学科教育论文-一个“出乎意料”的问题引发的探究活动.doc

学科教育论文-一个“出乎意料”的问题引发的探究活动关键词：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O2作为固定转动轴进行分析,这时作用在另一转轴O1上的弹力N也是以O2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O1、O2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L1L2,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F1=F2,L1L2,于是F1l1F2l2,并且O1、O2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O1看成固定转动轴,因为F1L1F2L2,“杠杆”有逆时针转动的趋势,O2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L1、L2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O1为固定转动轴,这时作用在另一转轴O2上的弹力N,应该是一个使杠杆(以O1为固定转轴)顺时针转动(与F1的作用效果相反)的力,并随F1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O1、O2,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L1、L2,而非如图3中所示的L1、L2,由于转轴O1、O2两边严格对称,所以L1=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F1、F2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F1L1=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