學(xué)科教育論文-一個(gè)“出乎意料”的問題引發(fā)的探究活動(dòng).doc

學(xué)科教育論文-一個(gè)“出乎意料”的問題引發(fā)的探究活動(dòng)關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；探究性學(xué)習(xí)；教學(xué)設(shè)計(jì)摘要：設(shè)置引人入勝的情境、發(fā)人深思的問題,是學(xué)生的探究活動(dòng)賴以起步和深入的前提。本文描述了學(xué)生由這樣一個(gè)問題所引發(fā)的探究活動(dòng)。學(xué)生參與的興趣、學(xué)習(xí)活動(dòng)的豐富和深刻程度以及一項(xiàng)真正的科學(xué)探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的教育價(jià)值,都可以從中讀出。新一輪國家基礎(chǔ)教育課程改革中,科學(xué)探究不僅作為理科各科的課程目標(biāo),而且作為教學(xué)內(nèi)容被納入了內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn),這實(shí)質(zhì)上是強(qiáng)化了將探究性教學(xué)目標(biāo)落到實(shí)處的要求。對理科教師來說,提高實(shí)施探究性教學(xué)的能力就成了自然的要求。一、問題的設(shè)計(jì)與引入杠桿是一種常用的簡單機(jī)械。在通常情況下只討論一個(gè)固定轉(zhuǎn)動(dòng)軸的情況,有M順=M逆。在如圖1所示的有固定轉(zhuǎn)軸的情況下,其平衡條件為:F1L1=F2L2。而在有的情況下,物體有兩個(gè)或兩個(gè)以上的轉(zhuǎn)動(dòng)軸,這時(shí)往往選取其中之一為固定轉(zhuǎn)軸進(jìn)行研究,問題即可得到解決。例如,如圖2所示的問題,就可以把O2作為固定轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行分析,這時(shí)作用在另一轉(zhuǎn)軸O1上的彈力N也是以O(shè)2為固定轉(zhuǎn)軸的一個(gè)使杠桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的力。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),不少學(xué)生遇到有轉(zhuǎn)動(dòng)軸的問題時(shí),往往不進(jìn)行深入細(xì)致的分析就盲目套用公式。在教學(xué)活動(dòng)中,教師能否創(chuàng)設(shè)寬松的環(huán)境,通過一些有利于激發(fā)學(xué)生深入探究的問題,讓學(xué)生進(jìn)行自主的探究,使學(xué)生不僅得到知識上的鞏固和提升,而且改變“想當(dāng)然”的思維定勢,拓寬思路,培養(yǎng)敢于質(zhì)疑的態(tài)度和創(chuàng)新的意識?基于這樣的想法,我們利用自制的實(shí)驗(yàn)裝置,進(jìn)行了一次探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的嘗試。如圖3中的橫梁、四邊形轉(zhuǎn)動(dòng)框都由質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的材料制作而成。出于制作簡單的考慮,6個(gè)轉(zhuǎn)軸采用的都是用圓珠筆芯作套筒、銅棒作軸組合而成的“簡易軸承”,并且以轉(zhuǎn)軸O1、O2為中心,其左右兩邊的尺寸、質(zhì)量嚴(yán)格對稱。用細(xì)線在如圖中的位置掛上鉤碼。我們首先把裝置以圖片的形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前,并提出問題:“如圖3所示,其中L1L2,裝置能否保持平衡狀態(tài)?請說明理由,并通過具體實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證”。二、學(xué)生探究的過程1.問題的答案并非“顯而易見”面對這一問題,大部分學(xué)生不假思索就非?？隙ǖ刈龀隽俗砸詾檎_的回答:不能保持平衡。原因是可以把整個(gè)裝置看成杠桿。因?yàn)橛蠪1=F2,L1L2,于是F1l1F2l2,并且O1、O2在一條直線上且與橫梁垂直,可以當(dāng)成一個(gè)轉(zhuǎn)軸來處理,所以“杠桿”不能保持平衡。從他們的表情和語氣可以看出,他們對這個(gè)如此“簡單”的問題顯然不屑一顧。有的學(xué)生雖然覺得問題并不那么簡單,但經(jīng)過一段時(shí)間思考后,也做出了類似的結(jié)論。在學(xué)生做出判斷后,對他們的觀點(diǎn),教師沒有給予肯定或否定,而是為他們提供實(shí)物,讓他們通過實(shí)驗(yàn)對自己的判斷進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)之后,對出現(xiàn)的現(xiàn)象,他們感到驚訝和困惑不解。不少人反復(fù)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn),總想看到與自己的預(yù)期相同的現(xiàn)象,但結(jié)果令他們失望“杠桿”仍然保持平衡!對此,學(xué)生有的一籌莫展,有的陷入了沉思,還有的不斷念叨著“不可能,不可能!”。但事實(shí)終歸是事實(shí),他們意識到問題的答案并非“顯而易見”,要想弄清其中的原因,有待深入探究。2.各持己見一段較長的時(shí)間過去了,經(jīng)過各自的思考之后,在學(xué)生中大致形成了兩種觀點(diǎn):一是“摩擦”的觀點(diǎn),二是“彈力”的觀點(diǎn)。為了加以證明,教師組織他們展開了分析、討論。一些同學(xué)認(rèn)為:由于轉(zhuǎn)軸等位置摩擦力的存在,導(dǎo)致了“裝置保持平衡”。他們就裝置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)摩擦力的大小、方向及其對裝置平衡的影響進(jìn)行了分析,并提出減小摩擦的方法。但當(dāng)他們用潤滑油減小摩擦后,現(xiàn)象并沒有改變。教師又為他們提供了他們自己都認(rèn)為摩擦力足夠小的,用微型精密軸承替代上述簡易“組合軸承”的新裝置,反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),但現(xiàn)象仍然如舊!另一些同學(xué)則提出:用如圖2所示的情況對裝置的平衡問題進(jìn)行解釋,即把裝置中的O1看成固定轉(zhuǎn)動(dòng)軸,因?yàn)镕1L1F2L2,“杠桿”有逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢,O2上則可以提供使杠桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的彈力,使“杠桿”平衡。3.似是而非這些觀點(diǎn)和解釋到底對不對?教師建議他們對以下問題做進(jìn)一步思考后,再進(jìn)行判斷。(1)圖3的整個(gè)裝置能否看成杠桿?怎樣理解杠桿中的“力臂”概念?L1、L2是否分別為F1、F2的力臂?(2)摩擦力、彈力對裝置的平衡究竟有無影響?怎樣用更有說服力的實(shí)驗(yàn)加以證明?學(xué)生在老師的引導(dǎo)下,開展了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和分析,歸納為如下兩種情形:當(dāng)左右兩邊鉤碼的個(gè)數(shù)不相等時(shí),無論l1、l2如何變化,都不能使裝置平衡；當(dāng)左右兩邊鉤碼個(gè)數(shù)相等時(shí),無論L1、L2如何變化,都能使裝置平衡。學(xué)生們的認(rèn)識深入了一步:對圖3所示的裝置而言,如果按照解決圖2所示問題的方法來進(jìn)行研究,以裝置中O1為固定轉(zhuǎn)動(dòng)軸,這時(shí)作用在另一轉(zhuǎn)軸O2上的彈力N,應(yīng)該是一個(gè)使杠桿(以O(shè)1為固定轉(zhuǎn)軸)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(與F1的作用效果相反)的力,并隨F1的變化而變化,從而起到使裝置平衡的作用。然而事實(shí)并非如此:因?yàn)樵谧笥覂蛇呫^碼的個(gè)數(shù)不相等時(shí),裝置不能平衡,而且總是向鉤碼個(gè)數(shù)多的那一邊下降,直至四邊形轉(zhuǎn)動(dòng)框不能“轉(zhuǎn)動(dòng)”為止。這樣就可以推斷,圖3所示的問題就不能簡單地當(dāng)成如圖2所示的有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的杠桿來處理。4.初顯端倪一個(gè)原來看似簡單的實(shí)驗(yàn),竟然出現(xiàn)了這樣出乎大家意料的問題,為解開迷惑,不少學(xué)生向人請教、到圖書館或網(wǎng)絡(luò)上尋找相關(guān)資料,而后展開了更深入的討論,學(xué)生們逐漸認(rèn)識到,在圖3所示的問題中,整個(gè)框架本身有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸,不是一根“硬棒”,也就不是一根杠桿。由于整個(gè)裝置有兩個(gè)固定的轉(zhuǎn)軸O1、O2,且框架的4個(gè)邊可看成“硬棒”,所以框架不能轉(zhuǎn)動(dòng),而只能在一定情況下變形,并且AC和BD始終保持豎直狀態(tài),橫梁始終保持水平狀態(tài),而AB、CD邊的轉(zhuǎn)動(dòng)情況是相同的,如圖4或圖5所示。但是,對決定整個(gè)裝置能否轉(zhuǎn)動(dòng)的原因,還不得而知。不過,有的同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出了自己的推斷。(1)上述的兩種情形是否說明,裝置能否轉(zhuǎn)動(dòng)只由左右兩邊的鉤碼個(gè)數(shù)決定,與鉤碼所掛的位置無關(guān)!這是否意味著橫梁不起作用呢?(2)當(dāng)“左右兩邊鉤碼個(gè)數(shù)相等時(shí),則裝置平衡,不相等則不平衡”。這與天平的情況相同。這是不是可以說,整個(gè)裝置雖然不是一根“硬棒”,但卻有等臂杠桿的特性!這一觀點(diǎn)使學(xué)生們感覺答案似乎離他們已經(jīng)不遠(yuǎn)了!根據(jù)裝置的對稱性和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,他們大膽地提出以下假設(shè):圖3所示的裝置可以看成是由四邊形框架構(gòu)成的等臂杠桿,左右兩邊的橫梁不起作用!這就是說F1、F2的力臂應(yīng)該是如圖6中所示的L1、L2,而非如圖3中所示的L1、L2,由于轉(zhuǎn)軸O1、O2兩邊嚴(yán)格對稱,所以L1=L2。這樣對上述的每種情形都能做出較圓滿的解釋。學(xué)生們又進(jìn)一步的設(shè)計(jì)了如圖7所示的實(shí)驗(yàn):把左邊的鉤碼去掉,掛上一個(gè)小桶,通過往小桶內(nèi)加細(xì)砂的方法來進(jìn)行研究,如果仍然只有當(dāng)左右兩邊總質(zhì)量相等時(shí)裝置才保持平衡,則對上述問題的解釋就具有更充分的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表略)得出如下結(jié)論:右邊鉤碼的個(gè)數(shù)越少,質(zhì)量越小,杠桿平衡時(shí)小桶及砂的總質(zhì)量也越小,杠桿左右兩邊質(zhì)量之差也越小,而且質(zhì)量上限差大于對應(yīng)的質(zhì)量下限差。對不同軸承的情況,整個(gè)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)部分的摩擦越小,平衡時(shí)杠桿左右兩邊質(zhì)量之差也越小。當(dāng)整個(gè)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)部分的摩擦力小到可以忽略時(shí),結(jié)合前面的分析,則無論F1、F2的作用點(diǎn)在橫梁上的位置如何,圖3所示的裝置均可以看成由四邊形轉(zhuǎn)動(dòng)框構(gòu)成的等臂杠桿。5.水落石出基于以上實(shí)驗(yàn)和分析,學(xué)生們形成了如下解釋:在圖3所示的裝置中,因?yàn)樽髾M梁與AC是一個(gè)整體(記為“T部分”),它上面的每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況與梁AB(或CD)的轉(zhuǎn)軸A(或C)的運(yùn)動(dòng)情況相同,所以作用在“T部分”上的每一點(diǎn)的力,只要方向相同,其力臂均相等,即橫梁部分不充當(dāng)力臂,物體掛在何處并不影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。右橫梁與BD構(gòu)成的整體情況相似。由此可知,力臂應(yīng)該如圖6中所示,由其對稱性有:lL1=L2。在轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力足夠小的情況下,整個(gè)裝置就可以看成等臂杠桿。之后,為了支持他們的假設(shè),他們還設(shè)計(jì)出如圖8所示的實(shí)驗(yàn)裝置,這時(shí)只要滿足F1L1=F2L2,整個(gè)裝置則能夠保持平衡,與一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的杠桿情況完全相同。三、活動(dòng)的總結(jié)與反思盡管參加這次活動(dòng)的同學(xué)并沒有完全弄清該裝置變形的原因,還可能走了不少“彎路”,但就該活動(dòng)而言,它是以一個(gè)實(shí)實(shí)在在的科學(xué)問題“框架的平衡”為內(nèi)容,由于現(xiàn)象的“出乎意料”,極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性,在不斷的失敗和成功中自然地引出了一系列的研究問題,并緊密地圍繞著這些問題展開了深入的探究。作為教師,在此過程中起了組織、指導(dǎo)的作用。通過讓學(xué)生觀察、操作看似簡單,而結(jié)果卻與自己意料相差甚遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn),激起學(xué)生強(qiáng)烈的探究欲望,鼓勵(lì)他們進(jìn)行大膽的猜想或預(yù)測,啟動(dòng)他們學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力,使之自覺主動(dòng)地參與到探究