摘 要：科学探究是学习物理观念，发展科学思维，形成科学态度的重要手段和途径。文章以“火车转弯问题”教学为例，探讨了科学探究核心素养在高中物理规律教学中的应用策略。

关键词：核心素养;科学探究;学习体验

中图分类号：G427              文献标识码：A        文章编号：2095-624X（2021）46-0076-03

作者简介：孔丹华（1982.11—），女，浙江省杭州市萧山区第二高级中学，一级教师。

引 言

莱辛曾说：“对真理的追求比对真理的占有更为可贵。”的确如此，学生学习物理规律不应是通过教师的反复讲授和学生的海量刷题来获取的。但是，在平时我们不乏会听到部分教师有这样的抱怨：“我都讲过很多遍了，他们怎么还是出错？和没学一样。”笔者认为，这归因于教师教学立场的偏离。仅仅通过教师“口口相授”，以讲授和练习的次数来强化学生的学习效果，并不能使学生真正理解和领悟物理规律，更别提利用物理规律去解决一些实际问题了[1]。基于此，笔者对“火车转弯问题”这一课题进行了探索和实践，利用科学探究的教学方式进行教学尝试。

一、教学分析

（一）教材分析

“火车转弯问题”是高中物理必修二“圆周运动”的第四节内容。教材选择了与生活紧密联系的火车转弯实例，能引起学生观察和探究的兴趣，增强物理知识与日常生活的联系，进而让学生深入体会物理源于生活、回归于生活的学习理念。通过对“火车转弯问题”的实例分析，能够让学生逐步掌握处理圆周运动的基本方法。教师可以引导学生学会确定火车的运动轨迹、圆心和半径，再结合圆心所在位置对研究对象进行受力分析，找出向心力的来源，从而建立圆周运动和受力之间的联系。

（二）学情分析

“火车转弯问题”是在学生学习圆周运动、向心加速度、向心力以后的一节应用课。此时，学生已掌握圆周运动、向心加速度和向心力等基础知识，但理解不够深入，不能与实际紧密联系。虽然“火车转弯”是我们生活中的常见现象，但是对于当下的中学生而言，他们的生活经验明显不足。生活中见过真实的火车转弯情景的人并不多，仔细观察过火车转弯时火车轮子和铁轨的变化的人更是寥寥无几。

二、教学策略

整节课始终要以学生为主体，教师为主导[2]。教师先引导学生以“铁路工程师”的身份去设计构建火车转弯轨道，并通过DIS实验装置模拟火车在水平轨道转弯的过程。轨道两侧力学传感器所得的数据，可以让学生了解火车在水平弯道时，其向心力的来源，进而使学生明确如果火车轨道是水平的，那么火车轮缘与铁轨将承受多大的伤害。在此基础上，教师可以再让学生改进、重新设计火车转弯轨道，并通过DIS数据验证其可行性。

三、教学实施

（一）创设情境，提出问题

教师可以通过PPT展示学生常见的公路转弯图片，引导学生观察公路拐弯处的倾斜情况。通过几张图片的对比，学生可以发现，所有的公路转弯处都是被修成外侧高、内侧低的样子。由此，教师可以引导学生自己提出问题—为何公路转弯处要修成外高内低的倾斜状？教师通过把生活中的真实场景引入课题，创设情境，能够让学生在一个个真实的、熟悉的情境中来开展物理活动，从而激发学生科学探究的兴趣和积极性。

（二）依据问题，形成猜想与假设

教师可以播放“摩洛哥火车脱轨”的新闻视频，引导学生关注新闻事件及其起因。根据摩洛哥司法部门当天发表的公报，经警方调查显示，这列火车在发生事故前时速高达158公里，而该路段最高限速为每小时60公里，火车因为超速而脱轨。在教师的引导下，学生形成猜想：由于火车转弯过程中向心力的“提供量”和“需求量”不对等，从而引发火车转弯时发生脱轨现象。

（三）设计实验，制订方案

1.帮助学生了解火车轨道和火车车轮的构造

教师通过展示自制教具—火车车轮和铁轨模型（如图1），让学生观察火车车轮的结构特点，以及思考为何要设计这样突出的轮缘，这样特别的设计到底有何作用。以往学生在学习“火车转弯”这个实例时，接受度较低。经过了解，主要问题是由于学生的生活经验不足，并未仔细观察过火车轮子的特点，所以，其对于突出的轮缘是夹在铁轨之间这一设计，接受得非常勉强。由此导致其在分析火车超速时，车轮轮缘到底与哪侧铁轨挤压分不清楚。教师通过展示自制教具，可以让学生进行更直观的理解和分析。

2.让学生以“工程师”的身份，设计火车轨道

教师可以让学生在设计图纸上，创新实验系统中的模型火车，为其在转弯时设计一个合理的轨道，并独立分析找出模型火车转弯时向心力的来源。教师观察发现大致有以下两类情况。

（1）火车轨道水平，外侧铁轨对轮子向内的挤压力来提供向心力的来源。

（2）火车轨道向内道适当倾斜，利用火车的重力和铁轨的支持力来提供向心力的来源。

3.引导学生发现“铁轨水平时火车转弯”所存在的问题

教师利用创新实验器材，模拟火车转弯的情景。教师需要在内外轨道各装一个力学传感器，用于测量模型火车转弯时，火车对轨道的侧向压力。同时，教师还要指导学生利用电子秤测量火車质量，用直尺测量弯道半径，用光电门测量火车过弯道时的速度。依据实验所得数据，教师可以引导学生对火车转弯所需向心力的来源进行定量分析。实验操作结果显示（如图2），内侧轨道对火车几乎没有侧向压力，外侧轨道对火车侧向压力为0.96N。其中，模型火车质量m=0.205kg，轨道半径R=0.460m，火车转弯速度v0=1.5042m/s。学生依据以上数据，动手计算火车转弯所需要的向心力：F向=mv2/R=1.00N，便可发现计算结果与传感器显示的外轨道侧向压力0.96N很接近。基于此，学生通过探究实验结果分析得到：火车转弯的向心力大部分是由外轨对轮缘的侧向压力来提供的。

在以往的教学中，教师只是引导学生进行纯理论分析，学生通过受力分析得出向心力的来源，学习体验不足、不够深入。此次教学尝试，不仅让学生在理论上进行定性分析，还让学生通过创新实验的操作、测量和处理数据，定量找出火车转弯时向心力的来源。从定性和定量两个方面，教师让学生体验了对火车转弯问题的科学探究、科学推理、找出规律、形成结论的过程。这样的教学尝试，可以培养学生科学探究的意识，提升其设计探究方案和获取证据的能力。

4.引导学生感知“铁轨水平时火车转弯”问题的严重性

经过对上述模型的研究，虽然学生了解到火车在水平轨道转弯时，向心力的来源是由轨道对轮缘的侧向压力提供的，但是，学生对于这个大约为1N的侧向压力，感受并不深刻。因此，在得到计算结果的基础上，教师要引导学生思考，这样大的力将会产生什么后果以及改进实验的方法，进一步激发学生解决问题的兴趣。

5.引导学生解决“铁轨水平时火车转弯”所存在的问题

教师提问：如何解决“铁轨水平时火车转弯”所存在的问题？是否有改進措施？教师提供实验模型所测得的数据，让学生以“铁路工程师”的身份，设计铁轨施工图。然后，教师再依据学生设计图的数据，对模型轨道进行垫高处理，并重新制作火车转弯模型，通过传感器显示的铁轨侧向压力值来验证学生的改进是否成功。

首先，教师引导学生从分析向心力的来源入手，学生会发现为使内、外铁轨均不受火车轮缘挤压，需在转弯处使外轨略高于内轨。这样，支持力垂直铁轨倾斜向上，由重力和支持力的合力提供火车转弯时的向心力，以此达到在内、外轨均不受轮缘挤压的同时又使火车安全转弯的目的。然后，教师给出实验模型的数据（如图3）。最后，教师根据学生设计的数据，对外轨道进行垫高处理，并在内、外轨道均装上力学传感器，再次让火车从同一高度静止下滑。通过力学传感器所显示的数据，学生发现铁轨内、外轨道的侧向压力几乎为零。学生都为自己能够成功解决火车转弯问题而欣喜，此时教师要对学生的探究做出正向评价。

（四）回归生活，验证方案的可行性

学生所设计的外高内低的铁路轨道，是仅止步于实验研究，还是能推广应用于生活呢？带着这一疑问，教师可以播放“学生对铁道部工作人员的采访”视频，让学生获取生活中的真实数据：某处轨道间距L=1.4m，轨道的曲率半径R=600m，转弯的限定安全速度v=70km/h，让学生估算这处铁轨外侧应被垫高的高度（如图4）。多数学生能计算出h=Lv2/gR=94mm。教师继续播放视频，铁道部工作者给出了答案：该铁路外侧轨道实际垫高94mm。学生听到生活中的真实数据和自己计算的结果相吻合，都特别开心。

（五）课堂拓展，完美结课

为了让学生深入理解火车转弯时铁路设计成外高内低的原因，教师可继续延伸课堂，提问学生，若火车转弯的速度超过限定速度或者小于限定速度，火车将会出现的情况及其原因。学生思考并得出结论，若速度大于限定速度，则火车转弯向心力的“提供量”小于“需求量”，会做离心运动，外轨对轮缘有侧向压力;若速度小于限定速度，则火车转弯向心力的“提供量”大于“需求量”，会向圆心侧靠，内轨会对轮缘有侧向压力。在进行知识拓展时，通过展示学校前公路拐弯处的图片（如图5），教师可以让学生根据本堂课所学来解释为何公路拐弯处也一样要修成外高内低的倾斜状。该环节的设计是为了检验学生的课堂学习效果，查漏补缺，从而让学生体会到物理就在身边，源于生活，又应用于生活。

结   语

本节课是圆周运动的应用课，要求学生利用已掌握的知识解决一些实际问题。教师通过引导学生全身心参与，以“铁路工程师”的角色体验火车转弯情境下规律的探究过程以及研究方法，来获取知识，拓展思维，领悟探究方法，以此提升学生科学探究的能力。另外，教师利用DIS实验系统模拟火车转弯过程，依据所得数据，更直观地展示出火车转弯轨道设计的利弊，大大提升了课堂效率。但是，由于DIS实验系统学生平时使用不多，在应用方面还不够熟练，这部分内容在今后的学习中还有待加强。

[参考文献]

中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2017.

杨国庆.基于探究教学激发创新潜能的实践与思考[J].物理教师，2019，40（12）：27-30.