一個(gè)出乎意料的問(wèn)題引發(fā)的探究活動(dòng)

1、  一個(gè)“出乎意料”的問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guó)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(duì)理科教師來(lái)說(shuō),提高實(shí)施探究性教學(xué)的能力就成了 自然 的要

2、求。一、問(wèn)題的設(shè)計(jì)與引入杠桿是一種常用的簡(jiǎn)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(wèn)題即可得到解決。 例如,如圖2所示的問(wèn)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o2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(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn),不少學(xué)生遇到有轉(zhuǎn)動(dòng)軸的問(wèn)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(guò)一些有利于激發(fā)學(xué)生深入探究的問(wèn)題,讓學(xué)

3、生進(jìn)行自主的探究,使學(xué)生不僅得到知識(shí)上的鞏固和提升,而且改變“想當(dāng)然”的思維定勢(shì),拓寬思路,培養(yǎng)敢于質(zhì)疑的態(tài)度和創(chuàng)新的意識(shí)?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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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(wèn)題:“如圖3所示,其中l(wèi)1l2,裝置能否保持平衡狀態(tài)?請(qǐng)說(shuō)明理由,并通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證”。二、學(xué)生探究的過(guò)程1.

4、 問(wèn)題的答案并非“顯而易見(jiàn)”面對(duì)這一問(wèn)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)橛衒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(lái)處理,所以“杠桿”不能保持平衡。從他們的表情和語(yǔ)氣可以看出,他們對(duì)這個(gè)如此“簡(jiǎn)單”的問(wèn)題顯然不屑一顧。有的學(xué)生雖然覺(jué)得問(wèn)題并不那么簡(jiǎn)單,但經(jīng)過(guò)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(duì)他們的觀點(diǎn),教師沒(méi)有給予肯定或否定,而是為他們提供實(shí)物,讓他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)自己的判斷進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)之后,對(duì)出現(xiàn)的現(xiàn)象,他們感到驚訝和困惑不解。不少

5、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(duì)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(shí)到問(wèn)題的答案并非“顯而易見(jiàn)”,要想弄清其中的原因,有待深入探究。2. 各持己見(jiàn)一段較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)去了,經(jīng)過(guò)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(kāi)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(duì)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)

6、他們用潤(rùn)滑油減小摩擦后,現(xiàn)象并沒(méi)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(jiǎn)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(duì)裝置的平衡問(wèn)題進(jìn)行解釋,即把裝置中的o1看成固定轉(zhuǎn)動(dòng)軸,因?yàn)閒1l1<f2l2,“杠桿”有逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì),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(duì)不對(duì)?教師建議他們對(duì)以下問(wèn)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(duì)裝置

7、的平衡究竟有無(wú)影響?怎樣用更有說(shuō)服力的實(shí)驗(yàn)加以證明?學(xué)生在老師的引導(dǎo)下,開(kāi)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(wú)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(wú)論l1、l2如何變化,都能使裝置平衡。學(xué)生們的認(rèn)識(shí)深入了一步:對(duì)圖3所示的裝置而言,如果按照解決圖2所示問(wèn)題的方法來(lái)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o1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

8、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(wèn)題就不能簡(jiǎn)單地當(dāng)成如圖2所示的有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的杠桿來(lái)處理。 轉(zhuǎn)貼于 4. 初顯端倪一個(gè)原來(lái)看似簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn),竟然出現(xiàn)了這樣出乎大家意料的 問(wèn)題 ,為解開(kāi)迷惑,不少學(xué)生向人請(qǐng)教、到圖書(shū)館或 網(wǎng)絡(luò) 上尋找相關(guān)資料,而后展開(kāi)了更深入的討論,學(xué)生們逐漸認(rèn)識(shí)到,在圖3所示的問(wèn)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

9、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(duì)決定整個(gè)裝置能否轉(zhuǎn)動(dòng)的原因,還不得而知。不過(guò),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(shuō)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(wú)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(shuō),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(jué)答案似乎離他們已經(jīng)不遠(yuǎn)了!根據(jù)裝置的對(duì)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

10、是說(shuō)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(duì)稱,所以l1=l2。這樣對(duì)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(guò)往小桶內(nèi)加細(xì)砂的 方法 來(lái)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(duì)上述問(wèn)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(duì)應(yīng)的質(zhì)量下限差。對(duì)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

11、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(wú)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(duì)稱性有:ll1=l2

12、。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(méi)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(wèn)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(wèn)題,并緊密地圍繞著這些問(wèn)題展開(kāi)了深入的探究。作為教師,在此過(guò)程中起了組織、指導(dǎo)的作用。通過(guò)讓學(xué)生觀察、操作看似簡(jiǎn)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(cè),啟動(dòng)他們學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力,使之自覺(jué)主動(dòng)地參與到探究學(xué)習(xí)的活動(dòng)中去;在活