基于学习进阶的高中物理实验教学设计——以“探究加速度与力、质量的关系”为例

戴耀东

(1. 华中师范大学人工智能教育学部,湖北 武汉 430079; 2. 南通市海门证大中学,江苏 南通 226100)

人教版普通高中教科书《物理必修第1册》第4章第2节“探究加速度与力、质量的关系”,是高中物理实验教学的重点.本实验既是“练习使用打点计时器”“探究小车速度随时间变化的规律”和“研究自由落体运动规律”3个已学实验在操作技能和数据处理方面的进一步综合,也是后期实验“验证机械能守恒实验”的重要基础,在力学实验中占据着重要地位.

1 提出问题

科学探究本质上是由行为、思维和情绪活动交互构成的发现新的因果关系的循环过程.“探究加速度与力、质量的关系”实验涉及物理量较多,操作步骤复杂.在“实验设计”“数据分析”“误差分析”等环节要求学生不仅熟练掌握基本的实验技能,还能时刻监控整个实验进程,反复询问自己“这个步骤在整个实验中处于哪个环节?对整个实验的作用是什么?”以及“我清楚这些过程的具体操作吗?”,也就是所谓的元认知,否则学生很容易成为“操作指南的提线木偶”.如何在本实验的教学设计中保证学生实验过程的思维参与,强调思维型科学探究,是一线教师面临的问题.本文尝试从学习进阶的角度出发,设计路径促进学生思维型科学探究能力.

2 理论介绍

学习进阶从认知视角描述学生科学学习过程,搭建了一座对学习的研究和课堂实践教学的桥梁,成为了国际科学教育的热点议题.所谓学习进阶,是指“学生在一个时间跨度内,学习和探究某一主题时,依次进阶、逐级深化的思维方式”,并强调“教学实践对学习进阶起着关键作用”.可见,基于学习进阶的教学设计就是思考“如何设计路径促进发展”,一般遵循的设计流程如图1所示.

图1 基于学习进阶的教学设计模型[2]

具体到“探究加速度与力、质量的关系”的实验教学设计而言,主要解决以下3个问题:(1) 研究学生现有认知状态和期望认知状态,以及中间可能存在的认知状态,从而界定较为清晰的各进阶层级;(2) 确定促进学生发展的教学干预手段,如任务或问题驱动;(3) 建立有效的反馈机制,改进学习进阶设计,如分析各教学环节的设计意图等.

3 实验的教学设计

本节内容建议3课时,主要分为实验设计、实验操作与数据处理、误差分析与实验改进3个部分.

3.1 基于进阶的学情分析

从教学目标来看,在探究加速度与力、质量的关系实验过程中,学生经历“实验设计→实验操作与数据分析→误差分析与实验改进”过程.需要具体分析在各环节学生现有认知状态和期望认知状态,才能基于学习进阶,进一步设计学习过程.本实验教学学生具体的现有认知状态和期望认知状态如表1.

表1 基于进阶的学情分析

3.2 学习过程设计

学习过程设计主要根据学生现有认知状态和期望认知状态,确认估计中间认知状态,这是实际教学设计中关于学习进阶的重要环节,其中中间认知状态需要在“设计→实践→反思→再设计”的过程中反复调整,不断逼近学生实际的学习轨迹.基于学习进阶的“探究加速度与力、质量关系”学习过程设计如图2所示.

图2 “探究加速度与力、质量关系”学习过程设计图

3.3 教学开发

教学开发主要是根据已设计的学习过程,选择驱动问题和任务,设计具体的教学环节.在此过程中,主要需要注意以下两点:(1) 学生最近发展区,所谓最近发展区是“学生能独立解决的问题或任务(现有发展水平)”与“学生在教师指导下才能解决的问题或任务”之间的差距,维果茨基认为教学活动应该在这个区域内进行.所以教师应该选择学生在教师指导下才能完成的问题和任务,同时这些任务或问题应该是从学生已具备的知识或生活经验出发,才能更好地与学生发生联系;(2) 学生认知负荷,根据认知负荷理论,当学生进行复杂的学习任务时,工作记忆中需要同时加工多个信息元素,可能导致容量有限的工作记忆出现超负荷,出现认知困难.[3]所以,在复杂的学习问题或任务设计时,教师应降低每个信息单元所占用的认知资源,使工作记忆释放足够的容量完成认知加工,从而提升复杂物理认知任务的完成水平.[4]

课时1.“探究加速度与力、质量关系”的实验设计.

【环节1.引入】

伽利略理想实验,小球在光滑的水平面会做匀速直线运动.

问题1.给小球一个力,小球会如何运动?将这个力增大会怎样?

问题2.如果小球质量很大,用很小的力推,会有什么效果?

问题3.加速度与力、质量3者存在什么样的定量关系呢?

设计意图:问题1和2本质上是对牛顿第一定律理解,用伽利略理想实验可以为学生提供一个“心理表象”,避免“牛顿第一定律内容是什么”这类记忆型问题,从而引出本实验的根本任务——问题3.

【环节2.整体分析实验思路】

展示实验小车和轨道,为学生思考提供“锚点”.

问题4.如果要探究小车的加速度、力、质量3个物理量间的定量关系,应该用什么方法呢?

追问:请用控制变量法设计本实验的思路.

学生回答:控制小车质量不变,改变拉力大小,测量小车加速度.找出拉力与加速度的关系;控制小车受的拉力不变,改变小车质量,测量小车加速度,找出质量与加速度的关系.(板书,作为实验思路)

设计意图:引导学生思考“控制变量法”在本实验中的具体落实.这个环节对学生难度不大,但有助于学生对实验的整体认识.板书实验思路,是为了在后面的具体实验设计中,可以随时提醒学生使用这个实验思路指导自己的设计过程.降低学生的认知负荷,把更多的精力放在具体的设计过程,增加后面学习完成度.[5]

【环节3.物理量的测量】

本实验需要测量小车质量、力、加速度,请结合“实验思路”小组讨论各物理量的测量.(脚手架:控制小车质量不变,改变拉力大小,测量小车加速度.如何改变拉力大小?怎么知道拉力具体是多少?如何测量小车的加速度?)

设计意图:小组讨论并汇报,可能会出现不同测量方法.如加速度的测量,有光电门、打点计时器等,不同测量方案的相互影响,可以让学生认识到讨论的意义.为学生在讨论“力与加速度的关系”时设置脚手架,可以引导学生进行有效讨论,而“质量与加速度的关系”撤除脚手架,旨在引导学生达到能独立完成任务的水平.

问题5.大家都认为,小车受的拉力就是槽码的重力,有没有问题?

追问:小车受到的摩擦力需要处理吗?为什么?

用演示视频展示“平衡摩擦力”的具体操作过程,并请学生描述如何平衡摩擦力.

设计意图:问题5及追问旨在引发学生思考小车、槽码受力情况,并反思自己前概念的错误.在稍作停留后即可以鼓励学生回答,并顺利引出“平衡摩擦力”.经验表明,“平衡摩擦力”这类精细操作宜用视频演示,而不是实物演示.因为实物操作演示,离讲台较远的学生很难看清实验操作.为了体现“真实感”,演示视频应该是教师本人拍摄.[6]

【环节4.实验方案设计】

根据实验台已给器材,实验小组合作进行实验方案设计并展示(实验器材安装示意图,实验步骤等).

设计意图:实验小组设计实验方案是本课时的最终任务成果,既可以成为学习评价材料,为下节课的实验操作打下基础.

课时2.“探究加速度与力、质量关系”小组实验.

【环节5.小组实验】

在小组实验过程中,教师在巡视指导的过程中,可以经常问“你们进行到哪里了?这个步骤在整个实验中处于哪个环节?”“这个步骤对整个实验的作用是什么?”等问题,指导学生用思维指导操作,落实思维型科学探究.

设计意图:笔者多次尝试发现,如果采用传统的打点计时器,学生小组实验大量的精力都会放在加速度的计算,很容易出现以下问题:(1) 大量小组无法完成实验,导致最后草草收场;(2) 学生陷入加速度计算的泥潭,没有精力对自己实验操作进行监控,成为“实验步骤的提线木偶”.为此,笔者用光电门代替打点计时器测量小车加速度,教学效果明显提高.[7]

【环节6.结果展示】

以小组为单位,展示收集的数据以及处理后的a-F、a-m图像.

问题6.你是如何从a-m图像看出小车加速度与质量成反比的?[8]

追问:我们作一下a-m2图像,是否可以认为a与m2成反比呢?该如何解决这个问题?

设计意图:问题6及追问是针对学生“很自然地认为a-m图像是双曲线,所以顺理成章得出a与m成反比”这种情况,实际上我们是很难直观看出图线是否为双曲线.如果不针对性设计问题,学生很难觉察到自己推理存在的漏洞.这里其实在“拷问”学生思维严谨程度,培养学生求真的科学精神.

课时3.“探究加速度与力、质量关系”实验反思.

【环节7.误差分析】

问题7.我们已经用实验探究了小车加速度与力、质量的关系,本实验存在哪些误差呢?(脚手架——可以根据所测量的物理量来梳理本实验所涉及的误差)

问题8.各实验误差可能对实验结果造成什么影响?有什么改进方案?

设计意图:问题7中,学生在脚手架的引导下,梳理归类各种可能的误差,如关于小车受力的误差有平衡摩擦力、槽码重力不严格等于拉力、细绳与轨道不平行等;关于小车质量的误差有天平调零、砝码污损、读数等;小车加速度的测量误差,如挡光片安装等.问题8可以先分析实验造成的影响,然后针对性找学生实验操作时得出的图像进行分析,提出改进方案.旨在引导学生学会有条理地分析实验误差,进一步认识误差分析在实验探究中的重要性.

【环节8.实验改编】

脚手架:可以从改变各物理量的测量方法角度,或者从减小实验误差、方便实验操作的角度思考.

【环节9.撰写实验反思】

脚手架:反思表格(如表2).

表2

设计意图:实验改编和撰写实验反思可以引导学生对实验各个部分进行系统地再认识,并在交流过程中拓展和加深学生对“探究加速度与力、质量关系”实验的认识.特别需要指出的是实验反思中“操作时需要注意的事项”是引导学生对自身实验操作进行反思,“实验改进方法”是引导学生对实验本身进行再思考,从而进一步加强探究的思维性.

4 小结

学习进阶是科学教育研究领域的重要概念,基于学习进阶的教学可能成为未来的趋势.本文参照北京师范大学郭玉英教授及其团队开发的科学教学设计模型,基于学习进阶对“探究加速度与力、质量关系”实验进行了教学设计,尝试在实验教学中实现思维型科学探究,加强学生实验探究过程中的思维性.其中具体环节中运用了一些常见的学习心理学概念,如心理表象、最近发展区、认知负荷等,是实际教学中非常实用的理论,对一线教师有一定的参考价值.