支架式教學在物理實驗教學中的應用

【摘要】支架式教學模式在高中教學中的推廣很好地幫助了學生對于知識的學習和掌握，本文將支架式教學模式進一步應用于高中物理實驗“驗證動量守恒定律”一課的教學，從實驗思路、物理量的測量、實驗操作過程及數據分析和結論總結四個過程展開，在必要的地方插入適當的認知性支架，幫助學生學習更多的知識.希望通過這種模式教學，學生能夠更好地掌握物理實驗的理論知識，為具體實驗操作做好準備，更加全面地了解實驗的全貌.

【關鍵詞】支架教學；高中物理；動量守恒

支架理論是在20世紀70年代，由美國著名教育學家、心理學家布魯納基于維果斯基的“最近發展區”理念，結合建筑行業中使用的“腳手架”的概念提出［1］REF_Ref18556＼r＼h.近年來我國專家學者對學習支架開始重視并進行重點研究，在高中教學領域也有很多教師開始嘗試將支架式教學應用到實際課堂中并取得不錯效果.支架式教學模式的整個教學流程跟常規教學類似，不同點在于它的教學設計思路更能激發學生的思考，即貼近學生的最近發展區，進而引導學生自主學習，理解課程內容和用意，能借助教師提供的幫助將知識的學習延伸開來，從而得到高于課本知識的提升.本文將以“實驗：驗證動量守恒”的支架式教學為例，詳細講解支架式教學模式對高中物理實驗教學的幫助.

1 支架式教學的特點

支架式教學模式的設計是在現有教學模式的基礎上稍作調整和改進，使得教學主體更傾向于學生，幫助學生獨立自主學習，所以支架式教學設計并不貫穿于整個教學過程，而是存在于教學中一些必要的位置.在設置支架時要盡量貼近學生的最近發展區，最近發展區在一定程度上決定著發展的方向和進程，只有適當難度的任務才能促進個體的學習和進步［2］REF_Ref18312＼r＼h.我們要做的就是通過設置各種認知性支架，在已有知識和將學知識之間建立階梯，把學生送到他們要到的地方，但是需要他們自己走過去，我們只能起到幫助引導的作用，切不可代替他們去走.在學生順利通過之后我們要及時撤出相關支架，盡量讓學生憑借自己的能力走得更遠.

2 具體教學設計流程

2.1 實驗思路

2.1.1 實驗目的和實驗需要滿足的條件

關于實驗目的、實驗需要滿足的條件，我們可以通過復習導入的形式展開，通過對上一節知識的復習回顧引出思考，例如在學習機械能守恒時，教師在引導的時候可以舉前面學習的方法和例子，幫助學生建立物理學習的思維邏輯，順理成章地得出本實驗目的：驗證動量守恒定律，并由要驗證的實驗得出該實驗必須滿足的條件.

這里我們可以提出以下幾個問題幫助學生開始學習.

（1）上節課我們學習了哪些知識？請同學來回顧一下.

（2）物理是一門實驗科學，所以通常我們的理論和實驗是相結合的，光有理論，沒有實驗驗證，那這個理論是不可靠的，所以我們通過推導得到一個理論之后我們通常會干什么？

（3）前面我們的學習中有沒有類似的知識的學習？

（4）前面我們已經通過推導得到了在滿足條件的情況下，動量守恒，下一步，我們需要干什么？

由此，得到這節課的主要內容就是利用實驗驗證動量守恒.動量守恒的條件歸納為：（1）系統不受外力或者所受外力的矢量和為0；（2）系統內物體之間的內力遠大于外力；（3）系統所受合外力不為0，但在某一方向上合外力為0，則在系統這一方向上動量守恒.我們只要在這幾種條件中選擇一種進行實驗驗證就可以了.通過一個個問題的遞進，我們很自然地幫助學生從已有的知識中找到后續學習的目標，并且對接下來要學習的知識有了明確的方向.

2.1.2 如何設計簡化的實驗方案

滿足條件的實驗有很多，如何選擇需要的實驗，要考慮到學生的能力和實驗室的條件，所以必須綜合多種因素來分析，爭取幫助學生找到最適合的實驗以達到目的.

可以設置如下問題支架幫助學生思考：

（1）碰撞可以是多維的，一維、二維都有，而設計的實驗是驗證性實驗，盡量越簡單越好，所以是不是應該選擇一維碰撞來驗證動量守恒，生活中哪里可以找到類似的一維碰撞呢？

（2）大家很自然會想到光滑水平面上兩個球之間的碰撞，利用m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2，這里還可以怎么做讓驗更簡單？

（3）動量守恒的表達式是一個矢量式，如果碰撞過程中速度反向了，又該如何規定速度呢？

（4）第（2）問中想到光滑水平面上的碰撞，而現實中是沒有光滑的水平面的，那又該怎么辦？

通過這樣4個問題支架，可以成功幫助學生從眾多的實驗中大致確定需要進行的實驗的基本框架，即一維的碰撞，最好是一個運動的物體去碰一個靜止的物體，由于速度方向可能會發生改變，所以需要先規定好正方向，與正方向相同的速度為正，相反的則為負.而且要想是光滑的，可以利用氣墊導軌，或者使用木板并平衡摩擦達到想要的效果.通過這種方法一步步引導學生思考，從腦中將問題簡化直至找到最優方案.

2.2 物理量的測量

研究對象確定后，則需要明確測量的物理量和實驗器材，根據在實驗思路中的分析，不難看出需要測量的量是質量和速度.質量的測量是很容易的，可用天平直接測量，而速度的測定方法就很多了，所以我們重點研究速度的測量，看看通過速度的測量能否找到適合實驗的實驗儀器.

2.2.1 如何測量速度

如何測量速度這個問題對于現在的學生來說并不是什么難題，為了喚醒學生的記憶，教師可以給一定的時間讓他們回憶前面學過的實驗以及實驗中采用的測速度的方法.也可以以如下問題進行引導.

（1）我們進入高中學到的新的計時工具是什么？它除了可以計時，還可以測量哪些量？

（2）除了利用打點計時器打出紙帶求解速度，我們后面又學了哪個精度更高的測量速度的工具？

（3）除了這些方法，我們還有沒有其他的方法可以測速度？比如某種運動？

這種問題支架的給出就會幫助學生開始從前往后進行回憶，他們會很自然地想到打點計時器是進入高中學到的新的計時工具，它不僅可以計時還可以利用打出來的紙帶測量位移，還可以利用v=x1+x22T來求解某一位置的瞬時速度.后來我們又開始使用光電傳感器，即光電門，它也可以利用v=dt來測速度.這些是直接利用測速工具對速度進行測量的，我們也可以利用平拋運動求解速度.這時學生會接著思考，機械能守恒時用mgh=12mv2是不是也可以求解速度.所以通過回憶和思考，我們發現了四種求解速度的方法：利用打點計時器測速、利用光電門測速、利用平拋運動測速、利用機械能守恒定律測速.

2.2.2 如何選擇合適的實驗器材進行實驗

如何選擇合適的實驗器材進行實驗，這里可引導學生根據測速度的不同方法去思考采用什么樣的實驗器材.教師可以以某一個測速方法為例講解一下思考過程.比如用光電門測速度時，可以把光電門安裝在哪？木板上、氣墊導軌都可以，這里我們就可以自由搭配，選木板的話則要墊高、平衡摩擦.利用氣墊導軌只要調到水平就可以了，所以我們可以選擇用木板和光電門的搭配，還可以選擇氣墊導軌和光電門的搭配.原理都是相同的，學生可以根據實驗室的器材進行合理的選擇.

學生通過平拋運動求速度的方法發現可以讓一個小球先不碰做平拋運動，求出它平拋的初速度，也就是它碰前的速度，然后再在斜槽末端放小球進行碰撞，兩個小球在碰完以后都做平拋運動，這樣就可以求出它們碰后的速度，就可以研究它們在斜槽末端碰撞的動量守恒了.因此，可以用平拋演示儀裝置驗證動量守恒定律.

除了這些，還可以利用單擺測速驗證動量守恒以及用打點計時器驗證動量守恒，思考過程都可以仿照前面的實驗設計得出.由此通過速度的測量大致總結出四種可行的實驗設計.分別是研究氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒、用平拋演示儀裝置驗證動量守恒定律、用單擺測速驗證動量守恒、用打點計時器驗證動量守恒.

2.3 實驗操作過程和數據分析

驗證動量守恒這個實驗的思路我們已經很清楚了，但是在具體的實驗操作過程中還有很多需要注意的，這里選擇課本中作為案例的兩個實驗為例子來分析一下.

2.3.1 氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒

這個實驗的整個流程還是比較清晰的，實驗中需要注意的主要有兩個問題，分別是：

（1）氣墊導軌是否需要調節成水平？如果需要，怎樣調水平？

（2）若碰撞后的速度方向與原方向相反，應該怎樣記錄速度？

這兩個問題前面我們都有詳細的解釋，所以學生可以很快地給出答案.而第（2）個問題中教師可以進一步深入引導學生進行思考，碰撞以后的情形會有哪些？學生會根據生活中出現的具體碰撞情形總結，可以一前一后，可以一起走，一開始都靜止，中間放一個壓縮的彈簧，等等，如圖1所示.

我們可以對這些情況一一分析，進行數據收集，填入提前設計的表格，通過計算總結出碰撞過程中的動量守恒.

2.3.2 用平拋演示儀裝置驗證動量守恒定律

這個實驗的優點在于實驗器材易得，實驗比較容易進行，結果也容易獲得.但是實驗本身相對于上一個實驗其實更復雜，需要教師將實驗分解，一步步地幫助學生了解整個設計原理和流程.教師在實驗進行之前提出如下問題以便可以給學生提供思考方向.

（1）實驗器材如何安裝？要裝在什么方向？需要什么工具的幫助？

（2）小球如何選？為什么這樣選擇？小球又如何放置？

（3）碰前碰后的速度如何去測？

（4）小球的落點怎么確定？

（5）最后得到什么樣的結果才能驗證動量守恒？結果是否可以進一步化簡？

對于這些問題如果學生能自行解決或通過集體討論解決，教師不必參與，若不行或者方法不妥，教師可通過指導引導學生向教師設定的方向去思考，直至解決問題，這一過程就是學生成長的過程，教師切勿越俎代庖，自行講解這種灌輸式教學看似快，實則效果不佳.為了更好地去理解這個實驗，也可以開展演示實驗，演示實驗教師可以不做，可將實驗過程分解，叫不同的學生上來做，做的期間教師一步步提出問題，和學生一起解決問題.在演示實驗中把各種問題呈現出來并給出解決方案，最后得到一個完整的實驗流程.這樣學生在進行實驗時會更有目的性，也更能從正確的實驗過程中收獲自信和快樂.最后，請學生進行總結，歸納出完整的思路.這樣后期他們進入實驗室進行的實驗才是盡可能0失誤的，記錄表中的數據和實驗結論的得出才是更有說服力的.

3 結語

支架式教學的重要部分就是教學設計，教學設計的重點就是要貼近學生的最近發展區，讓學生在已有知識的基礎上借助教師設計的各種支架進行攀爬，試著去學習新的知識，并達到預期的學習效果.學生在課堂中需要有足夠的參與度，而不是單靠教師的直接傳授.對于驗證動量守恒這個實驗，通過理論知識的學習，學生在充分了解了實驗原理和過程以后，進入實驗室就會得心應手.在高中物理實驗課中應用支架式教學法進行教學，使以往學生輕視理論部分，急于完成實驗內容和對原理理解的不充分導致實驗過程中盲目操作的問題得到了有效解決.

參考文獻：

［1］胡小龍，何盼盼，王平安.基于“支架式教學模式”的教學設計——以“滑動摩擦力”的教學為例［J］.廣西物理，2023，44（02）：155-157.

［2］韓璐.支架式教學法在大學物理實驗教學中的應用［J］.吉林省教育學院學報，2016，32（11）：68-70.