關注實驗方案設計 促進課堂深度學習①
——以 “實驗:探究加速度與力、質量的關系”教學為例

任虎虎

(1.華東師范大學教師教育學院,上海 200062;2.江蘇省太倉高級中學,江蘇 蘇州 215411)

深度學習的過程是學生在教師引領下,圍繞具有挑戰性的學習主題,全身心積極參與,體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程。在這個過程中,強調理解學科的核心知識、把握學科的本質及思想方法、發展批判性等高階思維能力,促進學生形成積極的內在學習動機、高級的社會性情感和正確的價值觀。實驗方案是指在實驗探究中,為了解決特定問題,而制定出的一系列步驟和方法的具體描述,對促進深度學習有重要的作用。下面以“實驗:探究加速度與力、質量的關系”為例進行具體闡述。

1 實驗方案設計過程能促進課堂深度學習

在設計實驗方案時,需在實驗操作前對整個實驗進行整體的、理性的、可行性的思辨與分析,從實驗的原理、方法、資源和學情出發,思考測什么、怎么測、用什么測等進階性問題,確定初步的實驗流程和方法,然后從科學性、可行性和簡潔性等多個維度對其進行審視,進而優化改進。如圖1所示,實驗方案設計過程中蘊含著對知識本質的理解,包含著分析、評價和綜合等高階思維的應用,[1]是促進課堂深度學習的有效載體。[2]

圖1

首先,實驗方案設計是對科學方法的內化與應用。因為實驗方案的設計需要依據一定的科學方法或原理,如探究力的合成實驗所用的等效替代法,探究加速度與力、質量的關系實驗所用的控制變量法和轉化法,探究庫侖定律所用的半分法等,所以實驗方案的設計過程就是對科學方法的內化和應用過程。

其次,實驗方案設計是對實驗資源的整合與創新。[3]實驗方案的設計會受到身邊器材的限制和影響,因此要綜合考慮,充分整合實驗器材和實驗環境,設計科學的、可行的和低成本的實驗方案。

再次,實驗方案的設計過程涉及對實驗原理的分析、對初步方案的評價和改進、對實驗資源的整合與創新等,所以實驗方案的設計過程是培養和發展學生高階思維的過程。[4]

2 促進課堂深度學習的實驗方案設計策略

促進深度學習的實驗方案設計策略主要為:基于基本問題搭建方案框架,基于互動對話實現思維進階,基于資源整合的要求設計操作流程。

2.1 基于基本問題搭建方案框架

每個實驗方案的設計都面臨著一些基本問題:測量什么物理量?為什么要測量?如何測量?要用到哪些實驗器材?操作流程是什么?把這些基本問題解決了,就搭建起了整個實驗方案的框架。

在“實驗:探究加速度與力、質量的關系”的教學中,首先引導學生對牛頓第一定律進行深刻分析:力是物體改變運動狀態的原因,是物體產生加速度的原因。另外,物體的質量越大,慣性越大,運動狀態越難改變,可以理解為:相同時間內,速度變化量小,即加速度小。所以物體的加速度與合外力和質量之間有某種關系,到底是什么定量關系?這就是本節課需要研究的核心問題,這個分析過程也解答了為什么要測量的問題。[5]

由于加速度和兩個物理量有關,研究時要運用控制變量法,即先控制合外力不變,研究加速度與質量的關系,然后控制質量不變,研究加速度與合外力的關系。對于測量什么物理量的問題,答案其實很明確,就是測量物體的質量、所受合外力和加速度。對于如何測量的問題,學生很容易會想到用天平測量物體的質量、用彈簧測力計測量合外力、利用打點計時器測定加速度,要用到天平、彈簧測力計、交流電源、小車(研究對象)、一端帶滑輪的木板、紙帶和打點計時器等。至此,學生對這個實驗方案的設計方法和用到的實驗器材有了一個比較清晰的認識。[6]

2.2 基于互動對話實現思維進階

在實驗方案設計過程中,應滿足認識內在邏輯性的要求。從一個具體問題出發,在對話互動中解決該問題后又會產生新的問題。在問題的不斷解決、不斷生成和不斷對話互動中促進實驗方案的完善,在一連串有內在邏輯關系的問題解決中實現思維從低階走向高階。

在“實驗:探究加速度與力、質量的關系”的教學中,當控制合外力不變、探究加速度與質量的關系時,學生提出問題:如何控制小車所受合外力不變?很多學生指出:對放在水平面上的小車施加一個向右的拉力,由于存在摩擦力,只要拉力恒定,則F合=FT-Ff,合外力也恒定(圖2),在此基礎上進行深層次的師生互動對話。

圖2

師:合外力恒定嗎?誰有不同觀點?

生:由于要給小車上加砝碼,小車總質量增加,所以摩擦力要增大,合外力要減小。

師:采用什么辦法可以控制合外力不變呢?

生:把每次改變質量后的摩擦力測出來,拉力也相應地增大,保持拉力和摩擦力之差恒定。

師:在理論上沒問題,但是每次都要測量摩擦力,并增大拉力,操作上比較繁瑣,有沒有更簡便的方法呢?

生:可以將木板的一端墊高。

師:這個想法很有創意,具體怎么做呢?

生:將木板一端墊高一定高度,如果小車在木板上面能向下做勻速直線運動,說明摩擦力被重力沿斜面向下的分力平衡掉了。

師:如何準確地判斷小車是做勻速直線運動的呢?

生:通過觀察。

師:只通過觀察,不太可靠。有沒有更可靠的方法呢?

生:在小車后面連上紙帶,并啟動打點計時器,待打點計時器正常工作后松開小車,如果紙帶上打出的點間距均勻,說明摩擦力剛好被平衡。

師:在改變小車質量后是否需要重新平衡摩擦力?為什么?

生:不需要,因為小車質量增加,重力沿斜面向下的分力也會增大。設第一次平衡摩擦力的傾角為θ,則沿斜面方向上有Mgsinθ=μMgcosθ,所以小車質量增加時不需要重新平衡摩擦力。

師:平衡摩擦力后,在小車前面掛上細線,細線通過滑輪連接鉤碼,此時細線的拉力即為小車所受的合外力,細線的拉力是多少?

生:等于鉤碼所受重力的大小。

師:確定嗎?對于這個問題大家可以分組討論一下。

生:細線拉力的大小不等于鉤碼所受重力的大小,應該比鉤碼所受的重力小,因為小車沿斜面向下加速時,鉤碼也要沿豎直方向向下加速,鉤碼所受的合力應該向下,并沒有處于平衡狀態。

師:但為了測量的方便,通常認為鉤碼所受重力的大小約等于細線拉力的大小,即小車所受合外力的大小,那么這里需要滿足什么條件呢?

生:因為砝碼處于平衡狀態時,其所受重力的大小等于細線拉力的大小,所以小車和鉤碼的加速度要比較小才行。

師:如何實現小車和鉤碼的加速度比較小呢?

生:鉤碼的質量遠小于小車的質量。

師:在控制小車質量不變,探究其加速度與合外力之間關系時需要注意什么?

生:在增大小車所受合外力,即增加鉤碼的質量時,每次的增加量要少一點,防止增加后的鉤碼的質量不再遠小于小車的質量。

師:如果將數字化實驗系統(DIS)的力傳感器固定在小車前端,直接測量出細繩的拉力大小,還需要滿足砝碼的質量遠小于小車的質量這個條件嗎?為什么?

生:不需要了,因為此時力傳感器的示數就等于小車所受的合外力。

2.3 基于資源整合的要求設計操作流程

實驗方案設計不應單純地從原理和科學性出發,還需要考慮支撐實驗探究的環境和資源,進行“雙向”設計與檢驗,做到對實驗資源的充分整合與創新應用,在此基礎上形成實驗探究的最佳操作流程。

在“實驗:探究加速度與力、質量的關系”的教學中,需要在整合以上設計思路、實驗器材和學生認知的基礎上,結合用打點計時器研究勻變速直線運動的實驗技能,引導學生進行小組合作,設計本實驗的操作流程。

學生進行充分討論后,小組派代表交流、相互評價,就實驗操作流程達成以下共識:

(1) 將打點計時器固定在木板一端,在小車上連接紙帶,使紙帶穿過打點計時器的限位孔,再進行平衡摩擦力的操作;

(2) 用細線連接小車,跨過滑輪連接鉤碼,控制鉤碼的質量不變,打出一條清晰的紙帶,然后在小車上加砝碼,再打出一條清晰的紙帶,重復操作3次;

(3) 處理從紙帶上獲取的數據,計算出對應的加速度,得到5組有關小車質量和加速度的數據,記錄在表格中;

(5) 控制小車質量不變,增加懸掛的鉤碼質量,打出清晰的紙帶,重復操作3次;

(6) 處理從紙帶上獲取的數據,計算出對應的加速度,得到5組有關小車所受合外力和加速度的數據,記錄在表格中;

(7) 畫出a-F圖像,總結歸納得出結論;

(8) 進行綜合分析,得出實驗結論,并進行實驗誤差分析。

有些學生認為這個操作需要測量和處理的數據比較多,比較麻煩。有沒有不用測量加速度就能得到加速度與合外力、質量的關系的方案?基于轉化法的思想,引導學生設計得到新方案(圖3)。

圖3

先控制兩砝碼盤與砝碼的總質量相同,兩小車的質量不同。

(2) 控制兩小車質量相同,持續給同一個砝碼盤加砝碼幾次,比較兩車的位移之比與合外力(砝碼盤與砝碼所受總重力)之比的關系,總結歸納得出實驗結論。

3 結語

實驗是物理學的基礎,也是物理學習的基礎。實驗操作前的方案設計、操作后的數據處理和誤差分析都有很大的教育價值。在每個實驗方案的設計中要充分引導學生自主建構、理解內化和應用實踐,教師切不可包辦代替。實驗方案設計是實驗探究教學的核心,是發展學生高階思維、促進深度學習的載體,是實現實驗的育人價值的關鍵,需要持續關注與研究。