論主體間性視閾下動量守恒定律課程目標的達成

嚴涵

(南通大學附屬中學 江蘇 南通 226019)

“格物窮理”是物理一詞的由來.這說明作為探索自然規律的物理學，它的生存與發展離不開對自然事物的觀察與探究.只有追尋事物的普遍規律，才可能歸納得出隱藏在紛繁復雜事件中的科學真理.物理實驗作為“格物窮理”的必然過程，成為了當前培養學生科學素養的必要措施.在實驗探究的過程中，學生觀察，操作和思維相互影響的活動過程，正契合了核心素養中：問題解決、探究能力、批判性思維等的“認知性素養”和自我管理、組織能力、人際交往等“非認知性素養”的形成過程.

如今高中物理由于知識體系的嚴謹性，系統性，使學生的實驗探究過程變得非常少.而且就在為數不多的實驗探究中，又多以驗證性實驗為主，甚至以探究為目的實驗，如選修3-5“探究碰撞中的不變量”的實驗課，學生也因為在知曉碰撞前后系統動量守恒這一規律后，對實驗中產生的誤差視而不見，使得實驗過程沒有任何探究可言，也使實驗過程失去了提升學生科學素養的意義.其實教師只要把實驗探究的過程，真正地讓學生去做，去完成，那么結果就可能是另一番景象.下面結合對“動量守恒定律”一章的主體間性視閾下的課程實踐過程進行分析，以期引發我們的教學思考.

1 提出研究課題 分組設計探究方案

該過程通過對課題的集體思考，讓學生說說生活中的碰撞現象，理清碰撞現象的特點.同時提醒學生利用課余時間，通過多種途徑(書本、網絡、老師等)查詢有關碰撞過程中的物理規律.明確探究目的，分組提出實驗設計方案.這樣設計的目的，是通過在課題的引入中，不加以結果性的結論規定，讓學生自主選擇，自由思考，激發學生主動探究問題的積極性.同時在探究方法上進行多元化、開放式的引導，改變傳統千篇一律的探究方式.在實際過程中，班級學生分小組進行了實驗設計，雖然絕大多數小組都采用了現成的實驗設計方案，但是他們也把傳統方案結合自己的想法進行了再設計.例如：如何提供碰撞小車的初速度，有的同學認為直接手推，有的小組為了使每一次的碰撞速度都保持一樣，提出用彈簧做觸發裝置(圖1).

圖1 彈簧做的觸發裝置

有的小組提出從斜面同一高度出發(圖2)等等，雖然這樣的設計并不是該實驗探究的核心，但是這確是學生自身主體認知的自發過程.對于這些變化，教師要靜心觀察他們的探究過程和思維變化，不要強加干涉，以保護學生的自我意識.

圖2 從斜面的同一高度出發

2 優化探究方案 實施探究實驗 構建各向異性的民主環境基礎

該過程中，每一小組提供設計方案，教師了解、分析方案中學生的設計思想，通過最簡單的結構性優化，在不改變學生主體設計思想的前提下，以最小助力幫助學生們實現實驗探究.并指導學生合理進行實驗數據觀察和記錄.

學生的實驗設計基本呈現既有方法加自主個性的復合型方案.這符合實驗設計傳承與發展的特點.但是學生在對傳統方案的調整中，難免會出現設計方案的復雜化，錯誤化.如果任由相應小組直接實施探究過程，就容易引起各個小組在探究過程中的差距.注意這里提及的是差距，不是差異.比如一個小組在設計方案過程中想直接探究兩只臺球的碰撞過程，對于碰撞過程中的速度測量，希望老師提供速度傳感器(實際實驗室并沒有)或者位移傳感器(實驗室有但是無法達成實驗設計要求).如果讓該組學生嘗試位移傳感器，有可能出現實驗目的無法達成，而另起爐灶耽擱時間的情況.還有一個小組，利用平拋實驗裝置探究，雖然方案是現成的，但是學生在速度的探測中過程復雜，老師可以提示裝置加裝光電門，以期加快數據獲取(圖3).在這過程中，老師要合理引導，適度提示，為的是盡可能減少老師的強勢影響.“最小助力”其實也是要把老師的知識權重，在學生主體間的探究過程中進行量度稀釋.從而保證學生主體性的完整發展.同時通過老師對各小組實驗設計的分析，基本可以確定學生實驗探究過程中可能發生的問題，為最終實驗探究總結做好準備.

圖3 加裝光電門

3 依據實驗數據進行合理分析 尋找規律并相互交流達成探究目標的一致

該階段以小組實驗數據結果為討論依據，以理論分析為方法，通過紙筆推演，結合已有知識體系，每個小組進行規律尋找.在該過程中，學生可以通過多種途徑，手段進行組內探究.其過程中老師仍然需要以最小助力參與其中，目的是在不干擾學生主體間思維碰撞的同時，及時掌握各小組的探究思想和理論動態.使得教師、學生、知識、實驗、數據等多主體間的關系達到一種民主的平衡.

可以看出，從開始的實驗設計，實驗操作，到觀察實驗，數據記錄，學生已經在小組合作過程中實現了對最初課題內容的認知同化，培養了可以相互對話、交流的民主環境場.正因為這樣的民主同化場的出現，使得各主體間可以用相等的話語權進行對話.通過民主對話，使各個小組，每一個成員都發現彼此的長短.

對知識、規律的探究從被動接受，到主動探究，培養了學生互助提升的科學研究素養.例如學生在分析實驗過程中碰撞前后的系統總動量為什么不相等時，從碰撞前后數據雖然不等但是非常接近的特點，猜想出碰撞過程中系統總動量應該是守恒的；通過分析碰撞過程中，系統中各個物體的動量為什么會相互轉變，推導出動量定理；通過分析總結數據的不等性，討論影響動量守恒的因素有哪些等等.其實這些內容以及它們的關聯性是教材已經安排好的，但是通過學生自主對實驗過程和結果的分析，自發地進行了科學探究，這樣不但使得知識得以被掌握，也使學生理解實驗是自然規律探究的必然過程.

4 實驗探究再改進 實驗目的再明確 誤差分析再精細

在第三階段的集體討論中，各小組通過全部小組的知識構建，重新審視自己小組的實驗規律探究過程.有問題的進行修正，有優勢的進行再細化.同時各小組從一般規律的普遍尋找，到對誤差產生的原因分析，分析理論與現實的關聯性，從而進一步修正實驗手段,降低實驗誤差，理解規律對實驗過程的指導意義.

在這一階段，各小組其實已經理解動量、沖量、動量定理和動量守恒定律，但是對于動量守恒定律的適用條件，其實還是沒有形成完整的表述形式.通過實驗尋找規律，是實驗探究的第一步.而在尋找到規律后，對實驗過程中誤差產生原因的分析，是非常關鍵的第二步.這一步，可以更加堅定所尋找到的科學規律的正確性與指導性.通過對實驗誤差產生原因的思考，是反向理解物理規律正確性的又一途徑.例如在學生通過集體討論得出動量定理和動量守恒定律后，學生首先確信：碰撞過程中系統動量應該是守恒的，然后分析實驗數據的不等關系后發現，應該是摩擦力對動量的影響導致了數據的不等.也就激發了學生想通過減小摩擦力的影響，使得實驗數據更加接近動量的守恒規律.因此有的小組從改變實驗平臺入手，將鋁制光滑軌道，換成氣墊導軌進行實驗(圖4)，最終通過兩組不同平臺的實驗數據比較(表1和表2)，發現由于氣墊導軌的摩擦影響非常小，系統碰撞過程中的動量基本守恒.從實驗的改進中，學生認識到了系統動量守恒的條件，就是系統受到的外力矢量和為零.

圖4 氣墊導軌實驗平臺

表1 鋁制導軌平臺碰撞實驗數據

表2 氣墊導軌平臺碰撞實驗數據

5 集體匯報 教師與學生互動分析 各主體間達成探究目標

在經歷了前4個階段的螺旋上升式的探究過程基礎上，各小組再次通過多種方式進行匯報.在匯報過程中，學生的主體性得到充分的展現.當然作為教學重要一環的教師也在聆聽匯報過程中，不斷地展示自己的主體思想，這一次不是引領，也不是強迫式的教學，而是充分結合學生的探究結果，通過自己的專業素養對匯報過程中出現的問題進行及時地反饋，破解學生認知困難，從而使探究規律得到固化，使探究廣度與深度達到最大化.同時在該過程中，教師作為探究主體，也可以適當展現自己的認知，這種認知不一定是規律的重復展現，可以是對一種方法規律的自我理解，也可以是對自然科學自我認知的展示，展示的內容不一定是準確的，但是應該具有一定的前瞻性和討論性.

其實如果我們一線教師真正地以科學發展的眼光對待探究性實驗，不跳躍，不超越，認真讓學生成為實驗探究的主體，扎實走好探究過程中的每一步，在學生間形成以主體間性哲學思想的探究氛圍，思想碰撞的火花一定是可以燎原的.