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L1≠L2,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,L1≠L2,于是F1l1≠F2l2,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F1L1<F2L2,“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。