”思維的參與。在因果認(rèn)識興趣的驅(qū)動下，學(xué)生進(jìn)一步思考“該怎么樣解決問題”。

（2）將演示實驗變成探究性實驗，還原轉(zhuǎn)化法的思想?？茖W(xué)思維的發(fā)展以物理知識、實驗、理論等作為支撐，而眾多的科學(xué)方法隱藏在探究性學(xué)習(xí)中，對科學(xué)思維的訓(xùn)練產(chǎn)生直接影響[4]。探究性實驗將過程還原給學(xué)生，學(xué)生親身體驗，才能有效掌握物理規(guī)律和方法[6]。而探究過程是基于問題解決的過程，利用問題鏈將學(xué)生的思維貫穿起來，在解決問題的過程中，舊知識不斷被用來解決新問題，新知識被不斷整合到原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中。學(xué)生通過探究的過程不斷對提出的方案質(zhì)疑并檢驗，實現(xiàn)思維的碰撞，體驗轉(zhuǎn)化放大思想方法的妙處。

（3）學(xué)以致用，深化科學(xué)思維。培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的終極目標(biāo)就是提高問題解決的能力。這說明學(xué)習(xí)物理不僅要學(xué)習(xí)知識，更要學(xué)習(xí)方法，而方法的作用是在實際生活中快速、便捷地解決問題。利用常見的橋梁堤壩形變來引發(fā)學(xué)生思考，如何用轉(zhuǎn)化的思想把難以觀察到的形變進(jìn)行放大？既突出了轉(zhuǎn)化放大法的奧妙，也啟發(fā)學(xué)生“生活處處有物理”的道理。

4 “探究微小形變”教學(xué)過程

4.1 創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)置懸念

物理來源于生活，又走向生活。課前給學(xué)生展示彈簧、橡皮泥、橡皮繩、紙等生活中常見的物品受力后的形變情況，總結(jié)形變概念：受力后，體積或者形狀發(fā)生的變化稱為形變。根據(jù)物體形變后是否能恢復(fù)，建構(gòu)彈性形變和塑性形變的概念。

師：彈簧一定會發(fā)生彈性形變嗎？

生：不一定，用過大的力拉彈簧時就不會恢復(fù)原狀了。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生親自動手實驗，體會動手實驗的樂趣。有些學(xué)生輕輕拉動彈簧，有些學(xué)生用力過度將彈簧拉直。最終總結(jié)出彈性限度的概念。

對形變有一定理解后，教師演示利用一塊堅硬的亞克力板和兩個鋼球（圖2），用手指擠壓板中間，未見形變，但兩個鋼球同時由兩端向中間靠近。

圖2 演示示意圖

師：堅硬的物體受力后是否發(fā)生形變？如何證明鋼球相互靠近與形變有關(guān)？

生：亞克力板太堅硬了，看不到形變。

設(shè)計意圖：設(shè)置問題情境，引發(fā)學(xué)生思考。這里學(xué)生不難猜測是亞克力板受力后凹陷導(dǎo)致鋼球相互靠近。但如何證明堅硬物體受力后發(fā)生形變則是學(xué)生要解決的難點。

4.2 巧妙轉(zhuǎn)化，放大微小

教師向?qū)W生提供玻璃瓶、鋼板、亞克力板、杠桿、螺母、激光筆、平面鏡等器材，要求學(xué)生利用這些器材任意組合，自主設(shè)計實驗。轉(zhuǎn)化法是學(xué)生初中接觸過的方法，如：聲音的產(chǎn)生，是利用與音叉接觸的乒乓球的彈動來間接說明音叉振動發(fā)聲，這是“化重為輕”的思想。教師在課上可以舉例介紹轉(zhuǎn)化思想是用一個便于描述的物理量來描述另一個物理量，從而將難以觀測的現(xiàn)象可視化，啟發(fā)學(xué)生采用轉(zhuǎn)化法設(shè)計探究實驗。

4.2.1 進(jìn)階實驗一“體積放大法”

教師展示擠壓裝有紅色液體的扁平玻璃瓶，在展示前敲擊一下玻璃瓶，發(fā)出清脆的響聲，證明其材質(zhì)是堅硬的玻璃。之后，教師拿出一根細(xì)長的玻璃管，將其插入玻璃瓶的活塞中。再次前后擠壓玻璃瓶，玻璃管內(nèi)液柱上升，松手后回到原來高度，如圖 3（a）（b）所示。

師：是否看到玻璃瓶形變？你認(rèn)為是否發(fā)生形變，為什么？如果有，你是如何發(fā)現(xiàn)形變的？

生：沒有看到玻璃瓶形變。應(yīng)該發(fā)生了形變，因為液柱上升了。

設(shè)計意圖：鍛煉學(xué)生的質(zhì)疑能力和科學(xué)論證能力。部分學(xué)生看到玻璃管液柱上升，認(rèn)為是玻璃瓶形變造成的；也有部分學(xué)生認(rèn)為是手握玻璃瓶，使玻璃瓶內(nèi)液體熱脹冷縮導(dǎo)致液柱上升，玻璃瓶并未發(fā)生形變；少數(shù)學(xué)生認(rèn)為玻璃瓶未發(fā)生形變，但不知為何擠壓玻璃瓶后液柱上升。

教師先不解釋其中原因，而是將玻璃瓶交給每個小組，讓學(xué)生親自捏一捏玻璃瓶。這時有些學(xué)生側(cè)向捏玻璃瓶，導(dǎo)致液柱下降了，如圖3（c）所示。

圖3 進(jìn)階實驗一示意圖

師：側(cè)向擠壓玻璃瓶，液柱為何下降？

生：側(cè)向擠壓時，玻璃瓶的空間變大了。

設(shè)計意圖：學(xué)生親自體驗，分組討論，尋找證據(jù)。學(xué)生動手總會有千百種的情況發(fā)生，科學(xué)真理往往也是在奇思妙想中被發(fā)現(xiàn)的。學(xué)生動手，既讓學(xué)生過了一把科學(xué)家的癮，也培養(yǎng)了學(xué)生的反證能力和綜合分析能力。

提煉思想方法：教師總結(jié)，將玻璃管液面高度的變化轉(zhuǎn)化為玻璃瓶受力產(chǎn)生的微小形變。側(cè)向擠壓則玻璃瓶橫截面積變大，體積變大，所以玻璃管液柱下降。這里運用了轉(zhuǎn)化法的思想，玻璃管的作用正是采用了“化粗為細(xì)”的思想。用玻璃管“細(xì)”的優(yōu)勢轉(zhuǎn)化了玻璃瓶的微小形變。

4.2.2 進(jìn)階實驗二“光學(xué)放大法”

體積放大的實驗讓學(xué)生初次體會到微小放大的思路，這是證明帶有容積的堅硬物體形變的有效方法。生活中的堅硬物體不總是一些容器，還有桌子、鋼板、玻璃等，還應(yīng)讓學(xué)生探究對平面物體該如何證明形變。采用光學(xué)放大法的原理，逐步提高對學(xué)生的要求，培養(yǎng)學(xué)生運用數(shù)學(xué)原理處理物理問題的能力，進(jìn)階地了解轉(zhuǎn)化放大法的精髓。

師：玻璃瓶受力后的形變利用了體積放大來觀察，那堅硬的鋼板受力后產(chǎn)生的形變可以用體積放大來證明嗎？

生：不能，鋼板是平面實心的，應(yīng)該采用其他方法放大微小形變。

師：那可以用什么方法呢？比如：我們開始時的亞克力板實驗，如果亞克力板是比較軟的，擠壓后會發(fā)生凹陷，亞克力板兩端的鋼球就會相互傾斜靠近，根據(jù)這個思路如何把堅硬鋼板的凹陷表現(xiàn)出來呢？

生：可以在鋼板上放置物體，鋼板受力形變后，導(dǎo)致放在上邊的物體會傾斜。

師：物體傾斜角度太小難以觀察怎么辦？這里給大家提示一下，我們可以采用光路的方法觀察鋼板上物體的傾斜情況。

生：可以通過平面鏡反射來觀察。

師：如果鋼板受力后發(fā)生形變，光點如何變化？

生：根據(jù)光的反射定律，形變后導(dǎo)致入射角變小，光點向下移動。

師：幾面鏡子合適？經(jīng)歷幾次反射效果比較好？該如何設(shè)計？如何調(diào)整器材位置使效果更明顯？

生：交流與討論。

設(shè)計意圖：為了避免“虛假”探究，將光學(xué)放大法演示實驗變?yōu)樘骄啃詫嶒?，還原光學(xué)放大法的實驗設(shè)計思想。學(xué)生在問題串的引導(dǎo)下不斷完善探究思路，并在探究過程中解決問題。這個過程既讓學(xué)生感受到探究的樂趣，也讓學(xué)生將轉(zhuǎn)化法這一物理思想內(nèi)化于思維中。教師將最終的方案演示給全班學(xué)生。

光學(xué)放大法在物理上的應(yīng)用非常廣泛，其運用了“化角為線”的思想。鋼板形變微小，所以鏡子傾斜角度小，激光入射角變化小。設(shè)鏡子傾斜角度改變Δθ，相應(yīng)的法線改變角度為Δθ，即出射光線與原出射光線夾角為Δθ，光點移動的高度為 Δh≈l·Δθ。其中，l是指光線到屏的長度。增大l，Δh越明顯。利用兩面鏡子，發(fā)生兩次反射增長光路，觀察投射在白墻上光點位置的變化。同時，可以將鋼板放在兩塊水平等高的木板上擠壓，將鏡子固定在桌面上，激光固定在鋼板上，如圖4所示。只要鋼板發(fā)生形變，激光光點就會移動，激光到白墻的距離越遠(yuǎn)，效果越好。

圖4 光學(xué)放大演示儀示意圖

4.2.3 進(jìn)階實驗三“力學(xué)放大法”

力學(xué)放大法是微小放大法實驗的進(jìn)階實驗，對學(xué)生思維能力的要求進(jìn)一步提高，能讓學(xué)生感受物理知識的實用性魅力。

師：除了用光學(xué)放大法證明堅硬平板的形變，能不能用力學(xué)杠桿的原理放大亞克力板的形變呢？

生：討論與交流，回顧杠桿原理。

師：從形變特點入手，如果形變的凹陷處連通杠桿，會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？為了放大形變效果，該如何改進(jìn)方案呢？

生：是不是可以設(shè)計一個省距杠桿來實現(xiàn)？

設(shè)計意圖：教師給學(xué)生提供杠桿、螺母等實驗器材，讓學(xué)生自行動手設(shè)計。為了放大效果，可以設(shè)計多級杠桿。學(xué)生經(jīng)歷實驗探究過程，達(dá)到轉(zhuǎn)化法的進(jìn)階認(rèn)識，鍛煉推理分析和多角度思考問題的能力。

筆者自行設(shè)計了二級杠桿放大演示儀，如圖5所示，作為課堂演示所用，具體的數(shù)學(xué)分析如下：在形變的凹陷處連通杠桿，相當(dāng)于給杠桿提供動力，在阻力端產(chǎn)生位移。由于微小形變引起的凹陷小，如何把移動位移放大是微小放大法應(yīng)用的關(guān)鍵。根據(jù)省距費力杠桿原理（圖6），以AC杠桿為研究對象，動力臂為O1C，阻力臂為O1A。顯然，O1C＜O1A，AC是省距費力杠桿。當(dāng)亞克力板受力形變，使O1C向下移動微小的距離，O1A向上移動較大的距離。由AB聯(lián)動，下方長杠桿圍繞支點O2轉(zhuǎn)動，位移再次放大。亞克力板形變越大，下方長杠桿轉(zhuǎn)動角度越大。

圖5 二級杠桿放大演示儀示意圖

圖6 省距費力杠桿原理示意圖

4.3 聯(lián)系生活，拓寬思維

教師提出一則2019年7月關(guān)于 “三峽大壩形變”的謠言，并向?qū)W生介紹這則新聞。接著，教師給學(xué)生展示生活中常見的電子秤上的應(yīng)變片，簡要介紹電阻式應(yīng)變片是通過將物體的微小形變轉(zhuǎn)化為應(yīng)變電阻的變化來檢測微小形變的，如圖7所示。

圖7 電子秤示意圖

師：如何用今天學(xué)習(xí)的“微小形變”知識消除這則謠言？

生：任何物體受力后都會發(fā)生形變，只不過有的形變比較明顯，有的形變比較小，難以觀察。

師：科學(xué)家們說三峽大壩的形變處于彈性形變狀態(tài)。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們知道在受力下不產(chǎn)生任何形變的工程結(jié)構(gòu)幾乎不存在。所以三峽大壩也不例外，也會在壓力作用下發(fā)生形變。只不過大壩堅硬，形變微小，我們往往用傳感器來檢測其形變。三峽大壩土方和堤壩形變往往通過壓力計來測量，基本原理是通過作用在兩塊面板上土方壓力變化，將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺@示形變情況。

設(shè)計意圖：物理來源于生活，又走向生活。領(lǐng)悟科學(xué)的魅力，通過展示生活中微小放大法的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的STSE意識。

5 小結(jié)與啟示

本文通過三種不同的實驗原理為學(xué)生展示了微小放大法的共通本質(zhì)，將難以觀察的物理量轉(zhuǎn)化為容易觀察的其他量。三個實驗的難度層層遞進(jìn)，以進(jìn)階式的方式顯化轉(zhuǎn)化放大法這種科學(xué)方法，既讓學(xué)生體會到實驗探究的樂趣，又能鍛煉學(xué)生的觀察和推理能力，進(jìn)一步提升科學(xué)思維。

在教學(xué)中應(yīng)根據(jù)不同的課程內(nèi)容設(shè)計相應(yīng)的顯化科學(xué)思想方法教學(xué)過程，挖掘知識與方法之間隱含的聯(lián)系。如：講質(zhì)點模型時，如何顯化理想化方法；瞬時速度里蘊含的極限法等。教學(xué)中解決物理問題不僅要講科學(xué)方法是什么，更要講方法的特征和作用，才能讓學(xué)生體會到科學(xué)方法的含義。注重設(shè)計引導(dǎo)性的問題，引導(dǎo)學(xué)生按照科學(xué)方法的思路推導(dǎo)知識，親身經(jīng)歷探索過程，才能真正培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。愛因斯坦曾說過：你要知道科學(xué)方法的實質(zhì)，不要去聽一個科學(xué)家對你說些什么，而要仔細(xì)看他在做什么。因此，適當(dāng)開展探究性實驗，使新、舊知識交替，用舊知識建構(gòu)新知識體系，讓學(xué)生在經(jīng)歷科學(xué)探究的過程中，領(lǐng)悟到其中的思維方法。