浅谈实验资源开发与探究式教学的有效整合＊

谷春生

（阜阳市第三中学 安徽 阜阳 236006）

随着高中新课程改革的全面推开，科学探究已成为当前基础教育课程改革的热点、亮点和难点．迫切要求教师要善于吸收教育科学及所教学科的最新成果，拓宽自己的知识面，挖掘出教材所蕴涵的探究性因素，精心设计相应的探究性课题，把学生置于开放、多元的学习环境中，确立学生在学习中的主体地位，增进独立思考能力，启迪创新思维，以更好地培养学生的科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神，更有利于我国创新拔尖人才的培养．

物理学在日常生活、生产实践和科学研究中有着极其广泛的应用．在物理学习中，注重实际问题的分析探究，对于激发学生学习兴趣，拓宽知识面，提高应用物理知识解决实际问题的能力，树立一切从实际出发的良好作风，都是十分必要的．笔者在教学中开发实验资源，设计实践探究问题，激发了学生的探究欲望，培养了学生的科学探究能力．下面略举几个物理实验探究与探究式教学有效整合的案例，以求抛砖引玉．

案例一：对自然休止角的探究

（1）创设情境 引出问题

在工程技术中，修建铁路、公路的路堤和路堑时，允许的边坡倾角最大值叫做“自然休止角”，如图1所示．如果边坡倾角超过自然休止角，则会导致路基不稳，若最大静摩擦力等于滑动摩擦力，自然休止角与土壤颗粒之间的动摩擦因数有没有关系？若有关，存在什么样的关系呢？

图1

（2）学生积极思考 分析猜想

异口同声地回答：没有关系．到底是不是大家猜想的情景呢？

（3）引导设计实验 实施自主探究

取一块长木板、一个小木块和一块橡皮，要测定木块和木板间、橡皮和木板间的动摩擦因数．提供刻度尺，弹簧测力计等器材，应该怎样完成这个实验？

（4）学生思考讨论 积极回答

有些学生回答：首先用弹簧测力计测出小木块的重力，然后在水平放置的长木板上用弹簧测力计勾着小木块缓慢水平拉动，观察弹簧测力计的示数，最后用拉力除以小木块的重力，即可求出动摩擦因数．

另一些学生回答：把小木块放在长木板上，将木板一端逐渐抬高，当小木块刚开始滑动时，测出小木块初始位置至长木板底端点连线在水平桌面上投影的长度和初始位置时小木块离水平面的高度，则动摩擦因数就等于该高度与投影长度的比值，如图2所示．

图2

（5）教师点拨 启迪思维

这两种方案都可行，说明大家很有创造的天赋．但在研究“自然休止角”方面，用哪种较方便呢？对！有的学生猜到了：第二种方案，因为其误差小一些．

（6）引申分析 启迪思考

在第二种方案中分别测出刚开始滑动时小木块至长木板底端点该线段在水平桌面上投影的长度l和小木块离水平面的高度h，由于使小木块沿斜面方向运动的分力等于G sinθ，其中G为小木块的重力，θ为木板与水平面间的夹角；而小木块与木板间最大静摩擦力约等于刚启动时的滑动摩擦力，即f＝μG cosθ，μ为待求的动摩擦因数，小木块刚启动可近似看作缓慢匀速运动，则

由此可得动摩擦因数

刚才探究的路堤边坡的“自然休止角”也可以用类似方法求得．只要把路堤边坡看作一个斜面，取斜面上的一土壤颗粒为研究对象即可．测得所研究土壤颗粒到边坡底角尖的长度，再用直尺和三角板测出土壤颗粒离地面的高度h，然后计算出土壤颗粒至边坡底角尖的线段在水平面上投影的长度l，最后得出自然休止角与土壤颗粒之间的动摩擦因数的关系，即

运用这种方法也可以解释日常生活中，达到最大高度的沙堆为什么都是相同的形状？因其圆锥母线与地面间的夹角都基本达到了自然休止角，而自然休止角仅与沙粒之间的动摩擦因数有关，而沙粒与沙粒之间的动摩擦因数相同，所以沙堆达到最高时都呈现相同的形状，如图3所示．

图3

点评：根据生活经验的主观猜想，往往是不可靠的，需要通过实践来检验．实验探究能够给学生提供实践的机会，从而培养学生较强的观察能力、动手能力、分析综合能力、团结协作能力和自主创新能力．

案例二：对“天女散花”的奇特现象探究

（1）创设情境 设计实验 引出问题

准备一只新的保鲜袋，干燥洁净的泡沫板和手帕各一块，一只带有绝缘柄的金属盘，少许轻薄的纸屑．把保鲜袋套在泡沫塑料板外，用手帕摩擦保鲜袋使薄膜带电．另外把小纸屑放在金属盘上，一只手接触金属盘的上表面，另一只手持绝缘柄将金属盘置于塑料袋上．然后将接触金属盘的手指移开，另一只手持绝缘柄迅速将金属盘提起，如图4所示．请大家猜想一下：会发生什么现象呢？（实验前，各用具最好在阳光下晒干燥）

图4

（2）学生积极思考 分析猜想

众说纷纭，莫衷一是．部分学生认为不会有什么现象发生；有些认为可能有．

（3）家庭实验 实施探究

学生分别从家中找来器材，实施自主探究，多做几次以得出一般规律．

（4）实验探究结果 出乎意料

绝大多数学生惊奇地观察到：金属盘上的小纸屑向上和四周飞散开来，犹如天女散花；少数学生没有得到这一奇特现象．

注意：实验现象有戏剧性效果的关键是所有器具都要干燥和洁净．另外，纸屑宜轻小，最好用日光灯的废旧启辉器中很薄的电容器层间纸剪成（或用很薄的锡箔纸）．

与猜想结果不相符合，激发起学生更加强烈的好奇心和探究欲望，为什么是这样的呢？

（5）层层设疑 激发想象

1）为什么金属盘放在塑料袋上时，纸屑不会飞起来，而等到金属盘被提起时纸屑才散开？

2）金属盘放在塑料袋上时纸屑没飞起来，而等到金属盘被提起时纸屑才散开，使纸屑散开的能量哪里来的呢？你能从能量角度来解释这个实验现象吗？

（6）引导分析 启迪思维

1）该奇特的探究实验现象可从电荷间相互作用的角度来解释．研究表明，手帕摩擦塑料袋，塑料袋通常带上负电．将带有绝缘柄的金属盘覆盖在带电的塑料膜上（金属盘与塑料膜间不可避免地存在空隙），如果不用手接触金属盘上表面，金属盘下表面出现感应正电荷，则上表面出现感应负电荷，如图5（a）所示．手指接触一下金属盘上表面，负电荷便通过手指传给大地，如图5（b）所示．然后将接触金属盘的手指移开，另一只手持绝缘柄迅速将金属盘提起，电荷顿时重新分布，如图5（c）所示．这时，纸屑带上了同号电荷——正电荷，由于纸屑与金属盘电荷间的相互作用和纸屑与纸屑电荷间的相互作用，因此金属盘上的小纸屑向上和四周飞散开来．

图5

2）手帕摩擦塑料袋，塑料袋带负电荷．金属盘下表面出现感应正电荷，金属盘与塑料袋之间便形成一个平行板电容器．此时一只手接触金属盘的上表面，使其上表面接地，其电势为零，静电场局限于刚才所形成的平行板电容器之间．由于两板间的间距d很小，所以电容量C很大．又因为极板上电荷量Q一定，所以电势差较小．当将接触金属盘的手指移开，另一只手持绝缘柄迅速将金属盘提起时，d增大，电容量C减小，而此时极板上电荷量Q保持不变，故两板间电势差U增大，金属盘电势由零变为正，它与地之间有了较大的电势差，金属盘上的带电纸屑便在电场力的作用下运动．金属盘与地之间电场能的获得是以人手抬起金属盘克服塑料板施加的电场力做功为代价的．纸屑运动所获得的动能则是以金属盘与地之间的电场能的减小为代价的，毕竟纸屑在飞离的同时带走了金属盘上的电荷．

点评：这个实验非常有趣，可以培养学生较强的观察能力、分析综合能力．在玩中学，在愉快中感悟，在浓厚的兴趣中提升，实施自主探究，亲身感受，将使物理学变得更加亲切．

案例三：对小球大球落地反弹奇异现象的探究

（1）创设情境 引出问题

把一个充满气的小皮球放在一个充满气的篮球的正上方（图6），从某一高度处自由下落，撞在硬质水平地面上，它们反弹的高度差不多一样高吗？

图6

（2）学生积极思考 分析猜想

异口同声地回答：它们反弹的高度差不多一样高，因为两球开始时在一起，释放后都做自由落体运动，处于完全失重状态，仍在一起，反弹后当然还在一起，故反弹的高度差不多一样高．究竟是不是这样呢？

（3）家庭实验 实施探究

学生分别找来充满气的小皮球和篮球，双手从侧面捏住，使它们处于小皮球在上、篮球在下的竖直接触状态，然后同时释放，让它们撞在硬质水平地面上，测出两球弹起高度，实施自主探究，多做几次以得出一般规律．

（4）实验探究结果 出乎意料

两球弹起高度大不相同，出现小皮球反弹高度比篮球反弹高度大许多的现象．

与猜想结果不相符合，激发起学生更加强烈的好奇心和探究欲望：为什么是这样的呢？

（5）引导分析 启迪创新思维

这个问题比较复杂．先通过一个简单的模型类比一下．

假设在光滑的水平面上有两个大小相同的刚性小球，质量分别为m1和m2，以v1和v2的速度运动并发生弹性正碰，碰后速度分别为v1′和v2′．根据动量守恒定律，列出下列方程

m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′（1）又由于在碰撞过程中系统没有机械能损失，即碰前的总动能等于碰后的总动能

由式（1）得

由式（2）得

即

式（4）除以式（3），得

即

式（5）的物理含义是：两球弹性正碰前的相对速度和碰撞后的相对速度大小相等，方向相反．

利用上述结论可以解释本实验现象：设两球下落高度均为h，忽略空气阻力的影响．篮球着地前的瞬时速度是v．在瞬间内，篮球与地面碰撞并改变速度方向．为了简化讨论，认为地面近似是刚性面，即充满气的篮球与地面碰撞后反弹的速度大小为，此时小皮球速度大小也为2g槡h，但方向竖直向下，所以小皮球与篮球相向碰撞，碰前相对篮球的速度大小是2 槡2gh，方向竖直向下．两充满气的球的碰撞也可以近似看作完全弹性碰撞，由式（5）可知：碰后小皮球相对篮球的速度大小仍为，只不过方向相反，变为竖直向上．在篮球与小皮球的碰撞过程中，因为篮球质量比小皮球质量大得多，所以可近似认为篮球在碰后速度不变，仍为实际上篮球碰后速度略有减小），那么小皮球相对地面的速度就变为3 槡2gh．根据运动学公式可求出小皮球反弹的高度H＝9h，故出现小皮球反弹高度比篮球大许多的现象．

点评：联系生活实践的问题往往是学生特别感兴趣的问题，能激发起学生更加强烈的好奇心和求知欲．通过对问题的自主探究，可以使学生品尝探究的乐趣，从而激发学生对物理学的热爱，使他们情趣盎然地投入到物理学科的探究学习中去，更有利于学生素质的全面提高．

没有探究，就没有科学．如果学生初接触探究性课题，探究性学习可在教师指导下进行；如果学生多次做探究性课题，探究性学习可由学生自己设计完成，更好地激发学生自主学习能力，启迪创新思维．

总之，教师在教学过程中要深挖教材中的探究性因素，开发实验探究资源，精心设计或启发学生设计新的探究方案，尽最大可能给学生提供必要的科学探究机会，让学生自主思维、动手实验、社会调查、查阅文献等，体验探究过程的曲折和乐趣，发展科学探究能力．教育改革呼唤更多具有创新思维的教师，以更好地激发学生探究科学的热情，增强他们的创新意识．

1 人民教育出版社物理室．普通高中课程标准（实验）教科书·物理．北京：人民教育出版社，2007

2 漆安慎，杜婵英．力学基础．北京：高等教育出版社，1991

3 梁灿斌，秦光戎，梁竹健．电磁学．北京：高等教育出版社，1993