基于最近發(fā)展區(qū)理論的高中物理實驗教學

徐衛(wèi)華

(南通市教育科學研究中心，江蘇南通 226001)

“課堂應是學生的學堂，不應該是教師的講堂”，傳統(tǒng)的教學模式下，我們教師常常自認為物理“難”，所以更多地選擇將知識灌輸給學生，即使是學生分組實驗，思維開放的尺度也不夠大，導致學生的實驗探究體驗度不高，其根本原因在于未能做到心中有學生，“腳手架”的搭建偏離了學生的“最近發(fā)展區(qū)”.筆者以“探究加速度與力、質(zhì)量的關系”為例，就高中物理實驗教學如何基于最近發(fā)展區(qū)理論給學生搭好“腳手架”進行探討，望有助于教學實踐.

1 立足于“現(xiàn)有發(fā)展水平”，引導學生開放式設計實驗

實驗是探索物理規(guī)律的過程，學生是探究的主體，實驗教學的本質(zhì)特征不在于“訓練、強化”學生已形成的思維、技能和任務(即“現(xiàn)有發(fā)展水平”)，而在于激發(fā)形成目前還不存在的心理機能(即“潛在發(fā)展水平”)，而后者往往又具有復雜性和動態(tài)性，因此只有在師生交往過程中才能準確地確定學生的兩個發(fā)展水平.學生的“現(xiàn)有發(fā)展水平”和“潛在發(fā)展水平”之間的距離就是最近發(fā)展區(qū)，是學生不成熟的心理機能所在，這也恰好是我們教學的著眼點.

人教版必修1第4章第2節(jié)“探究加速度與力、質(zhì)量的關系”，從生活經(jīng)驗出發(fā)，學生很容易猜測加速度大小與力、質(zhì)量有關，加上學生在初中已經(jīng)掌握了“控制變量法”，初步掌握了探究一個物理量與幾個可能有關因素的方法，這是學生的現(xiàn)有發(fā)展水平.學生在實驗中如何設計實驗?如何定量處理數(shù)據(jù)?尤其是如何自主進行誤差分析?這是學生的潛在發(fā)展水平.我們在該節(jié)內(nèi)容的教學過程中應該給學生搭好腳手架，引導其逐步接近潛在發(fā)展水平.

1.1 提供“過剩”實驗裝置，讓學生自主選擇器材

提供器材:帶定滑輪的長木板、帶定滑輪的導軌車、氣墊導軌(帶有擋光條)、滑塊、小車、細線、鉤碼、砝碼盤、砝碼、打點計時器、光電門、天平、彈簧秤.

學生第一次做這個實驗，不管選擇什么樣的實驗器材，都是其“現(xiàn)有發(fā)展水平”的真實反映，我們不要去否定任何一個學生的器材選擇，而要根據(jù)其思維方向進行引導，幫助其分析并形成實驗方案，促進他們求知的心理機能得到最大的發(fā)展.教師也不要輕易說選長木板的學生沒有選導軌或者氣墊導軌的學生聰明，打點計時器和光電門的選擇也不要進行約束，而應該讓他們帶著問題來做實驗，從而產(chǎn)生探究的動機.學生選擇實驗器材的過程對器材的作用及位置擺放都會有所思考，是形成實驗方案的前提.

1.2 初步形成實驗方案

要進行量化實驗，必須要準確地測得加速度a、質(zhì)量M以及力F.

(1)測量加速度a.學生在第2章學習勻變速直線運動的規(guī)律時有了經(jīng)驗基礎，利用打點計時器可以測量勻變速直線運動的加速度.利用光電門可以得到小車通過某兩個標識的速度，運用勻變速運動規(guī)律可以計算出加速度a.

(2)可以用天平直接測量小車(或滑塊)的質(zhì)量M.

(3)力F如何得到?用彈簧秤直接拉行不行?引導學生嘗試后發(fā)現(xiàn)，彈簧秤無法保證示數(shù)穩(wěn)定.初中學習過“滑輪組”的知識，除了用力直接拉以外，還可以用鉤碼、砝碼等重物來代替.

經(jīng)過上述一番思考，選擇不同實驗裝置的學生，都能設計出相應的實驗方案，如圖1、圖2、圖3所示.

圖1

圖2

圖3

實驗中，保證實驗成功有2個要素，一是鉤碼質(zhì)量(或砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量)遠小于小車質(zhì)量，二是“平衡摩擦力”.學生在初始設計時是想不到的，屬于本節(jié)課的“潛在發(fā)展水平”，教學中不要急于灌輸，而應該讓學生在自主實驗中去發(fā)現(xiàn)矛盾，然后再和學生一起分析得到.

對于學生形成的不同方案，我們不要進行約束，不過在學生提出用控制變量法進行探究后，為了學生更好地進行實驗探究，我們有必要引導學生設計記錄數(shù)據(jù)的表格.

2 自主探究，結論從矛盾到統(tǒng)一

學生得到不同的實驗方案，是否都可以得到理想的實驗結果呢?學生只有在實驗后才能知道.得到的實驗數(shù)據(jù)和結果是新的“現(xiàn)有發(fā)展水平”，我們應該引導學生從不同的實驗方案得到的結果對比中，發(fā)現(xiàn)問題并進行深入的思考，跨越到最近發(fā)展區(qū)到達新的“潛在發(fā)展水平”.

2.1 組間對比，自主發(fā)現(xiàn)需要“平衡摩擦力”

控制小車(或滑塊)質(zhì)量M不變，探究加速度a與力F的關系，分別用圖2、圖3(圖1的結果與圖3類似)的裝置，實驗結果具有明顯的差異性.

用圖2裝置(氣墊導軌)得到數(shù)據(jù)如表1所示，學生根據(jù)表中數(shù)據(jù)，可以很快得到力F與加速度a的比值F/a分別為 0.386，0.394，0.395，0.407，0.402，在誤差允許范圍內(nèi)，猜想在M一定時，a與F成正比例，進一步描點連圖得到如圖4所示的過原點的直線，可以確立這樣的結論:M一定時，加速度a與力F成正比.

表1

表2

圖4

圖5

用圖3裝置(一般導軌車)得到數(shù)據(jù)如表2所示，學生根據(jù)表中數(shù)據(jù)得到F/a的值分別為 0.817，0.503，0.445，0.426，0.419.這樣的結果，顯然無法得到“M一定時，a與F成正比例”的結論.那么兩者是什么關系呢?引導學生也采用描點連圖的方式進行探究，得到的圖線如圖5所示，是一條不過原點的直線.

問題生成:為何2種不同的裝置在探究同一個規(guī)律時，會得到2個不同的結果?

學生帶著差異性的結果重新審視圖2、圖3(或圖1)，不難發(fā)現(xiàn)用氣墊導軌實驗時(圖2)，滑塊與導軌間的摩擦力很小，可以忽略不計.用一般導軌車實驗時(圖3)，滑塊與導軌間的摩擦力不能忽略.那么圖3(或圖1)的裝置是不是就不能進行實驗探究呢?

新的問題再次生成:用圖3(或圖1)的裝置如何消除摩擦力對實驗的影響?此時生成了平衡摩擦力的需求，這個問題是在學生的“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)的，學生已經(jīng)學習了力的分解，熟悉“斜面”這一模型，很自然地聯(lián)系到將導軌(或長木板)墊高，借助于重力沿斜面向下的分量來平衡摩擦力.改進后再次實驗并記錄數(shù)據(jù)，用圖3裝置平衡摩擦力后得到的數(shù)據(jù)如表3所示.

表3

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，學生描點連圖，得到的圖線如圖6所示，是一條過原點的直線，也可以得出結論:M一定時，加速度a與力F成正比.

2.2 變量轉換，強化應用圖像探究物理量關系的正確方法

圖6

運用圖像法處理數(shù)據(jù)是重要的實驗探究方法，如果描點連圖得到的是直線，那么學生能夠根據(jù)線性關系來確定兩個物理量之間的關系.如果描點連圖得到的是曲線(如F一定，探究加速度a與質(zhì)量M的關系)，學生在初中的定量實驗中沒有遇到過，屬于“潛在發(fā)展水平”，需要我們引導學生先根據(jù)曲線的形態(tài)進行猜想，再改變變量來驗證自己的猜想.

表4

圖7

圖8

3 拋出疑點，將探究引向深入

每個實驗都有“難點”，以“探究加速度與力、質(zhì)量的關系”來說，學生還沒有學習牛頓第二定律，無法預見小車所受的拉力F與鉤碼的總重力mg不相等，即F≠mg.但是，本實驗要探究出正確的結果，實驗時須滿足鉤碼的總質(zhì)量m遠小于小車和荷碼的總質(zhì)量M，即m?M.如果實驗中直接拋出這個實驗條件，顯然是超出了學生的“潛在發(fā)展水平”.

我們可以在學生得到了上述2個結論后，展示某小組得出的圖線，如圖9所示.看到這樣的圖線，學生必然會有很深的疑惑，可以讓學生通過實驗再進行探究，多做幾組實驗，結果表明隨著m的增大，確實會在所描圖線的末端出現(xiàn)非線性.學生通過實驗驗證了結論，但疑點并未消除，這個疑點又為下節(jié)課的探究提供了“腳手架”.

圖9