安徽省庐江县龙桥镇初级中学(231551) 刘信生

科学思维是物理核心素养的重要内容，《义务教育物理课程标准(2011年版)》中这样论述：“科学思维就是从物理学角度对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式。是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用。”针对认识规律从形象思维向抽象思维过渡时期的初中学生而言，如何在物理课堂教学中培养学生的科学思维能力是一个重要课题。笔者结合惯性知识和物体运动的相对性原理，自制惯性演示仪，构建模型探究“飞机投掷炸弹”实验，在教学过程中遵循“提出问题——创设情境——自主探究——总结反思——应用迁移”的教学策略，如图1所示，实现思维转变。

1 在提出问题中启发学生思维

初中物理教学中常会遇到如图2所示的飞机投掷炸弹模型的练习题。

题目：有一架飞机沿水平方向向左做匀速直线运动，每隔1 s从飞机上轻轻释放1小球，若不考虑空气阻力和风力的影响，当3个小球落至地面前，站在地上的人看到这3个小球在空中的排列情况应该是( )。

笔者在检查学生答案时发现答案五花八门，学生很难弄清其中原理。分析其原因，学生受前概念的影响，没有考虑到物体的惯性特点，那么，如何通过实验来探究这一类问题启发学生,培养科学思维呢？

2 模拟情境,建构模型

科学模型是指人们按照科学研究的特定目的，在一定的假设条件下，用物质形式或思维形式再现原型客体的某种本质特征。针对在飞机上投弹的“原型”我们课堂上无法呈现，笔者和学生们源自生活，抓住“原型”本质性和关键性的特征，化繁为简，化难为易，自制1台惯性演示仪，尽可能地模仿“原型”。“再现”飞机投弹的物理过程，让学生在探究实验中发现规律，与前概念发生冲突和碰撞，然后以收获的经验作为新知识的生长点，触类旁通，实现知识的迁移。

师生共同努力，利用生活中的物品，经设计、加工组装制成惯性演示仪，模拟探究“飞机投掷炸弹”物理过程,如图3所示。

2.1 演示仪组成部件及制作

(1)投掷器：直径20 mm、长300 mm亚克力管、上端由固定在木质支架上的铁夹子夹紧，下端穿过带孔的木质横梁，使管子固定在竖直方向。

(2)木质支架：高约1.5 m的木质支架上端用M6×20大扁头自攻螺丝将十字木条固定，下端用电钻打两孔，再用M6×30不锈钢源头螺丝螺母平垫片组合两套，竖直固定在平板小车上的十字木工板上。

(3)控制器：用锯子将亚克力管下端锯开一半，用薄亚克力片做成小叶片机关，用棉线绕过小滑轮，最后固定在小车的横杆上。

(4)触发器：用铁架台横向固定一长50 cm的木条尺。

(5)用棉线做成重锤线1枚。

(6)接收器：将3个易拉罐的上部去掉，制成3个容器，用胶棒枪将它们粘在一起。

(7)平板小车：1块厚50 mm、长×宽800 mm×300 mm免漆木工板和2块200 mm×200 mm免漆木工板组成十字架，用自攻螺丝固定好，再用型号6207低速普通轴承胶盖做成轮子。

(8)拉线装置：风筝收线轮一副改制而成。

(9)小叶片机关：叶片抽出，玻璃球自然下落。

(10)小车平台：200 mm×200 mm×50 mm免漆板用自攻螺丝固定在小车上，可以随时拆卸。

2.2 演示仪工作原理

实验时，调节亚克力管外的重锤线，将易拉罐放在重锤线下端小车平台上；将小叶片机关插入亚克力管中，再放入1枚玻璃球，使控制器的棉线拉紧。在平地上用拉线装置拉动整个装置运动，当触发器用力阻挡控制器的棉线，此时棉线将小叶片机关拉离亚克力管，玻璃球从亚克力管内落下。

3 自主探究，科学推理

3.1 探究“飞机投掷炮弹”轰炸地面目标的实验

(1)将惯性演示仪拉到塑胶跑道上，装配好小叶片机关和控制器，先向亚克力管中投放1枚玻璃球，让学生用风筝线轴沿跑道的白线匀速缓慢地拉动装置，在控制器的正前方放置触发器。一旦两者接触受力，小叶片机关打开，亚克力管中的玻璃球下落，在小球的落地点用直尺做上标记,如图4所示。

(2)整理好装置，在亚克力管里放入玻璃球，固定好触发器的位置不变，让装置仍从步骤(1)的起点以较快速度通过触发器，再记下玻璃球下落的位置。

(3)快速拉动装置，重复步骤(1)实验，记录结果,如图5所示。

通过实验分析得出：运动的玻璃球在下落的过程中由于惯性，仍然具有和装置相同的速度向前匀速运动，在重力作用下沿竖直方向做自由落体运动，即平抛运动，可见在飞机上投掷炸弹时必须在未到达目标正上方就要投掷，飞机飞行速度越快，提前投掷的时间就越长。

3.2 探究“飞机连续投弹”的情境实验

如图6所示，将小车平台用自攻螺丝固定在平板小车上，在平台上并排放置3个易拉罐容器(调节重锤线，使中间易拉罐在亚克力管正下方)，为了增大各玻璃球下落的时间间隔，在亚克力管里的玻璃球间放上彩色海绵条。实验前，提问学生：匀速拉动装置过程中，若4个玻璃球鱼贯下落，会落到哪一个或几个易拉罐容器中？学生纷纷讨论开来，学生答案多种多样，接着师生共同验证学生的猜想。

将装有4个玻璃球的装置拉至塑胶跑道的白漆线上，再在正前方放置触发器，重复3.1实验中的步骤(1)，观察玻璃球下落在哪个位置的易拉罐。再改变拉动装置的速度，重复实验，比较结果。

学生发现4个玻璃球始终落入亚克力管正下方的易拉罐容器内，与装置运动的速度无关。

拿走所有的易拉罐，在亚克力管正下方的小车平台上放置一个比易拉罐更细长的塑料量筒，重复以上实验，发现玻璃球有时候会落在量筒外部，这时，教师提问：玻璃球为什么没有全部落入量筒内？学生们想了想，找到问题的答案：由于塑胶跑道凹凸不平，导致亚克力管在运动中轻微的摆动才造成这样的结果，大家齐声建议到铺有地砖的教室里完成实验，果然实验效果更佳。

3.3 理论分析，评价释疑

之所以运动的玻璃球全部落入亚克力管正下方的容器(易拉罐或塑料量筒)内，是由于惯性原因，下落的玻璃球与整个装置(包括小车平台上的容器)在水平方向做匀速运动，也随装置一道运动。因此，玻璃球在落地前一定排列在同一条竖直线上,如图7所示。

4 类比推理，应用迁移

通过师生合作交流、探究实验，终于弄明白了“飞机投掷炸弹”类的物理问题，根据惯性和运动的相对性原理，当飞机匀速飞行，观察者在飞机上(如飞行员)，以飞机为参照物，投出的炸弹就是自由落体运动，当然是上下竖直线地排成一串。

若以大地为参照物，飞机在水平方向匀速向前，炸弹离开飞机后(落地前)由于惯性，仍具有与飞机相同的水平速度，根据运动的相对性原理，炸弹在竖直方向是自由落体，但在水平方向和飞机保持同样速度前进，所以炸弹一直在飞机的正下方。这样就能很快得出习题中的答案为B。

5 结束语

初中物理教学中，根据物理模型自制简单教具，能很好地解决一些抽象、难懂的问题。“模型的运用和建构，培养学生逐步从具体到抽象的过渡，从想象思维向逻辑思维的转换”这正是我们创新实验所要达到的目的。当然，我们的自制模型仍有改进的空间，探究过程中的不确定因素如风速、路面的平整度等给实验结果的得出带来了难度。克服这些不利因素，一旦实验探究取得成功，像这一类的物理问题也就迎刃而解了。