ＭＢＬ支持的探究性物理实验活动的研究

　　高中物理教学要求学生能利用图像描述和解释物理现象，能使用图像方法处理实验数据、总结经验公式或根据图像得到某些物理量的测量值。我们在物理教学中常常发现，尽管学生能较好地掌握讲授过的那些图像所表征的含义，但缺乏利用图像来理解、分析、表达物理现象，以及利用图像对数据进行处理和分析的认知能力。简言之，学生难以把他们所熟知的表征具体内容的图像方法迁移到理解新的问题情境中去。究其原因在于学生可以从课本上获得关于图像的知识，但他们对图像的理解最终要取决于利用图像方法解决问题的相关活动。
　　在一般的物理实验课上，进行实验的前提是学生已经了解某现象的变化规律，知道图像曲线的具体形状，要求学生做的工作只是根据数据在坐标纸上描点，若发现有些点不符合标准则要分析误差原因。在这样的实验中，把图像作为一种有效的方法／工具来分析现象／问题的实践活动几乎是不存在的，这也就造成图像知识和应用这种图像知识的实践很大程度上是处于一种“分裂”的状态。
　　我们认为适宜的解决办法是创设一种探究性的物理实验环境，其中包含一系列需要使用图像才能顺利完成的不同层次的任务，促使学生在与这种情境的不断交互过程中，从多个侧面理解图像方法／工具的实际应用意义，并掌握利用图像知识分析，处理问题的典型方法。图像方法的优势通常体现在对大量测量数据进行统计分析的时候，这就意味着那些探究任务往往伴随大量的数据测量处理和图像绘制工作，而这些费时、费力的工作将导致学生只能有极少的时间和精力投入到观察和分析图像变化的认知活动中去，难以达到预定的学习目标。
　　通过文献调研，我们发现20世纪80年代发展起来的MBL(Microcomputer-based Lab，基于微型计算机的实验室)技术可以很好地解决上述困难。
　　
　　一、关于MBL技术
　　
　　MBL技术产品包括传感器、数据采集器、计算机及其应用软件。传感器探测物理信号(如温度，光强等)并将其转换为电信号(目前的产品每秒能采集数据一万次以上)，通过数据采集器将电信号转换成计算机可识别的数字信号，最后由应用软件将这些测量数据实时显示为图像和数据表等，同时提供常用的图像和数据的分析处理功能，以帮助学生利用图像变化来观察实验现象，理解和分析实验规律以及表达探究结果等。MBL技术产品能在短时间内自动采集和显示大量测量数据并且绘制出图像，使学生从这些最需要耗费时间的“苦差事”中解放出来。更重要的是，“实时的图像显示”有助于学生利用图像观察测量数据的变化规律。此外，许多研究者发现使用MBL技术的适宜方法是在基于合作小组的探究性活动中，让学生自己去思考测量什么、怎样测量以及如何解释测量的结果。
　　
　　二、基于MBL的探究性物理实验活动设计
　　
　　我们将参与活动的学生分成多个合作小组，每个小组包括三名学牛和一套安装好的MBL计算机平台系统。学生对图像的认识主要处于一个具体的操作思维水平，因此我们不能期望一个缺乏形式思维能力的学生能自己设计出一个探究活动程序，以促进对形式思维过程的体验和理解，故而我们采用以“有结构的探究活动”为主的形式，即探究时给学生提供将要调查研究的问题，解决问题所要使用的方法和材料，但不提供预期结果，学生根据收集到的数据进行分析概括，发现某种联系，找到问题的答案。
　　依据循序渐进的原则，我们所设计的探究性任务包含两个层次：第一个层次是利用图像定性分析实验现象，学生需要正确理解图像表征与测量数据变化之间的联系，并且使用图像表征来解释、分析和评价实验现象。第二个层次是在定性描述基础上结合图像拟合方法进行定量探究，学生需要在对图像表征分析、评价的基础上，运用曲线拟合方法推测经验公式／定量关系。在设计探究任务的具体内容时，主要考虑满足四个方面的要求：一是与学生的背景知识相适应，减少学生在形成假设和设计实验方案方面的困难；二是注意留有相当的未知探究空间，以激发他们的兴趣；三是这些任务要集中体现与MBL技术相结合的图像方法的优势；四是这些任务都需要小组成员协作才能完成。整个活动分为以下三个阶段：
　　1．准备与适应阶段(两学时)
　　开课之前，学生均没有使用MBL系统的经验，也缺少进行实验探究的机会，但对于小组合作完成实验的方式还是相当熟悉的。在这个阶段中，我们首先介绍该系统的功能和使用方法，并指导各小组进行一些简单实验，而后安排三个适应性实验：“等温条件上封闭气体的压强与体积之间的定量关系”、“在一般的变速运动中验证牛顿第二定律”，“日光灯或电脑屏幕的频闪规律分析”，要求各小组按要求写出完整的实验报告。前两个实验是学生所熟悉的，如我们曾在课堂上发给每个学生一个注射器针管，让他们体验活塞推进和拉出过程中堵在针管顶端的手指所感受到的气压的变化。在传统实验课上，学生也曾验证过匀变速直线运动中加速度与台外力的正比关系，现在的安排则是在之前基础上加以扩展——由定性体验到定量分析，由特殊情况到一般情况的验证。而第三个实验则需要引导他们注意平时难以觉察的频闪现象，并把交流电的知识和光强的变化联系起来。这样设计的好处是让学生对他们不熟悉的探究性实验有一个逐步适应的过程，同时也对MBL系统的优势与局限有了较深入的了解，为下一步的探究活动做好准备。
　　由于我们所使用的MBL产品每秒最多可采集数据达7000次，可以提供相当详细的数据资料。面对如此庞大的数据，学生们很快就会意识到图像表征的巨大优势。
　　2．定性的、以描述性探究为主的阶段(两学时)
　　在这个阶段中，我们安排了两个探究性实验：“运动鞋在各种表面的摩擦性能”和“通电直导线的磁场分布情况”。我们要求各小组至少任选其中之一，小组要讨论并写出实验设计方案，经过教师认可后方能继续实施。实验完成后，我们组织这些小组展示、交流各自的研究成果，并结合他们的实验来指导进一步的定量探究。
　　(1)研究“运动鞋在各种表面的摩擦性能”的基本过程
　　运动场地面材料的防滑性能会影响学生的运动质量和运动安全，本研究的目的就是了解塑胶，水泥和沥青三种地面摩擦性能的差异。利用测量学生常穿的运动鞋在一定压力下的最大静摩擦力，可以得到各种材料摩擦性能的信息。通过软件平台正确设置实验参数并给运动鞋里加上一定重物后，用“力传感器”通过鞋带平拉鞋子，缓慢增加拉力，直到鞋子开始在地面上运动。与此同时，拉力随时间变化的图像实时显示在屏幕上，可以发现拉力先增大后减小，根据该图像的峰值可以得到最大静摩擦力。学生很快发现相同的运动鞋在不同表面材料的地面上受到的最大静摩擦力是不一样的，获得的测量图像也有不同的特点。实验过程中，学生需要分析在塑胶，水泥和沥青表面的测量图像的差异，以及当地面有水或有尘土时测量图像的变化情况。我们还鼓励学生利用这种测量图像进一步分析不同鞋底材料或鞋底花纹的防滑性能。
　　(2)研究“通电直导线的磁场分布情况”的基本过程
　　磁性是物质的一种普遍属性，学生初中就知道电流具有磁效应，本研究的目的是进一步了解通电直导线产生的磁场与哪些因素有关系，是什么样的关系。结合以往的知识进行初步讨论之后，学生不难确定研究假设“电流激发的磁场与电流强度以及距离有关”。依据控制变量法，检验假设的实验要分为两部分：在保证导线电流不变的情况下，改变距离并观察磁场强弱的变化；在距离一定的情况下，改变电流并观察磁场强弱的变化。先给直导线通以一定的电流，沿着垂直于导线的方向每隔一定距离就使用磁感应强度传感器测量一次对应数据。与此同时，距离随时间变化的图像和磁感应强度随时间变化的图像将同步显示在屏幕上。为了更容易观察通电导线的磁场分布，可以提示学生去掉时间变量而得到一个磁感应强度与相对距离的关系图像。由这个新图像可以看出，随着距离的增加，磁场将迅速减弱。再考察电流对磁场的影响，可以将磁感应强度传感罪的探头固定放在某个位置，改变电流的强度并用电流传感器测量电流的变化，这时屏幕上分别显示出磁感应强度随时间变化的图像和电流随时间变化的图像。去掉时间这个无关变量之后，可得到在该位置处磁感应强度随电流变化的图像。在多个不同位置重复测量后，将不难发现这些图像都是过原点的直线，大多数学生会很快猜想得到它们之间的正比关系。这时，我们可以提示学生使用曲线拟合功能分析这些直线所表征的具体函数关系，还可以进一步引导他们根据前面得到的磁感应强度随距离变化的图像分析出相应的定量关系。我们还将组织小组讨论上述两方面的实验结果，尝试着归纳宜导线磁场分布的经验公式，在定性描述的探究基础上开始逐步过渡到定量的研究。
　　3．定性和定量探究相结合的阶段(两学时)
　　在这个阶段我们安排了两个定量探究实验：“小灯泡的光强随距离的变化关系”和“篮球在各种地面上的反弹规律”。我们同样要求各小组至少任选其中之一，但与前一阶段不同的是各小组将独立设计，实施实验，井在完成实验后向全体汇报探究的过程和结果。我们还将和学生一起评价这些成果，分别推选出一等奖组、二等奖组和鼓励奖组。
　　(1)研究“小灯泡的光强随距离的变化关系”的基本过程
　　夜晚，在昏暗的路灯下看书会损害视力，原因是光线太暗了。这不是因为路灯本身不够亮，而是因为书本离路灯太远了。显然，照在物体上的光强是与被照物体到光源的距离有关的，本研究的目的是探究点光源的光强与距离之间的具体关系。将小灯泡、光强传感器和刻度尺都放人暗箱，并保证测量的距离大干灯丝长度(小灯泡可视作点光源)，如图1所示。
　　
　　在不断改变光传感器到光源距离的同时，电脑屏幕上方的两个工作区会分别显示出距离和光强随时间变化的图像。可以考虑去掉时间这个无关变量，在屏幕左下方的工作区建立一个光强随距离变化的新图像，以便直接观察二者之间的关系。从该图像上能够明显看出这是—个递减函数曲线，学生可以从软件平台提供的20多类常见函数中挑选可能的几种进行曲线拟合，将拟合的曲线结果和测量图像加以比较分析，从而推测一种最相符合的数学关系。当然这将是一个不断评价和反思的过程，而且还要充分考虑到实验方法或测量误差带来的某些不可避免的影响。
　　(2)研究“篮球在各种地面上的反弹规律”的基本过程
　　运动场表面覆盖的材料通常有塑胶、沥青和水泥地面等。使篮球从一定高度下落到这些材料上，观察篮球反弹高度随反弹次数的下降，可得到反弹衰减图像曲线，从中获得各种材料反弹性能的信息。将篮球与位移接收传感器固定在一起，铁架台顶端固定一个与计算机相连的位移发射传感器(图2)。
　　
　　使篮球从一定高度开始下落，接触地面后反弹到最高点，再次下落……经过多次反复后直至静止在地面上。在此过程中，位移传感器不断采集篮球位置变化的数据，并在屏幕上同步显示反弹高度随时间变化的关系图像。每次与地面碰撞后，由于能量损失，反弹高度逐渐减小。学生可以分析出与实验现象一一对应的图像的变化，在此基础上提取每次反弹后的最高点数据和相应的反弹次数，建立一一对应的关系。通过软件平台设置以反弹高度为纵坐标，反弹次数为横坐标的反弹衰减图像。
　　在塑胶、水泥和沥青地面上分别进行测量，学生将发现不同地面对篮球的反弹衰减图像并不一样，不难看出塑胶地面衰减情况较小，反弹性能最好。之后，学生还需要进一步探讨这些衰减图像可能符合的数学规律，多次尝试开考虑空气阻力的影响之后，分析出这些图像都比较符合对数函数的规律，而且不同曲线的对数方程是不一样的。有的小组还根据位移一时间图像，利用该软件绘制出速度一时间和加速度一时间图像，探讨速度衰减的规律和重力加速度的测量。
　　
　　三、MBL技术应用的启示
　　
　　为了考查基于MBL技术的探究性物理实验活动在促进图像认知能力方面的效果，我们在北京市第五中学进行丁实践研究。从实验前测与后测的统计结果可以看出：通过基于MBL图像工具的探究性物理实验活动，被试学生的图像认知技能得到了一定程度的提高。特别值得注意的是，实验后测是在脱离MBL环境的纸笔方式或在传统实验条件上进行的，这说明学生通过使用MBL图像工具获得了某种“认知存留”(cognitire residue，Salomon 1991年提出技术制品的使用会留下认知存留，这个存留在后来制品本身不存在时也能够有效支持认知活动)。换句话说，MBL工具的运用在一定程度上改善了学生对于图像的理解能力，并且这种能力还能被迁移到不同的情境中去。
　　根据观察记录和调查问卷结果，我们可以分析并归纳出MBL工具在探究活动中的几方面典型作用：一是MBL可在短时间内收集大量数据并自动绘图，这明显减轻了许多非生产性的工作负担，允许学生将更多的时间和精力投入到观察和分析图像变化的认知活动中。二是MBL实时性的特点使学生易于建立图像符号表征和正在发生的物理现象之间的联系，从而有助于学生在理解的基础上对图像意义进行建构。三是MBL提供的一系列图像分析与处理功能，有助于引导学生将他们的认知努力集中到与图像方法有关的问题中来。四是在学习小组以及师生交流中，MBL还往往表现为提供一种共同表征工具的作用。由此我们可以看出，MBL的作用不仅表现为对活动本身的有力支持，更重要的是它通过影响学生的活动和思考方式，为学生内化该工具的图像表征系统提供了良好的机会。这恐怕就是学生在使用以后表现出图像“认知存留”效果的重要原因吧。
　　(作者单位：北京市第五中学 北京师范大学教育技术学