回歸真實(shí)探究，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)
——以探究“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)為例

劉 明

（福建省廈門第六中學(xué)，福建 廈門 361000）

1 問題的提出

《高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》對(duì)實(shí)驗(yàn)探究部分的教學(xué)建議中指出：應(yīng)在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題能力；應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生制訂計(jì)劃的能力；要避免讓學(xué)生按給定步驟進(jìn)行符合預(yù)期的虛假“探究”；在收集實(shí)驗(yàn)信息時(shí)，要尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，不應(yīng)只把注意力集中在與探究假設(shè)相符的物理事實(shí)上，還需要觀察和收集那些與預(yù)期結(jié)果相矛盾的信息；要從交流內(nèi)容的組織和陳述形式等方面提高學(xué)生交流和表達(dá)能力；應(yīng)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)展學(xué)生依據(jù)證據(jù)、運(yùn)用邏輯和現(xiàn)有知識(shí)進(jìn)行科學(xué)論證和解釋的能力等.［1］

然而，現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然存在較大的問題，講實(shí)驗(yàn)、看實(shí)驗(yàn)、練實(shí)驗(yàn)的情況普遍存在，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究多數(shù)情況下停留在學(xué)生按部就班，根據(jù)教師和書本提供的實(shí)驗(yàn)方案和步驟，匆匆完成實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中既沒有方案設(shè)計(jì)；沒有數(shù)據(jù)分析論證；甚至實(shí)驗(yàn)中得出與期望的實(shí)驗(yàn)事實(shí)不相符也完全不理會(huì)，更沒有深入的誤差分析及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的探究.這樣的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，是名符其實(shí)的“虛假探究”，教師的教學(xué)停留在為學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)而做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的教育教學(xué)功能沒有得到充分發(fā)揮，與通過(guò)學(xué)科教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的宗旨背道而馳.［2］

2 促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)探究

2.1 基于知識(shí)基礎(chǔ)，引導(dǎo)方案設(shè)計(jì)

深度學(xué)習(xí)是建構(gòu)知識(shí)意義的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者把新知識(shí)與已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，在已有知識(shí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建構(gòu)新知識(shí)，豐富或重構(gòu)原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu).［3］

學(xué)生已有利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生將斜面上的小車下滑改為豎直方向的自由下落，同時(shí)從減小阻力的角度引導(dǎo)學(xué)生將小車換為體積小，密度大的重物（使下落重物的重力遠(yuǎn)大于阻力），構(gòu)建一個(gè)自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)物模型如圖1，合理設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)裝置，在構(gòu)建過(guò)程中深化自由落體運(yùn)動(dòng)模型的理解和認(rèn)識(shí).

圖1

紙帶上記錄了物體下落的時(shí)間和相應(yīng)的位移，引導(dǎo)學(xué)生回顧根據(jù)紙帶分析重物下落是否為勻變速直線運(yùn)動(dòng)的方法如下.

（2）逐差法：依據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的推論相鄰相等時(shí)間位移差Δs=a T2=定值，判定該運(yùn)動(dòng)是否為勻變速直線運(yùn)動(dòng)并求出加速度a.

（3）v-t圖像法：若能根據(jù)紙帶求出紙帶上選取的各計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度v，作出v-t關(guān)系圖像，若是直線則說(shuō)明該運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)，并可以根據(jù)圖像的斜率k=a，求出加速度a.

由于紙帶記錄的是時(shí)間和距離，速度不是直接測(cè)量量，在判定紙帶的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)之前不能直接求出紙帶上對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度，不選用v-t圖像法.

2.2 基于技術(shù)融合，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理

“提高物理教學(xué)水平，發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，離不開信息技術(shù)與物理學(xué)習(xí)的融合”.［1］在實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析處理中，把利用Excel軟件自動(dòng)計(jì)算和繪制相關(guān)圖表的方法教給學(xué)生，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中繁瑣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算和處理，將實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)估上，不僅節(jié)約時(shí)間成本，也有利于學(xué)生通過(guò)圖表分析強(qiáng)化勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的深度理解.

選取一條實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)跡清晰的紙帶，以實(shí)驗(yàn)中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打的第1個(gè)點(diǎn)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)（計(jì)數(shù)點(diǎn)0），并取各計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔T=0.04 s，如圖2為選取紙帶的前半部分.

圖2

（1）h-t2圖像法：將測(cè)量數(shù)據(jù)填入表1.

表1 探究自由落體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)記錄

利用Excel軟件作圖和圖像趨勢(shì)線方程作出h-t2關(guān)系圖像，如圖3.

圖3 h-t 2關(guān)系圖像

圖3中的h-t2關(guān)系圖像是直線可判定物體下落是勻變速直線運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)圖像的趨勢(shì)線方程中的斜率，求出加速度a=8.72 m／s2.學(xué)生可發(fā)現(xiàn)該值與當(dāng)?shù)刂亓铀俣葘?shí)際值相差甚遠(yuǎn).

同一條紙帶，兩種分析處理方法的結(jié)果相差如此大？這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果沖突，激發(fā)學(xué)生探究興趣，引發(fā)對(duì)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步分析思考.

2.3 基于證據(jù)分析，引發(fā)深度思考

表1的數(shù)據(jù)是選取其中一組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果.在操作正確的前提下，同一組數(shù)據(jù)兩種不同的處理方法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大.出現(xiàn)與預(yù)期不符的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，絕不能簡(jiǎn)單以“實(shí)驗(yàn)總是存在誤差”為由含糊帶過(guò)，要引導(dǎo)學(xué)生尊重客觀事實(shí)，深度追尋產(chǎn)生問題的原因，充分收集利用真實(shí)客觀的證據(jù)，引發(fā)學(xué)生的深度思考.

2.3.1 對(duì)比紙帶發(fā)現(xiàn)問題

對(duì)比幾條不同組別學(xué)生打出的紙帶如圖4，引導(dǎo)學(xué)生觀察，各組選取的相同計(jì)數(shù)點(diǎn)的點(diǎn)位和點(diǎn)距并不相同且相差較大.

圖4

提出問題：

（1）是否是因?yàn)檠b置不同引起的？

請(qǐng)學(xué)生利用同一裝置打出幾條紙帶，發(fā)現(xiàn)上述問題依然存在.

（2）紙帶釋放瞬間和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打0點(diǎn)的瞬間相同嗎？

引導(dǎo)學(xué)生討論交流分析總結(jié)出：在未釋放紙帶前紙帶靜止，打點(diǎn)針在紙帶上重復(fù)打點(diǎn)，在紙帶上留下一個(gè)黑而粗的計(jì)數(shù)點(diǎn)0點(diǎn).若釋放紙帶瞬間打點(diǎn)計(jì)時(shí)器恰好打點(diǎn)，則選取的計(jì)數(shù)點(diǎn)1為紙帶釋放后打的第3個(gè)點(diǎn)，和計(jì)數(shù)點(diǎn)0的時(shí)間間隔T等于0.04 s；若紙帶釋放瞬間不是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)瞬間，則選取的計(jì)數(shù)點(diǎn)1為釋放紙帶后打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打的第2個(gè)點(diǎn)，因釋放紙帶后打的第1個(gè)點(diǎn)與計(jì)數(shù)點(diǎn)0的間隔要小于0.02 s，所以計(jì)數(shù)點(diǎn)1與計(jì)數(shù)點(diǎn)0間的時(shí)間間隔小于0.04 s，這取決于釋放紙帶瞬間與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打第1個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔，若這個(gè)時(shí)間間隔為0.01 s，則計(jì)數(shù)點(diǎn)1與計(jì)數(shù)點(diǎn)0的時(shí)間間隔為0.03 s，小于選取的計(jì)算值0.04 s；若因?yàn)榧垘п尫潘查g與紙帶上打第1個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔太小（如0.003 s），導(dǎo)致釋放紙帶后打的第一個(gè)點(diǎn)被計(jì)數(shù)點(diǎn)0覆蓋，則選取的計(jì)數(shù)點(diǎn)1為紙帶釋放后打的第3個(gè)點(diǎn)，則計(jì)數(shù)點(diǎn)1與計(jì)數(shù)點(diǎn)0的時(shí)間間隔為0.043 s，大于選取的計(jì)算值0.04 s.

2.3.2 根據(jù)圖表數(shù)據(jù)分析誤差

（2）逐差法：在表1中計(jì)數(shù)點(diǎn)1與起始點(diǎn)0之間的位移差Δs=0.0123 m，明顯小于其它兩段相鄰相等時(shí)間T內(nèi)Δs的值，這也是因?yàn)闀r(shí)間間隔的小于0.04 s，也就是這個(gè)時(shí)間間隔和其它計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔是不相等的，不符合“相鄰相等時(shí)間”的條件，因而存在誤差.

2.4 基于方案改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階

深度學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)中分析、綜合、創(chuàng)造等高階思維能力運(yùn)用于學(xué)習(xí)過(guò)程，監(jiān)控和反思學(xué)習(xí)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階.

學(xué)生從證據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)較大的實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因是由于釋放瞬間并非計(jì)時(shí)器打點(diǎn)瞬間，計(jì)數(shù)點(diǎn)1與計(jì)數(shù)點(diǎn)0的時(shí)間間隔并不等于0.04 s，只要剔除這段數(shù)據(jù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化，即可減小誤差.

2.4.1 圖像法方案改進(jìn)

以原紙帶的計(jì)數(shù)點(diǎn)1作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)0，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，如表2.

表2 探究自由落體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)記錄

圖5 h／t-t關(guān)系圖像

根據(jù)圖像的斜率，求出加速度a=9.76 m／s2，對(duì)比圖3中h-t2關(guān)系圖像所求加速度值，誤差減小，與當(dāng)?shù)刂亓铀俣葘?shí)際值接近.

2.4.2 逐差法計(jì)算結(jié)果

重物下落過(guò)程中存在空氣阻力和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)紙帶的阻力的作用，使實(shí)驗(yàn)必然存在系統(tǒng)誤差；實(shí)驗(yàn)中距離測(cè)量的偶然誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響也不小；時(shí)間測(cè)量方面，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器頻率不穩(wěn)定也會(huì)引入誤差.但利用圖像處理數(shù)據(jù)，不僅更加簡(jiǎn)潔直觀的反映了紙帶的運(yùn)動(dòng)情況，還可以剔除誤差較大的點(diǎn)，在計(jì)算加速度的時(shí)候綜合考慮每一個(gè)數(shù)據(jù)，大大的減小了實(shí)驗(yàn)誤差.

3 結(jié)束語(yǔ)

在探究自由落體運(yùn)動(dòng)中，通過(guò)有效融合信息技術(shù)，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理過(guò)程，把探究的重心放在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、證據(jù)收集與分析、科學(xué)論證與交流等方面，學(xué)生真實(shí)地經(jīng)歷這樣的探究過(guò)程，在深度體驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、在深度分析中提出問題、在深度思維中解決問題，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，提升學(xué)生核心素養(yǎng).