摘要：高中物理探究性實(shí)驗(yàn)是物理課程和學(xué)習(xí)不可缺少的組成部分。本文以高中物理探究性實(shí)驗(yàn)——“傾斜傳送帶”模型實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)其學(xué)習(xí)模式步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，并構(gòu)建了相應(yīng)的學(xué)習(xí)方法。

關(guān)鍵詞：高中物理;探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);學(xué)習(xí)方法;設(shè)計(jì)原則

一、探究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則

1.可探性原則。物理探究性實(shí)驗(yàn)對(duì)可探究性因素或物理規(guī)律進(jìn)行深度研究，其選題、難度、內(nèi)容既不受考試壓力的限制，也不可超出同學(xué)們的理解水平。

2.參與性原則。全體同學(xué)參與到探究性實(shí)驗(yàn)過程中，可以劃分為不同的小組，形成小組內(nèi)部討論和外部討論兩種交流形式，使控制條件、操作過程、統(tǒng)計(jì)計(jì)算等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的分歧得到充分研究。

3.有效性原則。精選適合探究的物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不拘泥于固定的探究步驟和環(huán)節(jié)，根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)做出具體分析。此外，探究性實(shí)驗(yàn)應(yīng)做到探究與學(xué)習(xí)的平衡，力求對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的主干分析透徹，提升實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在質(zhì)量。

二、探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本步驟

1.初步探究，提出問題與猜想?！皟A斜傳送帶”模型實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是借助已有的實(shí)驗(yàn)器材得到相對(duì)位移、摩擦生熱等結(jié)論，教材將“物塊”假設(shè)為具有一定質(zhì)量的物體，而不再考慮現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作的問題。高中物理實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有傳送帶實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其平臺(tái)裝置能夠轉(zhuǎn)變方向、傾角和速度，且在傳送帶上加裝了傳感器，記錄物塊通過的時(shí)刻。

提出問題1：傾斜傳送帶遵循“牛頓第二定律”原理，其摩擦力大小與接觸面粗糙程度、壓力相關(guān)，那么，在實(shí)驗(yàn)中是否還存在影響摩擦力大小的其他因素？

猜想與假設(shè)1：除粗糙程度、壓力外，根據(jù)壓強(qiáng)中“增大接觸面積可減小壓強(qiáng)”，探究滑動(dòng)摩擦力大小是否與接觸面積成反比。

提出問題2：傾斜傳送帶的動(dòng)摩擦因數(shù)與tanθ的關(guān)系是否影響到物體的運(yùn)動(dòng)過程，是否與理論分析一致？

猜想與假設(shè)2：通過改變傳送帶角度改變動(dòng)摩擦因數(shù)與tanθ的大小關(guān)系，從而探究出動(dòng)摩擦因數(shù)與tanθ大小關(guān)系對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。

2.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。在提出問題、猜想與假設(shè)后，圍繞探究?jī)?nèi)容開展探究性實(shí)驗(yàn)，完成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)兩部分內(nèi)容。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)1：彈簧測(cè)力計(jì)能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)出物體間存在的滑動(dòng)摩擦力。在探究性實(shí)驗(yàn)中，將彈簧測(cè)力計(jì)的一端固定到傳送帶平臺(tái)上，且這一端不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，另一端拉住物塊，使物塊與彈簧測(cè)力計(jì)保持在同一條水平線上。按照以上的操作方式，更換彈簧測(cè)力計(jì)一端的物塊，使物塊質(zhì)量不變，只改變物塊與傳送帶的接觸面積。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)2：選定實(shí)驗(yàn)常用的物塊，僅改變對(duì)照組傳送帶的傾角，以不同的傾角開展對(duì)比性實(shí)驗(yàn)，得到動(dòng)摩擦因數(shù)與tanθ的關(guān)系。每次實(shí)驗(yàn)都將物塊以零速度放置于傳送帶一端，并將光傳感器固定在傳送帶上，以物體通過遮光片的時(shí)刻記錄時(shí)間，并由tracker軟件推導(dǎo)出物塊的速度，形成物塊的速度時(shí)間圖像和位移時(shí)間圖像，其結(jié)果用于同學(xué)們判斷傾角與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系。

進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)：按照僅改變單一變量的原則，嚴(yán)格進(jìn)行兩大問題的探究實(shí)驗(yàn)。一方面注意操作細(xì)節(jié)，最大程度地保障傳送帶平臺(tái)的穩(wěn)定性，減少人為操作對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響;另一方面規(guī)范實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，確保能夠掌握探究實(shí)驗(yàn)的目的、過程、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，提升實(shí)驗(yàn)的有效性。

3.分析與論證實(shí)驗(yàn)。

分析與論證1：彈簧測(cè)力計(jì)在靜止物塊放上運(yùn)動(dòng)傳送帶后，先出現(xiàn)快速的彈簧拉伸現(xiàn)象，而后穩(wěn)定在相對(duì)固定的最大數(shù)值。通過采用實(shí)驗(yàn)室提供的等質(zhì)量?jī)煞N接觸面積的物塊，記錄彈簧測(cè)力計(jì)的最大拉伸數(shù)值。經(jīng)過多組同學(xué)的同條件實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩種不同接觸面積物塊的最大拉伸值穩(wěn)定在0.4 N。由此，探究性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在傳送帶上物體間的摩擦力大小與接觸面積無關(guān)。

分析與論證2：結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)室提供的參考性信息，當(dāng)傳送帶傾角為45°時(shí)，動(dòng)摩擦因數(shù)與tanθ數(shù)值相等，考慮到實(shí)際操作存在一定的磨損。為此，探究性實(shí)驗(yàn)記錄了在30°、44°、46°、60°四種傾角下的速度變化結(jié)果。通過獲取的時(shí)刻數(shù)據(jù)，并基于tracker軟件處理出物塊的位移 時(shí)間圖像和速度 時(shí)間圖像。經(jīng)過對(duì)比分析，在傾角為30°時(shí)，物塊的位移時(shí)間圖像增長(zhǎng)先緩慢后穩(wěn)定，先弧線后直線，其速度時(shí)間圖像先增長(zhǎng)而后達(dá)到傳送帶速度保持穩(wěn)定;在傾角為44°、46°時(shí)，完成相同位移的時(shí)間縮短，而曲線形狀沒有較大改變，其速度時(shí)間圖像達(dá)到傳送帶速度的時(shí)間有所縮短;在傾角為60°時(shí)，物塊的位移 時(shí)間圖像整體呈曲線，后期曲線斜率增大，其速度時(shí)間圖像中速度不斷增加，且分為兩段，前端加速快，后端加速慢。由此，探究實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傾斜傳送帶的動(dòng)摩擦因數(shù)與tanθ的關(guān)系決定著物塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

三、探究性實(shí)驗(yàn)過程中的學(xué)習(xí)方法

以上探究性實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)合理地將探究實(shí)驗(yàn)的基本步驟融人其中，同學(xué)們明確了探究目的、方式、過程和分析等內(nèi)容。但僅按照以上學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，往往會(huì)讓同學(xué)們不知所措。因此，還應(yīng)采用一定的學(xué)習(xí)方法進(jìn)行輔助。

1.運(yùn)用DIS平臺(tái)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。DIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以計(jì)算機(jī)、傳感器、實(shí)驗(yàn)計(jì)算軟件、數(shù)據(jù)采集器等為主體的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、分析系統(tǒng)。其優(yōu)勢(shì)在于能夠自動(dòng)采集密集性數(shù)據(jù)并進(jìn)行一定程度的計(jì)算，有效地幫助同學(xué)們完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄工作。比如在探究“猜想與假設(shè)2”時(shí)，可以將傾斜傳送帶平臺(tái)的光感應(yīng)器與DIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相連，通過數(shù)據(jù)采集器將感應(yīng)器信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛涗洉r(shí)間的信號(hào)，并展示在計(jì)算機(jī)屏幕上。

2.結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，量化不同物理量關(guān)系。在“猜測(cè)與假設(shè)2”中，同學(xué)們能夠從DIS平臺(tái)直接獲取物塊的位移 時(shí)間圖像和速度時(shí)間圖像，但圖像與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的直接聯(lián)系還未建立起來。首先，分析實(shí)驗(yàn)圖像的斜率，在位移時(shí)間圖像上獲取多個(gè)時(shí)刻的速度，將整秒時(shí)刻的速度進(jìn)行量化;在速度時(shí)間圖像上獲取多個(gè)時(shí)刻的加速度，比較整秒時(shí)刻的加速度。然后，將獲取的“速度”“加速度”兩個(gè)物理量進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，使物塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)得以清晰地表達(dá)。最后，采用人工制圖的方式，將物塊和傳送帶的速度時(shí)間關(guān)系繪制在一張圖上，通過兩者在圖像上的面積差，得出物塊與傳送帶的相對(duì)位移。通過以上的數(shù)據(jù)處理，物理量之間的關(guān)系得以量化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與運(yùn)動(dòng)過程相互印證，使同學(xué)們的探究和理解水平得以提升。

3.運(yùn)用實(shí)驗(yàn)結(jié)論，推導(dǎo)抽象模型。“牛頓第二定律”是力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的理論基礎(chǔ)，探究性實(shí)驗(yàn)應(yīng)結(jié)合一定數(shù)量的對(duì)照實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)論，推導(dǎo)出抽象模型，使探究性實(shí)驗(yàn)的結(jié)論具有普遍意義。

四、總結(jié)

高中物理的探究性實(shí)驗(yàn)，不僅應(yīng)做好探究實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，還應(yīng)結(jié)合教材理論，運(yùn)用一定的學(xué)習(xí)方法進(jìn)行深層次學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

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作者單位：廣東湛江經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第一中學(xué)