馮思宇

摘 要：不同探究水平的學生對開放性較高的原始物理問題所能達到的探究程度不同，由此本文提出分層次探究的想法，基于學生探究能力發(fā)展的特點，將探究分為3類，即基礎性水平探究、提高性水平探究、綜合性水平探究，并以IYPY賽題“射流與薄膜”為例進行分析。

關鍵詞：原始物理問題；分層次探究；“射流與薄膜”

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）2-0012-5

1 基于探究能力發(fā)展的探究水平分層

對于一道開放程度較高的物理原始問題，初中、高中乃至大學的學生都可以展開自己相應層面上的探究。然而，對于不同層次的學生來說，由于他們在認知水平、物理知識儲備以及探究水平等方面的差異，他們對該類問題在物理探究過程中所能達到的物理層面是不同的。為了更好地培養(yǎng)各層次學生的探究能力，根據(jù)學生探究能力發(fā)展的特點，筆者提出探究水平分層，即基礎性水平、提高性水平、綜合性水平（見表1）。此水平分層有助于各水平的學生展開相應層面的探究，使得各個水平的學生都能學有所得。探究水平在原有基礎上有所提高，在探究達到一定水平之后，轉(zhuǎn)而進行下一層次的探究。

2 “射流與薄膜”分層次探究的案例分析

題目選自2013年IYPT賽題的第五題[1]：一束細液流影響著一個肥皂膜。改變相關參數(shù)，射流有可能穿過薄膜也有可能與它合并而形成有趣的形狀。解釋并探究這個作用以及那些產(chǎn)生的形狀。

以下根據(jù)不同探究水平對這個問題進行分層次探究。

2.1 基礎性水平探究

2.1.1 問題分析

拿到題目，首先找出題目的關鍵詞，主要有：改變相關參數(shù)、解釋并探究、作用、形狀。對于基礎性水平的學生來說，要先找到相關參數(shù)，然后觀察不同參數(shù)影響下薄膜的形狀變化。而對于解釋探究這個作用，由于物理知識儲備的限制（涉及流體力學），可以不作要求。

2.1.2 初步分析，提出猜想

為了能夠更好地理解題目，可以先進行一個初步實驗，通過對射流入射到薄膜上形成不同形狀的觀察，學生提出可能的影響因素。由于學生的物理知識儲備相對較少，大多數(shù)學生能夠通過實驗提出入射角度這個影響因素，少部分學生能夠提出入射速度及入射半徑對薄膜形狀的影響。

2.1.3 實驗設計、現(xiàn)象觀察

以大多數(shù)學生能夠想到的入射角度對射流的影響為例，在這邊要用到控制變量法，即保持其他因素不變的情況下，改變?nèi)肷浣嵌?，來觀察薄膜的形狀變化。

對于實驗方案的設計，由于要探究的是射流入射時薄膜的形狀變化，很多學生會簡單地讓一個同學用手拿著帶有肥皂薄膜的鋼圈，而另一個同學用注射器往薄膜上噴射射流，并不斷改變噴射角度。這樣的方案雖然在實驗原理上并無不妥，但是在實驗的具體操作上將會出現(xiàn)問題。一方面，用手拿著鋼圈，會對鋼圈造成較大的擾動，使薄膜不穩(wěn)定且易破，另一方面用手拿著注射器改變角度也會存在很大誤差。此時，學生之間可以相互探討，比較不同方案的優(yōu)劣。最終，學生們決定將鋼圈和注射器分別固定在兩個鐵架臺上（注射器可360 °旋轉(zhuǎn)），保證薄膜的穩(wěn)定以及角度旋轉(zhuǎn)的精確性。由此，學生也體會到在設計實驗時不但要考慮到實驗原理是否正確，還要考慮所設計的方案是否可行。

2.1.4 數(shù)據(jù)處理

在完成實驗后，學生自主設計表格，統(tǒng)計不同入射角度（定性：較小、中等、較大）下薄膜的形狀。

2.1.5 得出結(jié)論

學生根據(jù)觀察到的實驗現(xiàn)象進行討論并總結(jié)出結(jié)論：薄膜的形狀與入射角度有關。隨著入射角度的增大，形狀變化依次為：射流穿過薄膜、射流與薄膜合并呈現(xiàn)波浪狀、射流從薄膜上反彈。

2.2 提高性水平探究

2.2.1 問題分析、文獻查閱

對于提高性水平的學生來說，他們具備一定的物理知識儲備和科學探究能力，在讀題之后，絕大多數(shù)學生能夠根據(jù)自己的知識積累和日常經(jīng)驗提出入射角度、入射速度以及入射半徑這3個影響因素，還有學生提出射流距離薄膜的高度以及薄膜的表面張力系數(shù)等影響因素。而題目涉及的流體力學，學生雖然有一定基礎，但還不夠深入，需要結(jié)合題目內(nèi)容查閱相關文獻，對該問題所涉及的流體力學方面的一些概念、原理進行深入理解和掌握。

2.2.2 理論分析、建立模型、排除無關因素

由于學生提出的因素較多，但這些因素并不一定都是影響因素。此時，可以先進行受力分析，建立模型，理論推導出“薄膜的形狀和哪些因素有關”。學生可以先自己分析，再進行討論，看看其他同學有沒有漏掉什么力，或忽略一些重要的因素。

在分析受力的時候，學生之間產(chǎn)生了分歧：一部分學生考慮了粘滯力的影響；另一部分學生考慮了重力的影響；還有學生兩者都考慮到了；也有學生把這兩個力都忽略掉。此時，大家可以進行討論，闡明自己這樣考慮的原因或者別人的考慮有什么不全面的地方，然后取長補短，完善自己的理論。

經(jīng)過討論，大家總結(jié)得出一個較為全面的理論分析：

分析前提：

1）估算雷諾數(shù)

受力分析（如圖1）：

射流對薄膜的沖力FI=Qvi ρ，

薄膜的表面張力Ff=2γ·2πRi。

射流正好射穿薄膜時有

引入韋伯數(shù)We來描述射流與薄膜的作用效果（韋伯數(shù)為無量綱數(shù)，表示慣性力與表面張力效應之比），We=。

We>？圯射流射穿薄膜，We<？圯射流不能射穿薄膜，即射流與薄膜合并。

由理論分析的結(jié)果可以看出，影響薄膜形狀的因素包括溶液的密度、表面張力系數(shù)、射流的入射半徑、入射速度以及入射角度。

2.2.3 實驗設計

學生根據(jù)理論分析的結(jié)果進行實驗設計，由于薄膜的表面張力系數(shù)對薄膜的形狀有一定影響，因此學生換用不同配比的溶液進行對比實驗。然而，實驗后學生發(fā)現(xiàn)，當溶液配比為“甘油：水：洗潔精=1：1：1”的時候薄膜最不易破，最利于實驗研究，而當其他配比的時候，薄膜都很容易破，不利于實驗研究。此時，大家經(jīng)過商討決定保持薄膜的溶液配比不變，即先不研究溶液的密度以及表面張力系數(shù)對薄膜的影響，而先研究入射半徑、入射速度以及入射角度對薄膜形狀的影響。

最終得到的實驗方案如下：

1）實驗目的：研究入射角度θi以及韋伯數(shù)We對射流與薄膜形狀的影響。通過改變?nèi)肷渌俣葀i，入射半徑Ri來改變韋伯數(shù)We的大小，觀察韋伯數(shù)與“射流與薄膜形狀”的關系。保持韋伯數(shù)We不變，觀察不同角度下射流與薄膜的形狀。

2）實驗裝置：虹吸裝置，利用氣壓差將液體壓出（S針/S液～10-4），通過改變高度來改變?nèi)肷渌俣?，（測量流速方法——試驗法）；采用亞毫米級的點膠針頭，通過改變針頭的規(guī)格來改變?nèi)肷浒霃?；肥皂薄膜，注射器?/p>

2.2.4 實驗數(shù)據(jù)處理

學生自主設計實驗表格，分別統(tǒng)計在入射角一定的情況下，不同入射半徑、速度下的韋伯數(shù)及薄膜形狀，以及韋伯數(shù)不變時不同入射角度下薄膜形狀。

2.2.5 分析論證、得出結(jié)論

學生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)及實驗現(xiàn)象對開始的理論進行分析論證，發(fā)現(xiàn)除了部分數(shù)據(jù)外，其他的數(shù)據(jù)基本滿足理論分析。學生自主對誤差進行分析，最終得出在誤差允許范圍內(nèi)的合理解釋，即實驗結(jié)論。

2.3 綜合性水平探究

2.3.1 問題分析、文獻查閱

這部分學生物理知識儲備豐富，具備較高的物理素養(yǎng)。在問題提出來的同時，很多學生已經(jīng)提出了許多猜想。在進行了初步實驗后，大多數(shù)同學都能提出5到6種影響因素。對于射流入射到薄膜上時薄膜的受力情況，雖然學生在流體力學方面的知識基礎較好，但還需要結(jié)合題目進行文獻的查閱和資料的收集，確定題目相關的研究歷史、研究現(xiàn)狀、研究結(jié)論。

2.3.2 建立模型、理論分析

在提出猜想之后，學生根據(jù)問題建立模型，進行理論分析，由于這部分學生的物理知識儲備相對完善，可以進行進一步的分析。

由流量連續(xù)性方程

這部分理論分析相對于提高性水平的理論分析來說，得到了更為精確的關系式，可以通過對實驗數(shù)據(jù)的精確測量來驗證所提出的理論是否正確。

2.3.3 實驗設計

學生針對理論分析設計相應的實驗方案。

1）實驗目的：

①同提高性水平探究（2.2.3）；

②測量不同角度下射流正好射穿薄膜時的韋伯數(shù)We，將得到的結(jié)果與理論分析的結(jié)果進行比較。

2）實驗裝置：同提高性水平探究（2.2.3）。

2.3.4 實驗數(shù)據(jù)處理、分析

學生自主設計表格，在提高性水平的基礎上另增加對不同角度下薄膜正好射穿時的韋伯數(shù)的統(tǒng)計。還可用Excel或Origin等軟件進行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)以圖的方式呈現(xiàn)出來并將數(shù)據(jù)進行擬合得出近似曲線，并給出近似關系式。再將得出的關系式同理論分析的結(jié)果進行比較。

學生得出的數(shù)據(jù)如下：

圖2中的曲線為理論分析得到的曲線。在數(shù)據(jù)處理之后，學生要對擬合得到的曲線或處理過的圖表等進行分析。圖的每一個部分都有其物理含義，可以將理論曲線與實際數(shù)值點進行比對，將圖的每一部分與其物理含義對應，討論分析結(jié)果。討論后得出結(jié)果如下：

，表示射流穿過薄膜以及與薄膜合并之間的一個臨界狀態(tài)，即射流剛好穿過薄膜的情況。通過實驗數(shù)據(jù)點在圖中的分布可以看出，實驗現(xiàn)象較好地符合了理論分析的結(jié)果。另外，該曲線將圖分成了兩部分：在曲線上方的部分，韋伯數(shù)較大，對應射流穿過薄膜的情況；曲線下方的部分，韋伯數(shù)較小，對應射流與薄膜合并的情況。

2.3.5 誤差分析

學生在理論分析以及實驗操作中涉及到精確數(shù)值的計算以及精確數(shù)據(jù)的測量，由于實驗條件的不足以及操作經(jīng)驗的欠缺，難免會出現(xiàn)誤差。因此，學生需要針對實驗條件（環(huán)境）以及實驗方法對得到的數(shù)據(jù)進行誤差分析。經(jīng)過交流與討論，得到如下的誤差分析：

1）由于實驗現(xiàn)象不穩(wěn)定，測量的臨界狀態(tài)有一定偏差，因此實驗中要多次測量取平均值；

2）理論推導存在較多近似，推導公式與實際情況有一定差距；

3）沒有較精確地測量小角度的儀器，只選取了5個角度進行驗證實驗，存在一定誤差。

2.3.6 得出結(jié)論

學生根據(jù)之前的理論分析以及進行實驗后得到的實驗數(shù)據(jù)及圖表對實驗結(jié)果進行總結(jié)。結(jié)論如下：

1）射流在入射到薄膜上時，薄膜主要受到射流的沖力以及表面張力的作用；

2）射流入射到薄膜上時會產(chǎn)生兩種形態(tài)，一種是射流穿過薄膜，另一種是射流與薄膜合并；

3）射流能否穿過薄膜與韋伯數(shù)以及入射角度有關。韋伯數(shù)越大，入射角度越小時，射流越容易穿過薄膜。具體的分界線如圖2所示，在曲線上方，射流穿過薄膜，在曲線下方，射流與薄膜合并。融合與射穿的臨界條件為We=

3 結(jié) 語

在教學或研究性學習中適當?shù)匾胍恍┪锢碓紗栴}，能激發(fā)學生的探究興趣，使學生更好地投入到物理學習中去。而對原始物理問題進行分層次探究可以使不同探究水平的學生進入適合自己水平的平臺去進行探究，對自己感興趣的、與自己能力相應的問題去探究，有利于拓展學生的實驗研究個性。同時，在探究的過程中，各能力水平的學生可以和與自己水平相近的學生一起討論研究，碰撞出思維的火花，逐步完成設定的探究能力發(fā)展目標，實驗探究能力和創(chuàng)新能力得到有效的發(fā)展。

參考文獻：

[1]IYPT 2013 in Taipei， Taiwan[EB/OL].http：//www.iypt.org/Tournaments/Taipei.

[2]林欽，陳峰.基于探究能力發(fā)展的探究水平研究[J].教育評論，2014（10）：107—110.

（欄目編輯 趙保鋼）