基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例

戴耀東

(1. 華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部,湖北 武漢 430079; 2. 南通市海門證大中學(xué),江蘇 南通 226100)

人教版普通高中教科書《物理必修第1冊》第4章第2節(jié)“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”,是高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn).本實(shí)驗(yàn)既是“練習(xí)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器”“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”和“研究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律”3個(gè)已學(xué)實(shí)驗(yàn)在操作技能和數(shù)據(jù)處理方面的進(jìn)一步綜合,也是后期實(shí)驗(yàn)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)”的重要基礎(chǔ),在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中占據(jù)著重要地位.

1 提出問題

科學(xué)探究本質(zhì)上是由行為、思維和情緒活動(dòng)交互構(gòu)成的發(fā)現(xiàn)新的因果關(guān)系的循環(huán)過程.“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)涉及物理量較多,操作步驟復(fù)雜.在“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”“數(shù)據(jù)分析”“誤差分析”等環(huán)節(jié)要求學(xué)生不僅熟練掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能,還能時(shí)刻監(jiān)控整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程,反復(fù)詢問自己“這個(gè)步驟在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中處于哪個(gè)環(huán)節(jié)?對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的作用是什么?”以及“我清楚這些過程的具體操作嗎?”,也就是所謂的元認(rèn)知,否則學(xué)生很容易成為“操作指南的提線木偶”.如何在本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)中保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的思維參與,強(qiáng)調(diào)思維型科學(xué)探究,是一線教師面臨的問題.本文嘗試從學(xué)習(xí)進(jìn)階的角度出發(fā),設(shè)計(jì)路徑促進(jìn)學(xué)生思維型科學(xué)探究能力.

2 理論介紹

學(xué)習(xí)進(jìn)階從認(rèn)知視角描述學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)過程,搭建了一座對(duì)學(xué)習(xí)的研究和課堂實(shí)踐教學(xué)的橋梁,成為了國際科學(xué)教育的熱點(diǎn)議題.所謂學(xué)習(xí)進(jìn)階,是指“學(xué)生在一個(gè)時(shí)間跨度內(nèi),學(xué)習(xí)和探究某一主題時(shí),依次進(jìn)階、逐級(jí)深化的思維方式”,并強(qiáng)調(diào)“教學(xué)實(shí)踐對(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)階起著關(guān)鍵作用”.可見,基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)就是思考“如何設(shè)計(jì)路徑促進(jìn)發(fā)展”,一般遵循的設(shè)計(jì)流程如圖1所示.

圖1 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)模型[2]

具體到“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)而言,主要解決以下3個(gè)問題:(1) 研究學(xué)生現(xiàn)有認(rèn)知狀態(tài)和期望認(rèn)知狀態(tài),以及中間可能存在的認(rèn)知狀態(tài),從而界定較為清晰的各進(jìn)階層級(jí);(2) 確定促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的教學(xué)干預(yù)手段,如任務(wù)或問題驅(qū)動(dòng);(3) 建立有效的反饋機(jī)制,改進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)階設(shè)計(jì),如分析各教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)意圖等.

3 實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

本節(jié)內(nèi)容建議3課時(shí),主要分為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)處理、誤差分析與實(shí)驗(yàn)改進(jìn)3個(gè)部分.

3.1 基于進(jìn)階的學(xué)情分析

從教學(xué)目標(biāo)來看,在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生經(jīng)歷“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)→實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)分析→誤差分析與實(shí)驗(yàn)改進(jìn)”過程.需要具體分析在各環(huán)節(jié)學(xué)生現(xiàn)有認(rèn)知狀態(tài)和期望認(rèn)知狀態(tài),才能基于學(xué)習(xí)進(jìn)階,進(jìn)一步設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過程.本實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)生具體的現(xiàn)有認(rèn)知狀態(tài)和期望認(rèn)知狀態(tài)如表1.

表1 基于進(jìn)階的學(xué)情分析

3.2 學(xué)習(xí)過程設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)過程設(shè)計(jì)主要根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有認(rèn)知狀態(tài)和期望認(rèn)知狀態(tài),確認(rèn)估計(jì)中間認(rèn)知狀態(tài),這是實(shí)際教學(xué)設(shè)計(jì)中關(guān)于學(xué)習(xí)進(jìn)階的重要環(huán)節(jié),其中中間認(rèn)知狀態(tài)需要在“設(shè)計(jì)→實(shí)踐→反思→再設(shè)計(jì)”的過程中反復(fù)調(diào)整,不斷逼近學(xué)生實(shí)際的學(xué)習(xí)軌跡.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”學(xué)習(xí)過程設(shè)計(jì)如圖2所示.

圖2 “探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”學(xué)習(xí)過程設(shè)計(jì)圖

3.3 教學(xué)開發(fā)

教學(xué)開發(fā)主要是根據(jù)已設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)過程,選擇驅(qū)動(dòng)問題和任務(wù),設(shè)計(jì)具體的教學(xué)環(huán)節(jié).在此過程中,主要需要注意以下兩點(diǎn):(1) 學(xué)生最近發(fā)展區(qū),所謂最近發(fā)展區(qū)是“學(xué)生能獨(dú)立解決的問題或任務(wù)(現(xiàn)有發(fā)展水平)”與“學(xué)生在教師指導(dǎo)下才能解決的問題或任務(wù)”之間的差距,維果茨基認(rèn)為教學(xué)活動(dòng)應(yīng)該在這個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行.所以教師應(yīng)該選擇學(xué)生在教師指導(dǎo)下才能完成的問題和任務(wù),同時(shí)這些任務(wù)或問題應(yīng)該是從學(xué)生已具備的知識(shí)或生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā),才能更好地與學(xué)生發(fā)生聯(lián)系;(2) 學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷,根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論,當(dāng)學(xué)生進(jìn)行復(fù)雜的學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí),工作記憶中需要同時(shí)加工多個(gè)信息元素,可能導(dǎo)致容量有限的工作記憶出現(xiàn)超負(fù)荷,出現(xiàn)認(rèn)知困難.[3]所以,在復(fù)雜的學(xué)習(xí)問題或任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí),教師應(yīng)降低每個(gè)信息單元所占用的認(rèn)知資源,使工作記憶釋放足夠的容量完成認(rèn)知加工,從而提升復(fù)雜物理認(rèn)知任務(wù)的完成水平.[4]

課時(shí)1.“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).

【環(huán)節(jié)1.引入】

伽利略理想實(shí)驗(yàn),小球在光滑的水平面會(huì)做勻速直線運(yùn)動(dòng).

問題1.給小球一個(gè)力,小球會(huì)如何運(yùn)動(dòng)?將這個(gè)力增大會(huì)怎樣?

問題2.如果小球質(zhì)量很大,用很小的力推,會(huì)有什么效果?

問題3.加速度與力、質(zhì)量3者存在什么樣的定量關(guān)系呢?

設(shè)計(jì)意圖:問題1和2本質(zhì)上是對(duì)牛頓第一定律理解,用伽利略理想實(shí)驗(yàn)可以為學(xué)生提供一個(gè)“心理表象”,避免“牛頓第一定律內(nèi)容是什么”這類記憶型問題,從而引出本實(shí)驗(yàn)的根本任務(wù)——問題3.

【環(huán)節(jié)2.整體分析實(shí)驗(yàn)思路】

展示實(shí)驗(yàn)小車和軌道,為學(xué)生思考提供“錨點(diǎn)”.

問題4.如果要探究小車的加速度、力、質(zhì)量3個(gè)物理量間的定量關(guān)系,應(yīng)該用什么方法呢?

追問:請用控制變量法設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的思路.

學(xué)生回答:控制小車質(zhì)量不變,改變拉力大小,測量小車加速度.找出拉力與加速度的關(guān)系;控制小車受的拉力不變,改變小車質(zhì)量,測量小車加速度,找出質(zhì)量與加速度的關(guān)系.(板書,作為實(shí)驗(yàn)思路)

設(shè)計(jì)意圖:引導(dǎo)學(xué)生思考“控制變量法”在本實(shí)驗(yàn)中的具體落實(shí).這個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生難度不大,但有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的整體認(rèn)識(shí).板書實(shí)驗(yàn)思路,是為了在后面的具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,可以隨時(shí)提醒學(xué)生使用這個(gè)實(shí)驗(yàn)思路指導(dǎo)自己的設(shè)計(jì)過程.降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷,把更多的精力放在具體的設(shè)計(jì)過程,增加后面學(xué)習(xí)完成度.[5]

【環(huán)節(jié)3.物理量的測量】

本實(shí)驗(yàn)需要測量小車質(zhì)量、力、加速度,請結(jié)合“實(shí)驗(yàn)思路”小組討論各物理量的測量.(腳手架:控制小車質(zhì)量不變,改變拉力大小,測量小車加速度.如何改變拉力大小?怎么知道拉力具體是多少?如何測量小車的加速度?)

設(shè)計(jì)意圖:小組討論并匯報(bào),可能會(huì)出現(xiàn)不同測量方法.如加速度的測量,有光電門、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等,不同測量方案的相互影響,可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到討論的意義.為學(xué)生在討論“力與加速度的關(guān)系”時(shí)設(shè)置腳手架,可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有效討論,而“質(zhì)量與加速度的關(guān)系”撤除腳手架,旨在引導(dǎo)學(xué)生達(dá)到能獨(dú)立完成任務(wù)的水平.

問題5.大家都認(rèn)為,小車受的拉力就是槽碼的重力,有沒有問題?

追問:小車受到的摩擦力需要處理嗎?為什么?

用演示視頻展示“平衡摩擦力”的具體操作過程,并請學(xué)生描述如何平衡摩擦力.

設(shè)計(jì)意圖:問題5及追問旨在引發(fā)學(xué)生思考小車、槽碼受力情況,并反思自己前概念的錯(cuò)誤.在稍作停留后即可以鼓勵(lì)學(xué)生回答,并順利引出“平衡摩擦力”.經(jīng)驗(yàn)表明,“平衡摩擦力”這類精細(xì)操作宜用視頻演示,而不是實(shí)物演示.因?yàn)閷?shí)物操作演示,離講臺(tái)較遠(yuǎn)的學(xué)生很難看清實(shí)驗(yàn)操作.為了體現(xiàn)“真實(shí)感”,演示視頻應(yīng)該是教師本人拍攝.[6]

【環(huán)節(jié)4.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)】

根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)已給器材,實(shí)驗(yàn)小組合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)并展示(實(shí)驗(yàn)器材安裝示意圖,實(shí)驗(yàn)步驟等).

設(shè)計(jì)意圖:實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案是本課時(shí)的最終任務(wù)成果,既可以成為學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)材料,為下節(jié)課的實(shí)驗(yàn)操作打下基礎(chǔ).

課時(shí)2.“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”小組實(shí)驗(yàn).

【環(huán)節(jié)5.小組實(shí)驗(yàn)】

在小組實(shí)驗(yàn)過程中,教師在巡視指導(dǎo)的過程中,可以經(jīng)常問“你們進(jìn)行到哪里了?這個(gè)步驟在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中處于哪個(gè)環(huán)節(jié)?”“這個(gè)步驟對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的作用是什么?”等問題,指導(dǎo)學(xué)生用思維指導(dǎo)操作,落實(shí)思維型科學(xué)探究.

設(shè)計(jì)意圖:筆者多次嘗試發(fā)現(xiàn),如果采用傳統(tǒng)的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)大量的精力都會(huì)放在加速度的計(jì)算,很容易出現(xiàn)以下問題:(1) 大量小組無法完成實(shí)驗(yàn),導(dǎo)致最后草草收場;(2) 學(xué)生陷入加速度計(jì)算的泥潭,沒有精力對(duì)自己實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行監(jiān)控,成為“實(shí)驗(yàn)步驟的提線木偶”.為此,筆者用光電門代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測量小車加速度,教學(xué)效果明顯提高.[7]

【環(huán)節(jié)6.結(jié)果展示】

以小組為單位,展示收集的數(shù)據(jù)以及處理后的a-F、a-m圖像.

問題6.你是如何從a-m圖像看出小車加速度與質(zhì)量成反比的?[8]

追問:我們作一下a-m2圖像,是否可以認(rèn)為a與m2成反比呢?該如何解決這個(gè)問題?

設(shè)計(jì)意圖:問題6及追問是針對(duì)學(xué)生“很自然地認(rèn)為a-m圖像是雙曲線,所以順理成章得出a與m成反比”這種情況,實(shí)際上我們是很難直觀看出圖線是否為雙曲線.如果不針對(duì)性設(shè)計(jì)問題,學(xué)生很難覺察到自己推理存在的漏洞.這里其實(shí)在“拷問”學(xué)生思維嚴(yán)謹(jǐn)程度,培養(yǎng)學(xué)生求真的科學(xué)精神.

課時(shí)3.“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”實(shí)驗(yàn)反思.

【環(huán)節(jié)7.誤差分析】

問題7.我們已經(jīng)用實(shí)驗(yàn)探究了小車加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系,本實(shí)驗(yàn)存在哪些誤差呢?(腳手架——可以根據(jù)所測量的物理量來梳理本實(shí)驗(yàn)所涉及的誤差)

問題8.各實(shí)驗(yàn)誤差可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成什么影響?有什么改進(jìn)方案?

設(shè)計(jì)意圖:問題7中,學(xué)生在腳手架的引導(dǎo)下,梳理歸類各種可能的誤差,如關(guān)于小車受力的誤差有平衡摩擦力、槽碼重力不嚴(yán)格等于拉力、細(xì)繩與軌道不平行等;關(guān)于小車質(zhì)量的誤差有天平調(diào)零、砝碼污損、讀數(shù)等;小車加速度的測量誤差,如擋光片安裝等.問題8可以先分析實(shí)驗(yàn)造成的影響,然后針對(duì)性找學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作時(shí)得出的圖像進(jìn)行分析,提出改進(jìn)方案.旨在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)有條理地分析實(shí)驗(yàn)誤差,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)誤差分析在實(shí)驗(yàn)探究中的重要性.

【環(huán)節(jié)8.實(shí)驗(yàn)改編】

腳手架:可以從改變各物理量的測量方法角度,或者從減小實(shí)驗(yàn)誤差、方便實(shí)驗(yàn)操作的角度思考.

【環(huán)節(jié)9.撰寫實(shí)驗(yàn)反思】

腳手架:反思表格(如表2).

表2

設(shè)計(jì)意圖:實(shí)驗(yàn)改編和撰寫實(shí)驗(yàn)反思可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)各個(gè)部分進(jìn)行系統(tǒng)地再認(rèn)識(shí),并在交流過程中拓展和加深學(xué)生對(duì)“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí).特別需要指出的是實(shí)驗(yàn)反思中“操作時(shí)需要注意的事項(xiàng)”是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)自身實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行反思,“實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法”是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)本身進(jìn)行再思考,從而進(jìn)一步加強(qiáng)探究的思維性.

4 小結(jié)

學(xué)習(xí)進(jìn)階是科學(xué)教育研究領(lǐng)域的重要概念,基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)可能成為未來的趨勢.本文參照北京師范大學(xué)郭玉英教授及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)的科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)模型,基于學(xué)習(xí)進(jìn)階對(duì)“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì),嘗試在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)現(xiàn)思維型科學(xué)探究,加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究過程中的思維性.其中具體環(huán)節(jié)中運(yùn)用了一些常見的學(xué)習(xí)心理學(xué)概念,如心理表象、最近發(fā)展區(qū)、認(rèn)知負(fù)荷等,是實(shí)際教學(xué)中非常實(shí)用的理論,對(duì)一線教師有一定的參考價(jià)值.