初中学生自主创新实验优秀作品展示（2023年第4期）

南宁三中李园

本期导读：豆腐块上起高楼 引言 战国思想家荀况在《荀子·儒效》中说到“不闻不若闻之，闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之，学至于行之而止矣。”意思是没听到不如听到，听到不如见到，见到不如了解到，了解到不如去实行。学问到了践行就达到了极点。 中国战国末期思想家、教育学。字卿，亦称孙卿或孙卿子，赵国（今山西南部）人。 学生自主创新实验 学生自主创新实验，源于学生的学习和生活，基于物理现象或规律，由学生自主提出问题，通过合理猜想与假设、自主探索与设计、主动合作与探究、科学分析与论证，得出科学结论的一项综合性、高品质、跨学科学习的探究性活动。 学生自主创新实验主要以实践作业的形式进行，将物理课本知识融入实际生活中，利用实验器材、身边随手可得的各种物品或者从各种渠道淘来的物品作为实验器材进行实验。对比纸笔习题类作业，实践作业能有效发展学生核心素养，激发学生创新思维，它能够将学生置于真实问题情境中，让学生在情境中发现问题、思考问题和解决问题。 正文 一、问题的起源 世界上最高的大楼是哈利法塔（阿拉伯文：برج خليفة‎，拉丁化：burj khalifah‎，英文：Burj Khalifa Tower），原名迪拜塔，又称迪拜大厦或比斯迪拜塔。哈利法塔高828米，楼层总数162层，造价15亿美元。[1] 中国第一高楼、世界第三高楼——上海中心大厦（Shanghai Tower），位于上海市陆家嘴金融贸易区银城中路501号，是上海市的一座巨型高层地标式摩天大楼，始建于2008年11月29日，于2016年3月12日完成建筑总体的施工工作。建筑高度632米，127层，地下室有5层，总建筑面积约为57.8万平方米。[2] 哈利法塔 上海环球金融大厦 据说，起多高的楼房，就要打多深的地基。这是真的吗？跟学习土木工程专业的大学生了解到，高632米的上海中心大厦，光地基就挖了86米。而世界上基础最深的是吉隆坡石油双塔，在马来西亚，高452米，基础最深的桩在地下103米。 大楼越来越高，地基越来越深，一定要打桩，才能建起高楼大厦。在地基上怎样打桩，起的高楼才牢固呢？小杨同学与小伙伴小邓同学、小刘同学一起尝试通过实验来模仿地基打桩和大楼。 二、探究问题 起高楼时桩基础数量越多，地基越牢固吗？ 三、准备器材 豆腐块3块：模拟起楼房的地面； 塑料垫板：防豆腐漏出水； 书本若干：模拟楼房； 牙签1包：模拟桩； 电子秤：测量地基所承载的上部荷载质量。 备注：菜市场买来的豆腐块3块，成本约7元。浪费粮食可耻，小伙伴们本着尽可能节约的原则进行实验。 四、实验步骤 （1）将装有1号豆腐块的塑料垫板放置到电子秤上； （2）依次向豆腐块上放置书本； （3）观察豆腐块承压情况，并记录电子秤示数； （4）在2号豆腐块上均匀插入牙签（数量较多），重复上述（1）~（3）步骤。 第一次实验视频 第二次实验视频 记录实验数据 五、交流分析 插入了牙签的2号豆腐块承受物体的质量比1号豆腐块小，还被压扁，并且桩孔开裂。为什么插了牙签的2号豆腐块承压能力反而更差呢？ 经过多次实验并进行讨论后，小伙伴们认为可能是插入的牙签数量太多，导致豆腐块内部就已经裂开了。 六、改进方案 在3号豆腐块上均匀插入数量较少的牙签，再次进行实验。 第三次实验视频 记录实验数据 实验后发现，相同压力的情况下，豆腐块没有被压扁，只是桩孔轻度裂开。 七、实验结论 起高楼时并不是桩基础数量越多，地基越牢固。 八、现象解释 1、根据压强公式P=F/S可知，当受力面积一定时，压力越大，压强越大，压力的作用效果越明显。 2、对比1号和3号实验数据：书本和凳子放在豆腐块上，会对豆腐块有一个向下的压力，如果直接将书本放在豆腐块上，豆腐块本身材料松软，很容易就被压扁，变得稀烂。将适量牙签均匀插入豆腐块上，再施加相同压力的情况下，豆腐受到的压力就被牙签均匀地分散了。 3、对比2号和3号实验数据：并不是插入豆腐块的牙签数量越多，豆腐块的承压能力就越强。由于豆腐块本身材料松软，插入牙签数量越多，反而导致豆腐块内部就裂开，更容易被压扁。 九、联系实际 建高楼前，需要先在地里打桩，但并不是桩基础数量越多，地基越牢固。在现实工程项目中，桩基础数量设计到很多问题。根据《建筑地基基础设计规范》相关规定，所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定；按地基承载力确定基础底面积以及埋深或单桩承载力确定桩数时，传至基础或承台底面上的作用效应应按正常使用极限状态下作用的标准组合；相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。这些知识必须经过大学相应的专业学习与实习，才能够起一幢幢屹立不倒的高楼大厦。 十、点评——运用问题链培养学生提问思维 大部分学生对物理实验还处于被动接受的状态，能照着葫芦画瓢地把课本的实验做完就算是完成了任务。不注重独立思考，轻易相信“人言亦言”的言论，缺乏主动提出问题思维以及实施的勇气。 从生活走向物理，物理走向社会，我们的生活中与物理知识相关的现象到处都是。但在学生的眼里，现象就只是现象。在老师眼里，小现象包含着大学问。可以设置一系列问题链促进学生思考，培养学生学会提出问题。 从认识世界上最高的大厦到了解大厦的地基，提出问题1：起多高的楼房，就要打多深的地基，这是真的吗？ 从了解地基的深度到地基要打桩，提出问题2：起高楼时桩基础数量越多，地基越牢固吗？ 从第一次实验到第二次实验，提出问题3：是否是牙签的数量影响了豆腐块的承压能力？ 通过问题链将生活中蕴含的物理知识层层剥开、深入浅出地展现在学生面前。 十一、实验报告 结语 德国物理学家劳厄说过：“重要的不是获得知识，而是发展思维能力。教育无非是一切已学过的东西都遗忘掉的时候所剩下来的东西。”这“剩下来的东西”就是指学科核心素养。 初中学生自主实验，倡导“知行合一、学以致用”，让学生亲近自然、走进生活、热爱物理、勇攀高峰；让学生乐于思考，具有探索的好奇心和求知欲；让学生敢于提出自己的观点和见解；让学生有克服困难的信心和决心，既能总结成功的经验，又能分析失败的原因，还能提出改进意见，更能联系实际解决问题。 初中学生自主实验，让学生在实验中自主学习，做中学、学中思、思中悟、悟中升华。同时培养学生动手能力、分析能力、逻辑思维能力、表达能力，开发学生创新能力，深刻感受“从生活走向物理，从物理走向社会”。 学生自主实验就像涓涓细流，经历磨砺，激起创新的水花，最后流向知识的海洋。 著名物理学家陈佳洱先生曾说：“物理学不只是图表和数据，它能带给你很多更珍贵的东西，理性的思维方式、人生的哲学和人生的道路。”孩子，坚持自主实验，注意观察实验现象，提出问题，善于思考，沿着自己的思路探索求证，你的收获会更多。