基于學(xué)科認(rèn)知視角下的自由落體運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)探究

唐 洋

(上海南洋模范中學(xué))

怎樣才能有效提升物理學(xué)習(xí)的有效性，不但“學(xué)會、理解”，更能升華到“會學(xué)、思辨”呢? 物理實(shí)驗(yàn)可以提供一種途徑.本文以探究自由落體規(guī)律為例，結(jié)合實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知特點(diǎn)、自由落體的學(xué)科知識特點(diǎn)，梳理相關(guān)認(rèn)知方式，探討有效激活認(rèn)知的探究型實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模式.

1 問題的提出

傳統(tǒng)的高中物理實(shí)驗(yàn)多為測量與驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)常分解為目的、原理、器材、步驟、數(shù)據(jù)記錄、處理、結(jié)論、誤差分析.

我們可以試著深入思考這些問題:實(shí)驗(yàn)方案是如何形成的? 為什么本實(shí)驗(yàn)會選擇這些器材? 為什么經(jīng)過這樣的實(shí)驗(yàn)操作步驟就可以獲得我們需要的數(shù)據(jù)? 進(jìn)行諸如此類具有學(xué)科認(rèn)知特征的思考后，我們可以把物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更具認(rèn)知意義的重構(gòu)，分成:任務(wù)的定位、方案的策劃、裝置的構(gòu)建、步驟的擬定、數(shù)據(jù)的采集與分析.這樣可以將物理實(shí)驗(yàn)升華為認(rèn)知物理問題的一種方式.縱觀物理學(xué)的發(fā)展史，物理學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)揮著不可替代的作用，加深了人類對自然世界的認(rèn)知.

下面從實(shí)驗(yàn)角度來梳理探究自由落體運(yùn)動規(guī)律所需要經(jīng)歷的思維過程.

自然界存在著千姿百態(tài)的落體現(xiàn)象，物理學(xué)把這種“物體在地面附近，受地球重力作用從靜止開始沿鉛垂線降落的運(yùn)動”稱為落體運(yùn)動.在落體運(yùn)動中，物體的下落有快有慢，那么，是什么因素影響了物體下落的快慢? 或者說，它們的下落遵循怎樣的規(guī)律? 我們該如何進(jìn)行有效認(rèn)知呢?

為研究落體運(yùn)動的規(guī)律，首先對運(yùn)動的特征進(jìn)行分析，構(gòu)建自由落體的物理模型.

2 問題的研究

2.1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)定位

由自由落體運(yùn)動定義可知，其物理情境主要由物體、運(yùn)動環(huán)境以及運(yùn)動狀態(tài)的改變等元素構(gòu)成.其中，作為研究對象的物體具有一定體積、不同質(zhì)量等物理屬性.其運(yùn)動環(huán)境則主要表現(xiàn)為物體位于地球表面且處于空氣阻力可以忽略不計(jì)、無支撐的狀態(tài).而運(yùn)動狀態(tài)的改變主要表現(xiàn)為初速度為零、沿豎直方向做直線運(yùn)動以及運(yùn)動速度越來越快等特點(diǎn)，也就是說，該運(yùn)動具有“初速度為零的變速直線運(yùn)動”的特征.為此，本實(shí)驗(yàn)將要探究的實(shí)驗(yàn)問題是，依據(jù)已構(gòu)建的自由落體運(yùn)動物理模型所具有的運(yùn)動特點(diǎn)，探究其遵循怎樣的變速直線運(yùn)動規(guī)律.

那么，經(jīng)歷怎樣的認(rèn)知思考過程，才能梳理出實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知脈絡(luò)? 可以試著按照以下認(rèn)知環(huán)節(jié)展開具體的思考:怎樣才能形成針對實(shí)驗(yàn)任務(wù)的研究方案?怎樣才能構(gòu)建出符合實(shí)驗(yàn)探究要求的裝置? 怎樣才能形成符合實(shí)驗(yàn)探究要求的操作步驟? 應(yīng)如何對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以形成對問題的有效詮釋?

2.2 實(shí)驗(yàn)方案策劃

依據(jù)以上對自由落體運(yùn)動特征的分析，可以生成以下三組研究方案.

1)基于“圖像—函數(shù)”擬合的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知方案

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)承載著能洞察被研究的學(xué)科問題可能蘊(yùn)涵的內(nèi)在規(guī)律的信息.為此，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集，并借助作圖法來直觀地表征其具有的內(nèi)在關(guān)系，再利用函數(shù)擬合的處理方法，尋找合適的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述圖線的特征，從而揭示被研究的學(xué)科問題所遵循的某種規(guī)律.

基于以上分析，可形成如下實(shí)驗(yàn)方案:借助一定的測量技術(shù)去獲取研究對象位移隨時(shí)間變化的信息，然后作出s-t圖像，再運(yùn)用函數(shù)擬合的數(shù)據(jù)分析方法來揭示其運(yùn)動規(guī)律.對此可利用圖1所示的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將位移傳感器的發(fā)射器視為落體研究對象，利用DIS系統(tǒng)，描繪出其s-t圖線，再利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的函數(shù)擬合功能，來探究運(yùn)動規(guī)律.

圖1

2)基于假設(shè)或猜想的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知方案

在已有的認(rèn)知背景基礎(chǔ)上，進(jìn)行遷移拓展，完成對未知問題的探究，是學(xué)習(xí)的重要方式.為此需要經(jīng)歷:依據(jù)已有的知識對研究對象的特征進(jìn)行辨析，再提出認(rèn)知猜想或假設(shè)，形成認(rèn)知方案，開展探究.

就本實(shí)驗(yàn)而言，應(yīng)首先利用實(shí)驗(yàn)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的有關(guān)運(yùn)動學(xué)的理論，通過對自由落體運(yùn)動的運(yùn)動特征進(jìn)行觀察與思辨，梳理出其具有“變速直線運(yùn)動”的特征.據(jù)此，可形成“假設(shè)自由落體運(yùn)動是勻加速直線運(yùn)動”的認(rèn)知猜想，這樣就可以通過認(rèn)知遷移，利用已知的研究勻加速直線運(yùn)動的方法來檢驗(yàn)自由落體運(yùn)動是否具有勻加速直線運(yùn)動的規(guī)律.

基于以上分析，生成如下兩套實(shí)驗(yàn)方案:

a)利用位移特征探究

勻加速直線運(yùn)動的位移具有“相鄰”兩段位移之差等于恒量的特點(diǎn)，即s2－s1＝aT2(如圖2).而當(dāng)初速度為零時(shí)，則具有奇數(shù)比，即s1∶s2∶s3∶s4∶s5＝1∶3∶5∶7∶9的數(shù)據(jù)特征.

圖2

因此，先通過實(shí)驗(yàn)的方法獲取s-t數(shù)據(jù)，然后再依據(jù)以上數(shù)據(jù)特征，通過測量并計(jì)算“相鄰”兩段位移之差，或其位移之比，進(jìn)而推斷做自由落體運(yùn)動的物體是否遵循勻加速直線運(yùn)動的運(yùn)動規(guī)律.

b)利用速度特征探究

對此可以形成如圖3所示的實(shí)驗(yàn)方案，以“工字形”物體為研究對象，再利用光電傳感器來測量物體下落一定距離的初、末速度.

圖3

3)基于邏輯推理的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知方案

通過對自由落體運(yùn)動的運(yùn)動環(huán)境分析可知，這是一種無支撐狀態(tài)下的運(yùn)動.所以可將這樣的運(yùn)動環(huán)境視為物體沿斜面運(yùn)動的特例，即傾角為90°時(shí)的斜面運(yùn)動.

基于這樣的認(rèn)知視角，可以形成另一種實(shí)驗(yàn)方案:使研究對象在不同傾角的斜面上運(yùn)動，再利用“圖像—函數(shù)”擬合的實(shí)驗(yàn)方法來探究其具有的運(yùn)動規(guī)律，最后借助邏輯推理，即將斜面的傾角外推到90°，以此來推斷自由落體運(yùn)動所具有的運(yùn)動性質(zhì).進(jìn)而可擬定如圖4所示的實(shí)驗(yàn)方案:將小車放置在一定傾角的斜面上，并使其沿斜面由靜止開始運(yùn)動，在此過程中利用位移傳感器測量并描繪出s-t圖像，然后利用函數(shù)擬合的方法來分析其具有的運(yùn)動特征.改變斜面的傾角(2～3次)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程，再通過邏輯推理的認(rèn)知方法來推斷自由落體運(yùn)動的性質(zhì).

圖4

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建

1)基于“圖像—函數(shù)”擬合方法的實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建

需要構(gòu)建出具有自由落體運(yùn)動特征的實(shí)驗(yàn)裝置，還需在其實(shí)驗(yàn)裝置中配備能記載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量系統(tǒng).可選擇DIS實(shí)驗(yàn)的位移傳感器的發(fā)射器作為自由落體的研究對象，再通過鐵架臺來固定接收器.為記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還需配置數(shù)據(jù)采集器以及基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).

2)基于假設(shè)或猜想實(shí)驗(yàn)認(rèn)知方法的實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建

a)利用位移特征探究

實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)建應(yīng)滿足:能呈現(xiàn)自由落體運(yùn)動的運(yùn)動現(xiàn)象，且能記錄該現(xiàn)象的s-t實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).由此可見，基于“圖像—函數(shù)”擬合方法的實(shí)驗(yàn)裝置符合本方法的要求.實(shí)驗(yàn)中需要作調(diào)整的是:應(yīng)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集方式設(shè)定在數(shù)據(jù)采集工作狀態(tài).

b)利用速度特征探究

實(shí)驗(yàn)裝置需要有如下特征的部件:研究對象在下落過程中能被實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)檢測并記錄位移與速度.這里選用“工字形”的物體為研究對象，如圖5 所示，圖中的上下兩條橫桿可以作為初、末速度的測量對象.裝置構(gòu)件中的豎桿部分(長度為h)表征的是研究對象所經(jīng)過的位移大小.此外，為能檢測“工字形”物體在下落過程中的初、末速度，實(shí)驗(yàn)裝置還需配置由光電傳感器、數(shù)據(jù)采集器等組成的測量與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).

圖5

3)基于邏輯推理實(shí)驗(yàn)認(rèn)知方法的實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)裝置的主要部分包括:可調(diào)節(jié)傾斜度的斜面、小車以及能檢測小車運(yùn)動數(shù)據(jù)的測量系統(tǒng).當(dāng)我們選擇用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來檢測小車的運(yùn)動數(shù)據(jù)時(shí)，其實(shí)驗(yàn)裝置還需包括:位移傳感器以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(如圖4).

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟擬定

1)基于“圖像—函數(shù)”擬合方法的實(shí)驗(yàn)步驟策劃

a)將裝置調(diào)整到實(shí)驗(yàn)原理所依存的條件:位移傳感器接收器垂直向下固定在鐵架臺上，把鐵架臺置于實(shí)驗(yàn)桌邊緣，將作為研究對象的發(fā)射器置于接收器的正下方;

b)將裝置調(diào)整到符合數(shù)據(jù)采集的要求:接收器接入數(shù)據(jù)采集器通道并開啟數(shù)據(jù)采集器，打開位移傳感器發(fā)射器的電源開關(guān)，打開“組合圖線”窗口，點(diǎn)擊“添加”，選取“時(shí)間—位移”;

c)依據(jù)實(shí)驗(yàn)參量具有的因果關(guān)系形成采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的操作步驟:確認(rèn)發(fā)射器正對接收器，點(diǎn)擊“開始”圖標(biāo)，釋放發(fā)射器，使其自由下落，獲得完整的s-t圖線.

2)基于假設(shè)或猜想實(shí)驗(yàn)認(rèn)知方法的實(shí)驗(yàn)步驟策劃

a)利用位移特征探究運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)步驟:參照“圖像—函數(shù)”擬合方法的實(shí)驗(yàn)步驟，直至步驟b)，打開“計(jì)算表格”，選擇“自動記錄”，點(diǎn)擊“開始”圖標(biāo)即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集;

b)利用速度特征探究運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)步驟:按圖2要求，將光電門傳感器固定于鐵架臺，保持其水平并接入數(shù)據(jù)采集器通道，將“工字形”物體置于光電門傳感器的上方，使其處于豎直狀態(tài)，并確保上下橫桿能順利通過光電門并擋光.點(diǎn)擊DIS專用軟件主界面上的實(shí)驗(yàn)條目“瞬時(shí)速度的測定”，在工作界面的擋光片欄的前兩項(xiàng)依次填入“工字形”物體上下橫桿的寬度值(如圖6).點(diǎn)擊“開始”圖標(biāo)，由靜止釋放“工字形”物體.改變物體與光電門的距離，重復(fù)上述步驟.

圖6

3)基于邏輯推理實(shí)驗(yàn)認(rèn)知方法的實(shí)驗(yàn)步驟策劃

a)將裝置調(diào)整到實(shí)驗(yàn)原理所依存的條件:使斜面有一定的傾角，小車能從斜面頂端下滑;

b)將裝置調(diào)整到符合數(shù)據(jù)采集的要求:在斜面的一端固定接收器，把發(fā)射器安裝在小車上，打開“組合圖線”窗口，點(diǎn)擊“添加”，選取“時(shí)間—位移”;

c)依據(jù)實(shí)驗(yàn)參量具有的因果關(guān)系形成采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的操作步驟:點(diǎn)擊“開始”圖標(biāo)，釋放小車，使其沿斜面下滑，獲得完整的s-t圖線.改變斜面的傾角，重復(fù)實(shí)驗(yàn).

2.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1)基于“圖像—函數(shù)”擬合方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

a)s-t圖線的調(diào)整:由于物體下落的時(shí)間極短，為便于觀察和分析，需要利用DIS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供的坐標(biāo)平移與縮放的功能，對圖線進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦?如圖7);

圖7

b)s-t圖線有效區(qū)段的選擇:點(diǎn)擊圖8圖像區(qū)下方給出的箭頭圖標(biāo)，通過兩次點(diǎn)擊s-t圖線的操作，以此來實(shí)現(xiàn)對圖線有效區(qū)段的選擇，再利用處理系統(tǒng)提供的函數(shù)擬合功能對實(shí)驗(yàn)圖線進(jìn)行函數(shù)擬合操作;

c)最后依據(jù)多項(xiàng)式擬合情況，對其運(yùn)動規(guī)律作出推斷(圖8中直線由實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)繪制得到，曲線為二次函數(shù)擬合的結(jié)果).

圖8

2)基于假設(shè)或猜想認(rèn)知方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

a)利用位移特征探究運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析:選取數(shù)個(gè)相鄰的位移為研究對象，計(jì)算位移差，分析數(shù)據(jù)特征，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并計(jì)算出加速度值.

也可依據(jù)初速度為零的勻加速直線運(yùn)動位移所具有的s1∶s2∶s3∶s4∶s5＝1∶3∶5∶7∶9數(shù)據(jù)特征，對所采集到的s-t數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

b)利用速度特征探究運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析:分別計(jì)算每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的，再分別計(jì)算每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的，分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

3)基于邏輯推理實(shí)驗(yàn)認(rèn)知方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

參照“圖像—函數(shù)”擬合的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法判斷處于不同傾角斜面上小車的運(yùn)動性質(zhì)，運(yùn)用邏輯推理的認(rèn)知方法，推理出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

2.6 實(shí)驗(yàn)認(rèn)知反思

重新回顧實(shí)驗(yàn)探究歷程，梳理并指出:任務(wù)的定位、方案的策劃、裝置的構(gòu)建、步驟的擬定、數(shù)據(jù)的采集與分析，各自要經(jīng)歷哪些認(rèn)知環(huán)節(jié)? 還能構(gòu)建怎樣的實(shí)驗(yàn)裝置來完成探究?

3 結(jié)束語

目前，學(xué)生的學(xué)習(xí)較多聚焦于如何學(xué)會知識，而教師的教學(xué)行為常常是直接告知結(jié)論，然后操練習(xí)題.其實(shí)在習(xí)得知識的過程中，有很多可以培養(yǎng)認(rèn)知能力的環(huán)節(jié)，比如利用物理實(shí)驗(yàn)來探究物理知識.在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)來完成對問題的探究，獲得作為結(jié)論的知識.這樣通過學(xué)習(xí)有限的知識，習(xí)得一種認(rèn)知與解決問題的一般方法，就會擁有解決無限問題的能力，這或許是更值得追求的學(xué)習(xí)層次.

實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)可以讓我們親身經(jīng)歷科學(xué)探究與思維的過程，有助于促進(jìn)物理觀念的完善，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.更重要的是，在自主探究問題的過程中所習(xí)得的能力、培養(yǎng)的品格，會讓人受益終生.

(完)