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培养思辨能力提升核心素养

发表时间：2020/12/23 来源：《中小学教育》2020年12月3期作者：陈燕

[导读] 科学思维是物理核心素养中的重要内容，学生在学习物理的过程中只有不断地思辨才能培养科学思维，进而提升核心素养。以“探究动能的影响因素”实验为例，文中主要分析该实验中值得思辨的几个问题，让学生感悟到教材中演示实验背后的深意。

陈燕苏州高新区第一初级中学校江苏苏州 215009
【摘要】科学思维是物理核心素养中的重要内容，学生在学习物理的过程中只有不断地思辨才能培养科学思维，进而提升核心素养。以“探究动能的影响因素”实验为例，文中主要分析该实验中值得思辨的几个问题，让学生感悟到教材中演示实验背后的深意。
【关键词】思辨；动能；质量；速度；核心素养
中图分类号：G652.2 文献标识码：A 文章编号：ISSN1001-2982 （2020）12-172-02

        思辨能力是指分析、推理、判断等思维活动以及对事物的情况、类别、事理等的辨别分析的能力。科学思维作为物理核心素养的四大板块之一，是学生在接受物理教育过程中逐步形成的关键能力。科学思维所需要学生必备的科学推理、质疑创新等思维能力，正是在学生不断思辨的过程中逐渐培养出来的。初中阶段是学生从形象思维向逻辑思维转化的关键时期，培养好学生的思辨能力，对提升其物理核心素养，起着至关重要的作用。特别是在物理实验的教学中，物理实验的多变性，更是培养学生思辨能力的良好时机。“探究动能的影响因素”实验是苏科版物理教材中的简单实验，但若细细品味，就能体会出简单中透着不简单。
        1 实验方法
        1.1 研究动能与速度的关系
        让同一个小球分别从斜面的不同高度处静止释放，小球撞击放在水平面上同一位置处的纸盒，比较纸盒被推动的距离（如图1）。多次实验后，我们可以发现：当球从更高处下落时，小球到达水平面时的初速度越大，小球与纸盒撞击时，传递给纸盒的能量就越多，纸盒被推得更远。从而得出结论：当小球的质量相同时，小球的速度越大，小球的动能越大。
        1.2研究动能与质量的关系
        让两个质量不等的小球分别从斜面同一高度处静止释放，小球撞击放在水平面上同一位置处的纸盒，比较纸盒被推动的距离（如图2）。多次实验后，我们可以发现：两个质量不等的小球从同一高度下落时，小球到达水平面时的初速度相等，质量大的小球与纸盒撞击时，传递给纸盒的能量多，纸盒被推得更远。从而得出结论：当小球的速度相同时，小球的质量越大，小球的动能越大。
        2 思辨过程
        上述两个实验，研究的都是小球的动能。在初中阶段，并没有专门测量小球动能的仪器。所以，这两个实验都用了转换法的思想，将小球的动能转化成纸盒被推动的距离。纸盒被推动得远，那么小球的动能就大。如果学生在学习物理的过程，只是一味接受，没有自我思考，对于学生科学思维的培养很极其不利的。学生要敢于质疑，善于提问。爱因斯坦曾说过：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。”在该实验中，为什么一定要用纸盒被推动的距离来反映小球动能的大小呢？纸盒能不用吗？学生在平日的学习中，要善于思考、辨析问题。
        2.1 思辨问题一
        问题一：能直接用小球在水平面的滚动距离来反映其动能吗？
        当研究“动能与速度的关系”时，当质量相同的小球从不同高度静止滚下时，小球刚到达水平时的速度不同，设此时的动能为Ek。随后，小球将动能转化成内能，最终停下来。将小球看作质点，小球在水平面滚动的过程中，。由于同一小球在水平面所受阻力f相等，若小球的速度大，小球的动能大，最终在水平上的滚动距离s就越长。既然可以用小球滚动的距离来反映小球的动能，为何要多此一举，让小球去撞击纸盒呢？
        再来看研究“动能与质量的关系”的实验，当质量不等的小球从同一高度静止滚下时，小球刚到达水平面时的动能，小球随后克服摩擦力做功，最后动能为0。此过程中，。小球在滚动过程中，其滚动摩擦力也是与对地面的压力成正比的，即（为滚动阻力系数）。又由于压力与小球的重力大小相等，可知s与小球的质量无关。小球到达水平面速度相等时，小球向前滚动的距离也相等。所以，不能利用小球的运动距离来反映小球的动能大小。

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        小球的运动距离只能用以研究“动能与速度的关系”，但不能用来研究“动能与质量的关系”，所以实验增设了一个纸盒。让小球去撞击纸盒，利用纸盒的运动距离反映小球的动能，就可以同时研究两个实验了。
        2.2思辨问题二
        问题二：斜面的阻力会影响对小球动能的探究吗？
        若存在理想情况，斜面是光滑的。小球的重力势能就会全部转化为小球到达水平面时的动能。但现实情况是，斜面肯定是粗糙的，斜面的阻力会影响对小球动能的探究吗？
        小球从斜面某处滚下时，受力情况如图3所示。
        小球到达斜面底部的速度为v，由能量守恒定律可知：
        从上述公式可以看出：小球若从更高处滚下，到达底部的速度更大，小球动能更大。若质量不同的小球从等高处滚下，到达底部的速度仍然相等，质量大的小球动能大。
        若小球看作刚体滚下，则小球所受的静摩擦力，小球到达底部动能为：[1]。同样也可以分析出上述结论。
        由此，我们发现斜面的阻力不会影响对小球动能的探究。
        2.3思辨问题三
        问题三：能用弹簧替代斜面吗？
        将小球从斜面的不同高度处滚下可以改变小球的速度。用压缩弹簧的方法，当小球离开弹簧时也可以获得不同的速度。那么能用弹簧替代斜面吗？(如图4)
        O点是弹簧的原长位置，用小球压缩弹簧至A点处，随后放手，小球运动至O点时的速度为v。
        当研究“动能与速度的关系”时，需将弹簧压缩不同的程度。弹簧的压缩量越大，弹簧的弹性势能就越大，小球到达O点时的速度就越大。此处O点就相当于斜面与水平面的交界处。之后，小球的运动与图1中小球在水平面上的运动情况相似。所以，用弹簧替代斜面能探究“动能与速度的关系”。
        若用弹簧替代斜面后，继续研究“动能与质量的关系”。用两个质量不同的球压缩弹簧，若能使小球到达O处时具有相同的速度就可以探究该实验了。实验中，需如何操作才能使小球到达O处的速度相同呢？小球从A处到达O的过程中，质量大的小球所受摩擦力也大，到达O处的动能也大，也就意味着弹簧需要压缩的程度更大，具体的弹簧压缩量不得而知。所以，用弹簧替代斜面后，不能探究“动能与质量的关系”。
        综合两个实验的分析过程可知，用弹簧替代斜面也不能全面地研究两个实验，不是最佳方案。
        3 结束语
        从小实验中见大道理，对细节进行深入思考，学生的思辨意识才能逐步提升。培养思辨意识，提高核心素养，不是一朝一夕的事情。在思辨的过程中，教师作为课堂的领路人，可从以下几个方面引导学生深入思考：（1）要测量某物理量，是否有更简单的实验方法？有没有直接测量该物理量的器材？若有这样的直接测量的器材，为何不直接测量，何以要用别的现象来间接反映？（2）实验条件的变化是否会影响本实验的结果？（3）能否变换实验的器材，是否一定要用教材中给定的器材？能否替换成能更好地反映实验现象的器材？
        不放过任何一个思辨的机会，学生对物理实验的理解才能更通透。初中的每一个演示实验、学生分组实验都值得学生去深入思考实验背后蕴含的道理。学生要善于变换实验器材、实验条件，思辨整个实验过程。只有长期不懈地努力思考、深入挖掘，学生的思维才能从“被动接受”到“主动思辨”。如果学生在学习物理的过程中养成了主动思辨的意识，就能逐渐提升自身的核心素养。
参考文献
[1]何述平．伽利略斜面实验的分析[C]．物理及其应用（科技学术论文集），北京：原子能出版社，2006：174～177．
[2]漆安慎、杜婵英．普通物理学教程 ∙ 力学基础[M]．北京：高等教育出版社,1997:216-221.
[3]刘德华．关于滚动摩擦问题的研究[J]．中学物理，2004(12):25-26.