基于學習進階的高中物理實驗教學設計
——以“探究加速度與力、質量的關系”為例

戴耀東

(1. 華中師范大學人工智能教育學部,湖北 武漢 430079; 2. 南通市海門證大中學,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、質量的關系”,是高中物理實驗教學的重點.本實驗既是“練習使用打點計時器”“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”和“研究自由落體運動規(guī)律”3個已學實驗在操作技能和數據處理方面的進一步綜合,也是后期實驗“驗證機械能守恒實驗”的重要基礎,在力學實驗中占據著重要地位.

1 提出問題

科學探究本質上是由行為、思維和情緒活動交互構成的發(fā)現新的因果關系的循環(huán)過程.“探究加速度與力、質量的關系”實驗涉及物理量較多,操作步驟復雜.在“實驗設計”“數據分析”“誤差分析”等環(huán)節(jié)要求學生不僅熟練掌握基本的實驗技能,還能時刻監(jiān)控整個實驗進程,反復詢問自己“這個步驟在整個實驗中處于哪個環(huán)節(jié)?對整個實驗的作用是什么?”以及“我清楚這些過程的具體操作嗎?”,也就是所謂的元認知,否則學生很容易成為“操作指南的提線木偶”.如何在本實驗的教學設計中保證學生實驗過程的思維參與,強調思維型科學探究,是一線教師面臨的問題.本文嘗試從學習進階的角度出發(fā),設計路徑促進學生思維型科學探究能力.

2 理論介紹

學習進階從認知視角描述學生科學學習過程,搭建了一座對學習的研究和課堂實踐教學的橋梁,成為了國際科學教育的熱點議題.所謂學習進階,是指“學生在一個時間跨度內,學習和探究某一主題時,依次進階、逐級深化的思維方式”,并強調“教學實踐對學習進階起著關鍵作用”.可見,基于學習進階的教學設計就是思考“如何設計路徑促進發(fā)展”,一般遵循的設計流程如圖1所示.

圖1 基于學習進階的教學設計模型[2]

具體到“探究加速度與力、質量的關系”的實驗教學設計而言,主要解決以下3個問題:(1) 研究學生現有認知狀態(tài)和期望認知狀態(tài),以及中間可能存在的認知狀態(tài),從而界定較為清晰的各進階層級;(2) 確定促進學生發(fā)展的教學干預手段,如任務或問題驅動;(3) 建立有效的反饋機制,改進學習進階設計,如分析各教學環(huán)節(jié)的設計意圖等.

3 實驗的教學設計

本節(jié)內容建議3課時,主要分為實驗設計、實驗操作與數據處理、誤差分析與實驗改進3個部分.

3.1 基于進階的學情分析

從教學目標來看,在探究加速度與力、質量的關系實驗過程中,學生經歷“實驗設計→實驗操作與數據分析→誤差分析與實驗改進”過程.需要具體分析在各環(huán)節(jié)學生現有認知狀態(tài)和期望認知狀態(tài),才能基于學習進階,進一步設計學習過程.本實驗教學學生具體的現有認知狀態(tài)和期望認知狀態(tài)如表1.

表1 基于進階的學情分析

3.2 學習過程設計

學習過程設計主要根據學生現有認知狀態(tài)和期望認知狀態(tài),確認估計中間認知狀態(tài),這是實際教學設計中關于學習進階的重要環(huán)節(jié),其中中間認知狀態(tài)需要在“設計→實踐→反思→再設計”的過程中反復調整,不斷逼近學生實際的學習軌跡.基于學習進階的“探究加速度與力、質量關系”學習過程設計如圖2所示.

圖2 “探究加速度與力、質量關系”學習過程設計圖

3.3 教學開發(fā)

教學開發(fā)主要是根據已設計的學習過程,選擇驅動問題和任務,設計具體的教學環(huán)節(jié).在此過程中,主要需要注意以下兩點:(1) 學生最近發(fā)展區(qū),所謂最近發(fā)展區(qū)是“學生能獨立解決的問題或任務(現有發(fā)展水平)”與“學生在教師指導下才能解決的問題或任務”之間的差距,維果茨基認為教學活動應該在這個區(qū)域內進行.所以教師應該選擇學生在教師指導下才能完成的問題和任務,同時這些任務或問題應該是從學生已具備的知識或生活經驗出發(fā),才能更好地與學生發(fā)生聯系;(2) 學生認知負荷,根據認知負荷理論,當學生進行復雜的學習任務時,工作記憶中需要同時加工多個信息元素,可能導致容量有限的工作記憶出現超負荷,出現認知困難.[3]所以,在復雜的學習問題或任務設計時,教師應降低每個信息單元所占用的認知資源,使工作記憶釋放足夠的容量完成認知加工,從而提升復雜物理認知任務的完成水平.[4]

課時1.“探究加速度與力、質量關系”的實驗設計.

【環(huán)節(jié)1.引入】

伽利略理想實驗,小球在光滑的水平面會做勻速直線運動.

問題1.給小球一個力,小球會如何運動?將這個力增大會怎樣?

問題2.如果小球質量很大,用很小的力推,會有什么效果?

問題3.加速度與力、質量3者存在什么樣的定量關系呢?

設計意圖:問題1和2本質上是對牛頓第一定律理解,用伽利略理想實驗可以為學生提供一個“心理表象”,避免“牛頓第一定律內容是什么”這類記憶型問題,從而引出本實驗的根本任務——問題3.

【環(huán)節(jié)2.整體分析實驗思路】

展示實驗小車和軌道,為學生思考提供“錨點”.

問題4.如果要探究小車的加速度、力、質量3個物理量間的定量關系,應該用什么方法呢?

追問:請用控制變量法設計本實驗的思路.

學生回答:控制小車質量不變,改變拉力大小,測量小車加速度.找出拉力與加速度的關系;控制小車受的拉力不變,改變小車質量,測量小車加速度,找出質量與加速度的關系.(板書,作為實驗思路)

設計意圖:引導學生思考“控制變量法”在本實驗中的具體落實.這個環(huán)節(jié)對學生難度不大,但有助于學生對實驗的整體認識.板書實驗思路,是為了在后面的具體實驗設計中,可以隨時提醒學生使用這個實驗思路指導自己的設計過程.降低學生的認知負荷,把更多的精力放在具體的設計過程,增加后面學習完成度.[5]

【環(huán)節(jié)3.物理量的測量】

本實驗需要測量小車質量、力、加速度,請結合“實驗思路”小組討論各物理量的測量.(腳手架:控制小車質量不變,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?)

設計意圖:小組討論并匯報,可能會出現不同測量方法.如加速度的測量,有光電門、打點計時器等,不同測量方案的相互影響,可以讓學生認識到討論的意義.為學生在討論“力與加速度的關系”時設置腳手架,可以引導學生進行有效討論,而“質量與加速度的關系”撤除腳手架,旨在引導學生達到能獨立完成任務的水平.

問題5.大家都認為,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,并請學生描述如何平衡摩擦力.

設計意圖:問題5及追問旨在引發(fā)學生思考小車、槽碼受力情況,并反思自己前概念的錯誤.在稍作停留后即可以鼓勵學生回答,并順利引出“平衡摩擦力”.經驗表明,“平衡摩擦力”這類精細操作宜用視頻演示,而不是實物演示.因為實物操作演示,離講臺較遠的學生很難看清實驗操作.為了體現“真實感”,演示視頻應該是教師本人拍攝.[6]

【環(huán)節(jié)4.實驗方案設計】

根據實驗臺已給器材,實驗小組合作進行實驗方案設計并展示(實驗器材安裝示意圖,實驗步驟等).

設計意圖:實驗小組設計實驗方案是本課時的最終任務成果,既可以成為學習評價材料,為下節(jié)課的實驗操作打下基礎.

課時2.“探究加速度與力、質量關系”小組實驗.

【環(huán)節(jié)5.小組實驗】

在小組實驗過程中,教師在巡視指導的過程中,可以經常問“你們進行到哪里了?這個步驟在整個實驗中處于哪個環(huán)節(jié)?”“這個步驟對整個實驗的作用是什么?”等問題,指導學生用思維指導操作,落實思維型科學探究.

設計意圖:筆者多次嘗試發(fā)現,如果采用傳統(tǒng)的打點計時器,學生小組實驗大量的精力都會放在加速度的計算,很容易出現以下問題:(1) 大量小組無法完成實驗,導致最后草草收場;(2) 學生陷入加速度計算的泥潭,沒有精力對自己實驗操作進行監(jiān)控,成為“實驗步驟的提線木偶”.為此,筆者用光電門代替打點計時器測量小車加速度,教學效果明顯提高.[7]

【環(huán)節(jié)6.結果展示】

以小組為單位,展示收集的數據以及處理后的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量成反比的?[8]

追問:我們作一下a-m2圖像,是否可以認為a與m2成反比呢?該如何解決這個問題?

設計意圖:問題6及追問是針對學生“很自然地認為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,實際上我們是很難直觀看出圖線是否為雙曲線.如果不針對性設計問題,學生很難覺察到自己推理存在的漏洞.這里其實在“拷問”學生思維嚴謹程度,培養(yǎng)學生求真的科學精神.

課時3.“探究加速度與力、質量關系”實驗反思.

【環(huán)節(jié)7.誤差分析】

問題7.我們已經用實驗探究了小車加速度與力、質量的關系,本實驗存在哪些誤差呢?(腳手架——可以根據所測量的物理量來梳理本實驗所涉及的誤差)

問題8.各實驗誤差可能對實驗結果造成什么影響?有什么改進方案?

設計意圖:問題7中,學生在腳手架的引導下,梳理歸類各種可能的誤差,如關于小車受力的誤差有平衡摩擦力、槽碼重力不嚴格等于拉力、細繩與軌道不平行等;關于小車質量的誤差有天平調零、砝碼污損、讀數等;小車加速度的測量誤差,如擋光片安裝等.問題8可以先分析實驗造成的影響,然后針對性找學生實驗操作時得出的圖像進行分析,提出改進方案.旨在引導學生學會有條理地分析實驗誤差,進一步認識誤差分析在實驗探究中的重要性.

【環(huán)節(jié)8.實驗改編】

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

【環(huán)節(jié)9.撰寫實驗反思】

腳手架:反思表格(如表2).

表2

設計意圖:實驗改編和撰寫實驗反思可以引導學生對實驗各個部分進行系統(tǒng)地再認識,并在交流過程中拓展和加深學生對“探究加速度與力、質量關系”實驗的認識.特別需要指出的是實驗反思中“操作時需要注意的事項”是引導學生對自身實驗操作進行反思,“實驗改進方法”是引導學生對實驗本身進行再思考,從而進一步加強探究的思維性.

4 小結

學習進階是科學教育研究領域的重要概念,基于學習進階的教學可能成為未來的趨勢.本文參照北京師范大學郭玉英教授及其團隊開發(fā)的科學教學設計模型,基于學習進階對“探究加速度與力、質量關系”實驗進行了教學設計,嘗試在實驗教學中實現思維型科學探究,加強學生實驗探究過程中的思維性.其中具體環(huán)節(jié)中運用了一些常見的學習心理學概念,如心理表象、最近發(fā)展區(qū)、認知負荷等,是實際教學中非常實用的理論,對一線教師有一定的參考價值.