一个“出乎意料”的问题引发的探究活动_学科教育论文关键词： 科学 探究;探究性学习;教学设计 摘要： 设置引人入胜的情境、发人深思的问题,是学生的探究活动赖以起步和深入的前提。本文描述了学生由这样一个问题所引发的探究活动。学生参与的兴趣、学习活动的丰富和深刻程度以及一项真正的科学探究性学习活动的 教育 价值,都可以从中读出。 新一轮国家基础教育课程改革中,科学探究不仅作为理科各科的课程目标,而且作为教学内容被纳入了内容标准,这实质上是强化了将探究性教学目标落到实处的要求。对理科教师来说,提高实施探究性教学的能力就成了 自然 的要求。 一、问题的设计与引入 杠杆是一种常用的简单机械。在通常情况下只讨论一个固定转动轴的情况,有M 顺 =M 逆 。 在如图1 所示的有固定转轴的情况下,其平衡条件为: F1L1=F2L2 。而在有的情况下,物体有两个或两个以上的转动轴,这时往往选取其中之一为固定转轴进行研究,问题即可得到解决。 例如,如图2 所示的问题,就可以把O 2 作为固定转动轴进行分析,这时作用在另一转轴O 1 上的弹力N也是以O 2 为固定转轴的一个使杠杆逆时针转动的力。通过调查发现,不少学生遇到有转动轴的问题时,往往不进行深入细致的分析就盲目套用公式。在教学活动中,教师能否创设宽松的环境,通过一些有利于激发学生深入探究的问题,让学生进行自主的探究,使学生不仅得到知识上的巩固和提升,而且改变“想当然”的思维定势,拓宽思路,培养敢于质疑的态度和创新的意识?基于这样的想法,我们利用自制的实验装置,进行了一次探究性学习活动的尝试。 如图3 中的横梁、四边形转动框都由质量轻、强度高的材料制作而成。出于制作简单的考虑,6个转轴采用的都是用圆珠笔芯作套筒、铜棒作轴组合而成的“简易轴承”,并且以转轴O 1 、O 2 为中心,其左右两边的尺寸、质量严格对称。用细线在如图中的位置挂上钩码。 我们首先把装置以图片的形式呈现在学生面前,并提出问题:“如图3所示,其中L 1L2, 装置能否保持平衡状态?请说明理由,并通过具体实验加以验证”。 二、学生探究的过程 1. 问题的答案并非“显而易见” 面对这一问题,大部分学生不假思索就非常肯定地做出了自以为正确的回答:不能保持平衡。原因是可以把整个装置看成杠杆。因为有F 1=F2,L1L2, 于是F1l1F2l2,并且O 1 、O 2 在一条直线上且与横梁垂直,可以当成一个转轴来处理,所以“杠杆”不能保持平衡。从他们的表情和语气可以看出,他们对这个如此“简单”的问题显然不屑一顾。有的学生虽然觉得问题并不那么简单,但经过一段时间思考后,也做出了类似的结论。 在学生做出判断后,对他们的观点,教师没有给予肯定或否定,而是为他们提供实物,让他们通过实验对自己的判断进行验证。实验之后,对出现的现象,他们感到惊讶和困惑不解。不少人反复地进行实验,总想看到与自己的预期相同的现象,但结果令他们失望“杠杆”仍然保持平衡!对此,学生有的一筹莫展,有的陷入了沉思,还有的不断念叨着“不可能,不可能!”。但事实终归是事实,他们意识到问题的答案并非“显而易见”,要想弄清其中的原因,有待深入探究。 2. 各持己见 一段较长的时间过去了,经过各自的思考之后,在学生中大致形成了两种观点:一是“摩擦”的观点,二是“弹力”的观点。为了加以证明,教师组织他们展开了分析、讨论。一些同学认为:由于转轴等位置摩擦力的存在,导致了“装置保持平衡”。他们就装置转动时摩擦力的大小、方向及其对装置平衡的影响进行了分析,并提出减小摩擦的方法。但当他们用润滑油减小摩擦后,现象并没有改变。教师又为他们提供了他们自己都认为摩擦力足够小的,用微型精密轴承替代上述简易“组合轴承”的新装置,反复进行实验,但现象仍然如旧! 另一些同学则提出:用如图2所示的情况对装置的平衡问题进行解释,即把装置中的O 1 看成固定转动轴,因为 F1L1F2L2,“ 杠杆”有逆时针转动的趋势,O 2 上则可以提供使杠杆顺时针转动的弹力,使“杠杆”平衡。 3. 似是而非 这些观点和解释到底对不对?教师建议他们对以下问题做进一步思考后,再进行判断。 (1) 图3的整个装置能否看成杠杆?怎样理解杠杆中的“力臂”概念?L1、L2是否分别为F1、F2的力臂? (2) 摩擦力、弹力对装置的平衡究竟有无影响?怎样用更有说服力的实验加以证明? 学生在老师的引导下,开展了进一步的实验和分析,归纳为如下两种情形:当左右两边钩码的个数不相等时,无论l1、l2如何变化,都不能使装置平衡;当左右两边钩码个数相等时,无论L 1 、L 2 如何变化,都能使装置平衡。 学生们的认识深入了一步:对图3所示的装置而言,如果按照解决图2所示问题的方法来进行研究,以装置中O 1 为固定转动轴,这时作用在另一转轴O 2 上的弹力N,应该是一个使杠杆(以O 1 为固定转轴)顺时针转动(与F 1 的作用效果相反)的力,并随F 1 的变化而变化,从而起到使装置平衡的作用。然而事实并非如此:因为在左右两边钩码的个数不相等时,装置不能平衡,而且总是向钩码个数多的那一边下降,直至四边形转动框不能“转动”为止。这样就可以推断,图3所示的问题就不能简单地当成如图2所示的有两个转动轴的杠杆来处理。 4. 初显端倪 一个原来看似简单的实验,竟然出现了这样出乎大家意料的问题,为解开迷惑,不少学生向人请教、到图书馆或 网络 上寻找相关资料,而后展开了更深入的讨论,学生们逐渐认识到,在图3所示的问题中,整个框架本身有4个转动轴,不是一根“硬棒”,也就不是一根杠杆。由于整个装置有两个固定的转轴O 1 、O 2, 且框架的4个边可看成“硬棒”,所以框架不能转动,而只能在一定情况下变形,并且AC和BD始终保持竖直状态,横梁始终保持水平状态,而AB、CD边的转动情况是相同的,如图4 或图5所示。但是,对决定整个装置能否转动的原因,还不得而知。不过,有的同学根据实验现象提出了自己的推断。 (1) 上述的两种情形是否说明,装置能否转动只由左右两边的钩码个数决定,与钩码所挂的位置无关!这是否意味着横梁不起作用呢? (2) 当“左右两边钩码个数相等时,则装置平衡,不相等则不平衡”。这与天平的情况相同。 这是不是可以说,整个装置虽然不是一根“硬棒”,但却有等臂杠杆的特性!这一观点使学生们感觉答案似乎离他们已经不远了!根据装置的对称性和实验现象,他们大胆地提出以下假设:图3所示的装置可以看成是由四边形框架构成的等臂杠杆,左右两边的横梁不起作用!这就是说F1、F2的力臂应该是如图6中所示的L 1 、L 2, 而非如图3中所示的L 1 、L 2, 由于转轴O 1 、O 2 两边严格对称,所以L 1=L2 。这样对上述的每种情形都能做出较圆满的解释。 学生们又进一步的设计了如图7所示的实验:把左边的钩码去掉,挂上一个小桶,通过往小桶内加细砂的方法来进行研究,如果仍然只有当左右两边总质量相等时装置才保持平衡,则对上述问题的解释就具有更充分的实验依据。由实验数据(表略)得出如下结论: 右边钩码的个数越少,质量越小,杠杆平衡时小桶及砂的总质量也越小,杠杆左右两边质量之差也越小,而且质量上限差大于对应的质量下限差。 对不同轴承的情况,整个装置的转动部分的摩擦越小,平衡时杠杆左右两边质量之差也越小。 当整个装置转动部分的摩擦力小到可以忽略时,结合前面的分析,则无论F 1 、F 2 的作用点在横梁上的位置如何,图3所示的装置均可以看成由四边形转动框构成的等臂杠杆。 5. 水落石出 基于以上实验和分析,学生们形成了如下解释:在图3所示的装置中,因为左横梁与AC是一个整体(记为“T部分”),它上面的每一点的运动情况与梁AB(或CD)的转轴A(或C)的运动情况相同,所以作用在“T部分”上的每一点的力,只要方向相同,其力臂均相等,即横梁部分不充当力臂,物体挂在何处并不影响实验的结果。右横梁与BD构成的整体情况相似。由此可知,力臂应该如图6 中所示,由其对称性有:lL1=L2。在转动系统的摩擦力足够小的情况下,整个装置就可以看成等臂杠杆。之后,为了支持他们的假设,他们还设计出如图8 所示的实验装置, 这时只要满足F 1L1=F2L2, 整个装置则能够保持平衡,与一个转动轴的杠杆情况完全相同。 三、活动的 总结 与反思 尽管参加这次活动的同学并没有完全弄清该装置变形的原因,还可能走了不少“弯路”,但就该活动而言,它是以一个实实在在的 科学 问题“框架的平衡”为内容,由于现象的“出乎意料”,极大地激发了学生学习的兴趣和主动性,在不断的失败和成功中 自然 地引出了一系列的研究问题,并紧密地围绕着这些问题展开了深入的探究。 作为教师,在此过程中起了组织、指导的作用。通过让学生观察、操作看似简单,而结果却与自己意料相差甚远的实验,激起学生强烈的探究欲望,鼓励他们进行大胆的猜想或预测,启动他们学习的内驱力,使之自觉主动地参与到探究学习的活动中去;在活动设计上,力图为学生创造开放的环境和轻松、自由、民主的氛围,保护学生的好奇心和求知欲;在时间安排上更多的是学生围绕“框架问题”的自主性、探究性学习活动。 在我们的 教育 中,重视学生对探究过程的体验和对探究精神、探究能力的培养,能做到既打好基础,又培养创新精神,促成学生学习方式、方法的改变,教师教学观念和教学方式的改变。我们的教学,我们的学生,将会走得更好!