实验改进的项目化取向

彭夷 许帮正

摘 要：实验作为物理教学的灵魂，能为物理学习提供基于客观事实的证据.而通过方法或者器材上的不断改进，就能使实验现象更加明显，实验数据更加精准，从而为学生理解物理规律提供更多支持.若教师在改进和设计的过程中融入项目学习的要素和思想，则能使学生在进行实验的过程中不仅仅获得知识与规律，同时也能获得解决实际问题的能力，思维的深度和广度得以拓展.

关键词：动能势能机械能;实验改进;项目设计

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）22-0053-03

基金项目：江苏省第十三期教研课题“基于课堂四要素的学校教学变革”（项目编号：2019JK13-L062）;无锡市教育科学“十三五”规划立项课题“单元设计视域下的项目开发与实践研究”（项目编号：D/D/2018/019）.

作者简介：彭夷（1980-），男，江苏无锡人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理实验教学、探究教学;

许帮正（1971-），男，安徽桐城人，硕士，中学正高级教师，江苏省特级教师，研究方向： 中学物理课堂教学、单元设计.

近期笔者参与了青年教师优质课赛课的评委工作，课题为“动能 势能 机械能”.青年教师优秀的多媒体使用能力、以学为中心的教学理念给笔者留下深刻印象.他们对于“探究动能大小与哪些因素有关”“探究重力势能与哪些因素有关”的实验创新与改进更是让人有耳目一新的感觉.结合自身关于项目学习的教学研究与实践，笔者以为若能将实验的创新与改进融合项目学习的要素与思想，学生不仅仅能够掌握知识与规律，同时还能获得解决实际问题的能力，拓展其思维的深度与广度.

1 “探究动能大小与哪些因素有关”的实验设计及其改进

1.1 教材中的实验设计

教材中使用的器材包括斜面、小车、木块、砝码等.其中木块的一端贴有泡沫塑料，其可以起到缓冲作用，避免小车碰撞后反弹.实验步骤如下：（1）两辆相同的小车分别从不同高度由静止开始下滑，撞击置于水平面上的木块（如图1所示）;（2）在其中一辆小车上放一个砝码，然后让两辆小车从同一高度由静止开始下滑，撞击置于水平面上的木块，比较两种情况下木块移动的距离（如图2所示）.信息快递：质量不等的小车从斜面的同一高度释放，运动到水平面时，它们的速度相等.

1.2 实验改进及创新

教材中所给出的斜面为两块木板拼接而成，小车前轮达到水平面时不可避免会产生碰撞，从而影响小车的运动状态.因此选手1设计搭建斜面的活动，其方法是利用木块与木板搭建一个斜面，与水平放置的木板构建起一个完整的实验装置.为了解决接缝处不平整的问题，在斜置的木板下方垫适量的纸.组装好以后再用较大的封箱胶带黏贴在接缝处，使其更加光滑.点评：搭建斜面的过程是使实验顺利开展的关键，因此选手设计相应的项目活动，让学生体验改进实验的过程.但在有限的课堂时间内，搭建斜面的过程花费了较多的时间，从而在实验过程的设计及讲解方面就略微匆忙和粗糙些.笔者建议准备器材时应以简便易操作为优先考虑的因素.

选手2首先让学生使用教材所示的器材进行实验.发现小车撞击木块，有可能将木块撞歪.接下来利用分段的木质凹槽组装斜面，研究对象选择小玻璃球以及小钢球，撞击放置于凹槽中的小立方体.教师在立方体撞击面黏贴了厚双面胶作为缓冲面（如图3所示）.点评：这样的改进有利于控制小球下滑的轨迹，能保证小立方体被推动的方向不发生偏移.但在操作过程中也暴露出一些问题，如立方体在经过两个分段之间链接处时会受到较大的阻力，玻璃球撞击立方体时偶而会出现弹起的现象等.通过评估的方式改进实验器材从而完成探究实验的意识值得肯定.

选手3在教材所示的器材上安装一条塑料卡槽，很好地解决前面两位选手出现的衔接处阻力较大的问题.选择小钢球作为研究对象，用其撞击粉笔，观察粉笔被撞击的距离，从而根据对粉笔做功的多少反映小钢球所具有的动能.该器材的改进充分利用生活中的器材，有效地解决之前选手所遇到的困难，成为器材改进中的亮点.选手4也采取选手3所使用的塑料卡槽，不同点在于选手4使用装有沙子的小试管作为被撞的物体.试管一端安装有橡皮塞起到与泡沫塑料相同的缓冲效果（如图4所示）.据选手的介绍，通过调节沙子的多少，能很好地解决小钢球反弹的问题.而通过更细致的观察，发现橡胶塞上竟然打了孔并塞有棉花，不得不感佩于选手的用心.点评：两位选手除了选择塑料卡槽限制物体运动的方向外，还利用刻度尺测量并记录物体被撞击移动的距离，基于数据的分析为学生更好地得出结论提供保障（典型数据见表1）.

1.3 探究活动项目化的思考

在上述课堂活动中，笔者以为选手2的教学活动及实验安排较为符合学生的认知特点.因为通过实际的操作和体验，才能发现实验时问题的所在，才会有改進实验的需求.此时教师若能给予学生充足的器材如塑料卡槽、小圆柱体等，那么就可以设计一个项目任务，例如“设计一套能探究影响动能大小因素的实验装置”.让学生在设计过程中进一步领悟控制变量的研究方法、转换的研究思想，同时对相关物理规律形成更加深刻的理解.

2 “探究重力势能大小与哪些因素有关”的实验设计及其改进

2.1 教材中的实验设计

教材中以打桩机图片引入重力势能的概念，而“探究重力势能与哪些因素有关”的实验也是以“模拟打桩”为主题展开活动.教材中所使用的器材如图5所示，实验方法如下：将“重锤”从“桩”的正上方的某一高度自由下落，思考如何将“桩”打得更深一些.从教材的编排可以看出这是一个典型的项目学习活动，让学生在解决问题的真实情境中获得知识与提升能力.

2.2 实验改进及创新

选手1和选手2都直接选择如教材所示的器材，选手1选择用大烧杯盛放沙子，用阿基米德原理实验中的塑料圆筒作为重锤，通过在圆筒中增减配重改变物体的质量.教师的预设是学生会用塑料圆筒砸小桌子，但在实际操作的过程中，学生往往会将其中的配重取出作为重物.这样就导致一节课下来砸坏至少3个玻璃烧杯，存在不小的安全隐患.而选手2选择的塑料沙盒就不会出现上述问题.

選手3在引入模拟打桩的活动时，设计一个模拟打桩机的实验让人印象深刻.实验装置如图6所示.该装置的缺陷在于重锤下落时有可能将小桌子砸歪，从而对实验结果产生影响.

选手4的设计有效地解决了上述问题.其实验器材如下：将铁架台置于沙盒中，同时在纸上标注刻度并包裹在铁杆上.在小桌和木块中间打孔（如图7所示），使其可以套在铁杆上.点评：学生使用这套器材在很大程度上保证了桩不会被打歪，同时也便于记录数据并进行分析论证（典型数据见表2）.

2.3 探究活动项目化的思考

上述教学活动中，选手4对于器材的设计与改进非常优秀.解决之前几位选手实验装置所出现的各种问题.笔者以为若能将其设计改进思想与选手3所设计的模拟打桩机相结合，设计项目学习活动“制作一个打桩机”，不仅能够与教材打桩机图片结合起来，彼此呼应;同时将实际的打桩机简化为利用简单机械的物理模型有助于学生将前后知识进行联系与应用，有利于其形成结构化的物理知识体系，培养其单元意识.设计的项目产品如图8

所示.制作完毕，给出探究任务：要想将“桩”打得深一些，可以采用哪些方法？从而获得“物体的重力势能与物体的质量和高度有关，质量越大、高度越高，它具有的重力势能就越大”的结论.

3 结语

从上述案例中可以发现：用身边常见的物品设计实验、制作实验器材往往能给予学生更震撼的感官冲击、能给予学生更深刻的认知体验、能给予学生更精准的实验数据.对实验器材、实验方法的改进与优化不仅能服务于日常的教学活动，同时对于教师专业能力的发展也具有重要的作用.而将实验改进融入项目学习的要素能够使课堂任务更加具体，学生学习目标也更加清晰.其中项目任务的设计与开发，有利于培养学生分析、综合以及评价等高阶思维;项目产品的制作与使用，有利于培养学生的动手操作能力.

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（收稿日期：2021-07-16）