探究式教学的实施

第四节　探究式教学的实施

本节我们通过几个探究案例的展现，使教师能对探究式教学有更进一步的了解和认识。

一、曲线运动速度方向的探究教学

1.教材简析。

曲线运动的速度方向是曲线运动教学的重点和难点之一。为了帮助学生理解和接受质点运动的速度方向是沿曲线的切线方向，传统教学是通过观察砂轮上火星飞出的方向和转动雨伞水滴甩出的方向来帮助学生认识和理解。由于这两个实验中火星和水滴飞出后，都不能留下痕迹，只是昙花一现，不利于学生做进一步研究，从而使其结果还是停留在接受老师所传授的结论上。为解决这一问题，我们在教学实践中采用了如下图所示的实验来组织学生进行探究。

2.实验简介。

如上图，用泡沫塑料拼接成一个弯曲的挡板，实验时，在水平桌面上放上一张白纸（或南下往上依次放白纸、复写纸、白纸），将弯曲挡板压在白纸上，沿挡板的弯曲方向在白纸上画出一条曲线，将粘有红印油的小铁球从斜槽上放下，记下小球离开挡板时的位置（如上图中挡板A的末端a点），离开a点后，小球在白纸上留下了其运动径迹。依次把挡板拿走，重复上面的实验，在白纸上就留下了小球从不同位置离开挡板后的径迹。

3.分析与论证。

取出白纸，研究小球离开挡板后的运动径迹与当初沿弯曲挡板所画曲线的关系，可以很清楚地看到小球离开挡板后沿曲线的切线方向运动。

点评：本探究的实验器材及实验设计是由教师提供的，属于简单的、局部的定性研究，学生探究的重。应放在观察和分析论证活动上。由于实验取材简便，设计巧妙，效果明显，而且学生有了亲身经历，可以通过自己动手实验来研究曲线运动的速度方向，学生的创新思维也受到启迪。教学实践证明，这种教学效果非常理想，深受师生欢迎。

二、探究摩擦力

摩擦力可分为静摩擦力、滑动摩擦力和滚动摩擦力两种。在中学阶段主要学习静摩擦力和滑动摩擦力。摩擦力的教学包含了丰富的探究内容，例如，静摩擦力的大小是一个恒定的力吗？静摩擦力的取值范围是由什么决定的？怎样求静摩擦力的大小？如何确定静摩擦力的方向？滑动摩擦力的大小与什么因素有关？滑动摩擦力的大小与这些因素有什么样的关系？滑动摩擦力的公式是怎样的？滑动摩擦力的公式f＝μF_N，式中F_N的大小就是物体所受到的重力大小吗？等等。这些问题都可以被设计成探究式教学。学生在初中已学过摩擦力的内容，有了一定的知识基础，因此在设计探究时可以与学生的原有知识发生作用，以激发学生的学习兴趣，调动学生的学习热情，使探究更加顺利地进行。下面我们分五个层次对摩擦力进行探究。

1.探究静摩擦力。

在水平桌面上放一木块，通过固定在桌子两端的定滑轮在绳子的两头各挂上三个相同的钩码。①将右边的一个钩码拿走，先猜猜木块向哪个方向移动，再亲手做一下。如果分别将右边的钩码拿走两个、三个，情况又如何？（在这时引入静摩擦力的概念）②将右边拿走的钩码一个一个地挂到左边，又将会出现什么现象？③用什么方法求解静摩擦力？静摩擦力是一个恒定的力吗？

这个情境创设得有新意，能激发学生兴趣，引起学生思考。在这个探究中，运用了学生了解的二力平衡知识来讲述什么是静摩擦力以及静摩擦力的大小和方向，让学生从实验中认识到静摩擦力随拉力增大而增大，并有一个最大值，静摩擦力取值范围是零与一个最大值之间，具体多大要由物体受的其他力的情况来决定。

2.探究滑动摩擦力与什么因素有关。

活动一：将两本书一页一页地交叉叠在一起，然后用力将两本书拉开，比较分开两本较薄的书与两本较厚的书所用拉力的情况。提出你的猜想，认为摩擦力的大小与什么有关。

活动二：将一张A4纸夹在《英汉字典》里，按图示方向用力将纸拉出，比较纸夹在字典内的上部时和下部时的用力情况。提出你的猜想，认为摩擦力的大小与什么有关。

活动三：将两段棉线和尼龙线按图示的方式系好并用力向两端拉。比较两种材料在向两端拉后的情况。提m你的猜想，认为摩擦力的大小与什么有关。

学生经过这三个探究活动后，在动手实验、动脑思考的基础上，对滑动摩擦力的大小与什么因素有关会有一个初步的认识，可能会提出如下一些猜想：与材料有关，与压力有关。对于活动一，由于学生没有学习合力的知识，可能会提出与受力面积有关。

3.验证猜想。

探究一：一长方体的四个侧面的光滑程度相同，让其不同侧面在同一水平木板上被弹簧测力计水平匀速拉动，观察弹簧测力计的读数，判断滑动摩擦力是否与接触面积有关。

探究二：让同一长方体的同一侧面在不同材料构成的水平木板上被弹簧测力计水平匀速拉动，观察弹簧测力计的凑数，判断滑动摩擦力是否与材料有关。

探究三：让同一长方体的同一侧面在不同材料构成的水平木板上被弹簧测力计水平匀速拉动，在其中一长方体上放上几个较重的砝码。观察弹簧测力计的读数，判断滑动摩擦力是否与压力有关。

学生通过这三个实验探究，能更进一步认识到滑动摩擦力的大小与接触面积无关，而与接触面的材料和压力有关。

4.探究滑动摩擦力的大小与压力及材料有什么样的关系。

探究一：将长方体木块放在水平木板上，用弹簧测力计匀速拉动，记下弹簧测力计的读数，测量出长方体木块的重力，并将数据填入下表中。在长方体木块上不断加上已知质量的砝码，重复上面的实验。

探究二：将长方体木块放在另一种材料制成的水平木板上，用弹簧测力计匀速拉动，记下弹簧测力计的读数，测量出长方体的重力，并将数据填入下表中。在长方体木块上不断加上已知质量的砝码，重复上面的实验。

通过这两个实验探究，可以得到公式数。相互接触的两个物体的材料不同或接触面的粗糙程度不同，这个常数也不同。我们把这个常数叫做动摩擦因数，用μ表示。所以有f/F＝μ或f＝μF，即两个物体间的滑动摩擦力的大小，跟这两个物体表面间的压力大小F成正比。

5.进一步探究。

在计算滑动摩擦力的公式f＝μF中，F的大小就是物体所受到的重力吗？

在上面的探究实验中，得到长方体木块与木板的动摩擦因数μ1。

把长方体木块放在倾斜的木板上，反复调整倾斜角度口角，使木块只需轻轻一推就能沿斜面匀速下滑。此时沿斜面方向木块所受到的合外力为零，即重力沿斜面向下的分力与木块受到的摩擦力大小相等，也即mgsinθ＝μF，如果B：哪｝，则F＝mg，测出θ并算出sinθ的值。由于是既定的两个已知材料接触，应该有μ＝sinθ＝μ1但实验测得μ＝sinθ≠μ1，所以F≠mg。

本探究的目的是要学生理解公式向F中的F是压力而不是重力。

建议这个探究实验放在教学力的分解后进行。

另外，只要能说明问题，可以用其他设计方案。

点评：本探究是一个由定性的了解到定量的计算、由简单的现象出发到本质认识的完整探究，整个探究由浅入深，一直保持学生的探究欲望。另外，本实验探究的器材简单、操作简便，问题情境的设置有创意，能激发学生的兴趣，引发学生思考；在整个探究过程中，学生动手实验、感悟的机会多，并且只要教师简单地引导，学生就可以完成整个探究活动。

在探究滑动摩擦力的大小与压力及材料有什么样的关系时，采用了在物理学中常用的用比值法定义物理量的方法来进行，这样处理即使问题的解决显得自然，右渗透了物理方法。

三、探究两个电阻并联

在物理课程中，虽然大多数探究活动需要实验进行。但也有不少探究活动属于理论探究，它在物理课程巾电具有重要的意义，应予以重视。

在研究两个电阻R₁、R₂并联后的总电阻R_总跟分电阻R₁、R₂的大小关系时，可设计如下的探究活动：

1.提出问题。

教师提出问题：两个电阻并联后的总电阻与各个分电阻的大小关系如何？

2.建立假说。

在教师的引导下，学生通过相互讨论，自己建立假说。

教师：同学们可能非常肯定地立即作出判断，但你可以根据已有的知识和经验，大胆地进行假设。

学生1：两个电阻并联后，总电阻R_总可能小于任一个分电阻，即R_总＜R₂。因为两个导体并联，相当于导体的横截面积变大。根据电阻定律可知，导体的横截面积越大，电阻越小。

学生2：两个电阻并联后其总电阻减小。因为家里的用电器都是并联的，同时使用两个用电器时，电能表走得快些，这表明两个用电器并联后，电路的总电流变大了。因为电路的总电压不变，电流变大则表明电路的总电阻变小了。

3.检验假说。

教师对学生的猜测进行评价，并对学生的探究方向进行引导。

教师：大家的猜测都有一定的道理，但缺乏足够的证据。我们需要更充分的理由和更可靠的证据，同时也希望得到更精确的结论。如果我们能够推导出并联电路总电阻与两个分电阻间的关系式，这个问题就迎刃而解了。

在教师的引导下，学生进行了如下的推导，根据电阻的定义，得

4.得出结论。

教师：利用我们所推导出的关系式，怎样比较R_并与R₁、R₂之间的大小关系？

学生：由上述关系式可得：

同理可得：

点评：上述过程虽然没有实验设计和实验检验等环节，但学生同样经历了提出问题、建立假说、检验假说、得到结论等过程，在学习过程中，学生始终处于自主探究和积极思考之中，这样的学习也属于探究式学习的范畴。若上述设计，在得到并联公式后，让学生通过实验验证结论是否成立，并用结论解释前面学生所作的假设的证据为什么不足，可能效果更好。

四、原子核式结构的探究教学

1.教材浅析。

高中物理教科书在关于“原子核式结构”一节中，主要讲述卢瑟福提出原子核式结构的过程，对“粒子散射”实验的目的、实验装置、实验条件、结果分析、结论都作了有条理性的介绍。在教学中，教师通常会按照教科书中传统模式，简单地对教科书的内容进行重述，有条件的学校会采用计算机辅助教学课件来演示“粒子散射”实验，以达到直观、形象的目的。即便如此，也很难提起学生的兴趣，因为学生只能机械、被动地接受知识的灌输，缺少思考的余地和想像的空间，对于物理思维和学习方法的养成一无所获，在科学精神、科学态度、科学观方面也感受不深。要改变这种传统的教学模式，必须创造性地对教科书进行拓展和重组，充分利用好这一节课，对学生进行物理科学方法教育。

2.教学设想。

首先，在指导思想方面，要重塑科学历史的背景，指出科学发现的历程，领会研究科学的一般的方法，强调科学探索的曲折。以汤姆生发现电子─→原子结构猜想（枣糕模型）及其成功之处─→汤姆生的学生（卢瑟福）用实验验证其猜想─→发现出乎意料结果─→出现矛盾─→推翻旧的猜想─→建立新的理论（核式结构）等─→系列曲折的科学历程为主线，渗透科学方法的教育，让学生明白一个新的科学发现一般要经过初期的猜想、实验证明、发现新的矛盾、提出新的观点、再用实验验证等一系列漫长艰苦的过程。这是人类科学文明发展的一个缩影，理论和实验的矛盾是物理科学发展的动力源泉之一。在教学中应做到绘声绘色，让学生仿佛置身于无穷的物理世界中，接受一种无形的熏陶。

在构思上，要打破完全依照教科书的内容一步到位的灌输方式，要按照当时人们对原子结构的认识水平，介绍当时科学界的几种理论模型，围绕“粒子散射”实验，结合生活经验，利用电脑创设一个“黑箱探究”的实验情境，并给出一系列可能的实验结果，充分地发挥学生的想像力和思维，让学生尽可能多地提出各种可能的结构模式，并让学生自主地分析各种可能模式的理由及其不合理性，最终得出最合理的结果。下面谈谈如何实现以上的思想观点。

3.黑箱探究。

（1）引入。先用课件设计一个“黑箱探究”的情境：“有一团云雾，看不见、摸不着、无色无味，如何探知其内部的结构？”让学生讨论，要求学生提出探究其内部结构的方法。然后提出一种间接的探究方法：用运动的颗粒射向云雾，通过粒子进入云雾内部后出射时各种可能的情况，推测其内部的结构。

（2）观察、猜想与判断。演示粒子进出“黑箱”的各种变化情况，要求学生对观察到的结果进行猜测并说出其理由，最后，分析、比较各种猜测，判断哪种最合理。

①粒子直接穿透黑箱，运动轨迹基本不变。学生可能猜测如下表的结果：

②粒子被“黑箱”吸收了。学生可能猜测如下表的结果：

③粒子在“黑箱”处反弹。学生可能猜测如下表的结果：

④只有中间的粒子通过，上下粒子被吸收。学生可能猜测如下表的结果：

⑤大部分粒子按原来方向前进，少数发生大角度偏转，个别反弹。学生可能猜测如下表的结果：

4.教材内容展示。

在“黑箱探究”的基础上，介绍“粒子散射实验，并指出在物理科学史上也有类似的问题（原子核的结构猜测），科学家采用类似的方法（α粒子散射实验）得到一个出乎意料的重大结果（以下用计算机辅助教学动画模拟α粒子散射实验并分步介绍）。

目的：汤姆生发现电子后对原子结构作了猜想（分析枣糕模型与上述猜想的哪种情况相类似），卢瑟福想用实验验证其猜想。

方法：介绍α粒子散射实验装置、仪器的作用（如何观察α粒子的偏折情况）。

预期实验结果：α粒子基本按原来的方向运动，几乎没有偏折。

实验结果：观看动画（绝大多数α粒子穿过金属箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转），与枣糕模型的设想矛盾。

分析：总结现象，结合引入新课时的猜测，从电子的影响、库仑力的作用、正电荷和质量的集中分布等因素来分析这种实验结果的原因，并指出这种情况与前面猜测的哪种情况类似。

结论：新的原子结构模式——原子核式结构。

解释：用原子核式结构来解释α粒子散射实验中观察到的现象。

5.小结。

（1）指出卢瑟福“粒子散射”实验的科学历程：提出猜想→实验验证→实验结果与猜想出现矛盾→推翻旧的猜想→建立新的猜想→解释实验现象→进一步的实验验证。

（2）让学生谈谈上完这一节课后的一些思考，包括对科学的态度、对科学研究方法的一些认识和感受，并引导学生将卢瑟福原子核式结构模型和天体结构相类比，激发其进一步学习的热情。

这样的处理达到了以教科书的知识为纲，为学生提供了一个全新的探究情境，对学生的思维产生了很大的冲击，给了学生主动思考问题、自主分析的空间，既锻炼了分析问题的能力，又让学生对原子核式结构有了深刻的认识，同时又了解了历史，感受了科学的方法，从而将知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观融入同一教学过程之中。

单纯地进行知识的传授并不是教育最重要的部分，而以知识为载体，激发学生对科学的兴趣，让学生了解科学的历史，培养学生科学探究的精神、严谨的科学态度，才是一种真正的科学教育。

信息技术的介入，无疑将改变传统物理课堂教学中基本靠教师口授、板书、演示的局面，它既能为全体学生的充分感知创造条件，也可以重新组织情境、突出事物的本质特征，促进学生对重点和难点知识的理解。由于物理学作为一门以实验为基础的学科，真正的实验具有客观真实性，对学生起直接的启发引导作用，因此在将多媒体应用于物理实验时，要考虑到计算机的辅助功能，突出它在常规教学无法达到理想效果时的特殊功效，千万不能用多媒体来代替学生实验。同时，在将信息技术应用于物理实验教学时，不能仅仅停留在“仿真实验”和使用以信息技术为主的演示型教学模式上，而要充分利用多媒体的特殊性，在实验思想上下工夫，突出实验的设计思想，为学生探究物理提供服务。