徐衛(wèi)華

(南通市教育科學(xué)研究中心，江蘇南通 226001)

“課堂應(yīng)是學(xué)生的學(xué)堂，不應(yīng)該是教師的講堂”，傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，我們教師常常自認(rèn)為物理“難”，所以更多地選擇將知識(shí)灌輸給學(xué)生，即使是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，思維開放的尺度也不夠大，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究體驗(yàn)度不高，其根本原因在于未能做到心中有學(xué)生，“腳手架”的搭建偏離了學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”.筆者以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例，就高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何基于最近發(fā)展區(qū)理論給學(xué)生搭好“腳手架”進(jìn)行探討，望有助于教學(xué)實(shí)踐.

1 立足于“現(xiàn)有發(fā)展水平”，引導(dǎo)學(xué)生開放式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)是探索物理規(guī)律的過程，學(xué)生是探究的主體，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的本質(zhì)特征不在于“訓(xùn)練、強(qiáng)化”學(xué)生已形成的思維、技能和任務(wù)(即“現(xiàn)有發(fā)展水平”)，而在于激發(fā)形成目前還不存在的心理機(jī)能(即“潛在發(fā)展水平”)，而后者往往又具有復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，因此只有在師生交往過程中才能準(zhǔn)確地確定學(xué)生的兩個(gè)發(fā)展水平.學(xué)生的“現(xiàn)有發(fā)展水平”和“潛在發(fā)展水平”之間的距離就是最近發(fā)展區(qū)，是學(xué)生不成熟的心理機(jī)能所在，這也恰好是我們教學(xué)的著眼點(diǎn).

人教版必修1第4章第2節(jié)“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”，從生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，學(xué)生很容易猜測(cè)加速度大小與力、質(zhì)量有關(guān)，加上學(xué)生在初中已經(jīng)掌握了“控制變量法”，初步掌握了探究一個(gè)物理量與幾個(gè)可能有關(guān)因素的方法，這是學(xué)生的現(xiàn)有發(fā)展水平.學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?如何定量處理數(shù)據(jù)?尤其是如何自主進(jìn)行誤差分析?這是學(xué)生的潛在發(fā)展水平.我們?cè)谠摴?jié)內(nèi)容的教學(xué)過程中應(yīng)該給學(xué)生搭好腳手架，引導(dǎo)其逐步接近潛在發(fā)展水平.

1.1 提供“過?！睂?shí)驗(yàn)裝置，讓學(xué)生自主選擇器材

提供器材:帶定滑輪的長(zhǎng)木板、帶定滑輪的導(dǎo)軌車、氣墊導(dǎo)軌(帶有擋光條)、滑塊、小車、細(xì)線、鉤碼、砝碼盤、砝碼、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、光電門、天平、彈簧秤.

學(xué)生第一次做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，不管選擇什么樣的實(shí)驗(yàn)器材，都是其“現(xiàn)有發(fā)展水平”的真實(shí)反映，我們不要去否定任何一個(gè)學(xué)生的器材選擇，而要根據(jù)其思維方向進(jìn)行引導(dǎo)，幫助其分析并形成實(shí)驗(yàn)方案，促進(jìn)他們求知的心理機(jī)能得到最大的發(fā)展.教師也不要輕易說選長(zhǎng)木板的學(xué)生沒有選導(dǎo)軌或者氣墊導(dǎo)軌的學(xué)生聰明，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和光電門的選擇也不要進(jìn)行約束，而應(yīng)該讓他們帶著問題來做實(shí)驗(yàn)，從而產(chǎn)生探究的動(dòng)機(jī).學(xué)生選擇實(shí)驗(yàn)器材的過程對(duì)器材的作用及位置擺放都會(huì)有所思考，是形成實(shí)驗(yàn)方案的前提.

1.2 初步形成實(shí)驗(yàn)方案

要進(jìn)行量化實(shí)驗(yàn)，必須要準(zhǔn)確地測(cè)得加速度a、質(zhì)量M以及力F.

(1)測(cè)量加速度a.學(xué)生在第2章學(xué)習(xí)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律時(shí)有了經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可以測(cè)量勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度.利用光電門可以得到小車通過某兩個(gè)標(biāo)識(shí)的速度，運(yùn)用勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以計(jì)算出加速度a.

(2)可以用天平直接測(cè)量小車(或滑塊)的質(zhì)量M.

(3)力F如何得到?用彈簧秤直接拉行不行?引導(dǎo)學(xué)生嘗試后發(fā)現(xiàn)，彈簧秤無法保證示數(shù)穩(wěn)定.初中學(xué)習(xí)過“滑輪組”的知識(shí)，除了用力直接拉以外，還可以用鉤碼、砝碼等重物來代替.

經(jīng)過上述一番思考，選擇不同實(shí)驗(yàn)裝置的學(xué)生，都能設(shè)計(jì)出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，如圖1、圖2、圖3所示.

圖1

圖2

圖3

實(shí)驗(yàn)中，保證實(shí)驗(yàn)成功有2個(gè)要素，一是鉤碼質(zhì)量(或砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量)遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，二是“平衡摩擦力”.學(xué)生在初始設(shè)計(jì)時(shí)是想不到的，屬于本節(jié)課的“潛在發(fā)展水平”，教學(xué)中不要急于灌輸，而應(yīng)該讓學(xué)生在自主實(shí)驗(yàn)中去發(fā)現(xiàn)矛盾，然后再和學(xué)生一起分析得到.

對(duì)于學(xué)生形成的不同方案，我們不要進(jìn)行約束，不過在學(xué)生提出用控制變量法進(jìn)行探究后，為了學(xué)生更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，我們有必要引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)記錄數(shù)據(jù)的表格.

2 自主探究，結(jié)論從矛盾到統(tǒng)一

學(xué)生得到不同的實(shí)驗(yàn)方案，是否都可以得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果呢?學(xué)生只有在實(shí)驗(yàn)后才能知道.得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果是新的“現(xiàn)有發(fā)展水平”，我們應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生從不同的實(shí)驗(yàn)方案得到的結(jié)果對(duì)比中，發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行深入的思考，跨越到最近發(fā)展區(qū)到達(dá)新的“潛在發(fā)展水平”.

2.1 組間對(duì)比，自主發(fā)現(xiàn)需要“平衡摩擦力”

控制小車(或滑塊)質(zhì)量M不變，探究加速度a與力F的關(guān)系，分別用圖2、圖3(圖1的結(jié)果與圖3類似)的裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有明顯的差異性.

用圖2裝置(氣墊導(dǎo)軌)得到數(shù)據(jù)如表1所示，學(xué)生根據(jù)表中數(shù)據(jù)，可以很快得到力F與加速度a的比值F/a分別為 0.386，0.394，0.395，0.407，0.402，在誤差允許范圍內(nèi)，猜想在M一定時(shí)，a與F成正比例，進(jìn)一步描點(diǎn)連圖得到如圖4所示的過原點(diǎn)的直線，可以確立這樣的結(jié)論:M一定時(shí)，加速度a與力F成正比.

表1

表2

圖4

圖5

用圖3裝置(一般導(dǎo)軌車)得到數(shù)據(jù)如表2所示，學(xué)生根據(jù)表中數(shù)據(jù)得到F/a的值分別為 0.817，0.503，0.445，0.426，0.419.這樣的結(jié)果，顯然無法得到“M一定時(shí)，a與F成正比例”的結(jié)論.那么兩者是什么關(guān)系呢?引導(dǎo)學(xué)生也采用描點(diǎn)連圖的方式進(jìn)行探究，得到的圖線如圖5所示，是一條不過原點(diǎn)的直線.

問題生成:為何2種不同的裝置在探究同一個(gè)規(guī)律時(shí)，會(huì)得到2個(gè)不同的結(jié)果?

學(xué)生帶著差異性的結(jié)果重新審視圖2、圖3(或圖1)，不難發(fā)現(xiàn)用氣墊導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)時(shí)(圖2)，滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦力很小，可以忽略不計(jì).用一般導(dǎo)軌車實(shí)驗(yàn)時(shí)(圖3)，滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦力不能忽略.那么圖3(或圖1)的裝置是不是就不能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究呢?

新的問題再次生成:用圖3(或圖1)的裝置如何消除摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響?此時(shí)生成了平衡摩擦力的需求，這個(gè)問題是在學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)的，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了力的分解，熟悉“斜面”這一模型，很自然地聯(lián)系到將導(dǎo)軌(或長(zhǎng)木板)墊高，借助于重力沿斜面向下的分量來平衡摩擦力.改進(jìn)后再次實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，用圖3裝置平衡摩擦力后得到的數(shù)據(jù)如表3所示.

表3

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，學(xué)生描點(diǎn)連圖，得到的圖線如圖6所示，是一條過原點(diǎn)的直線，也可以得出結(jié)論:M一定時(shí)，加速度a與力F成正比.

2.2 變量轉(zhuǎn)換，強(qiáng)化應(yīng)用圖像探究物理量關(guān)系的正確方法

圖6

運(yùn)用圖像法處理數(shù)據(jù)是重要的實(shí)驗(yàn)探究方法，如果描點(diǎn)連圖得到的是直線，那么學(xué)生能夠根據(jù)線性關(guān)系來確定兩個(gè)物理量之間的關(guān)系.如果描點(diǎn)連圖得到的是曲線(如F一定，探究加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系)，學(xué)生在初中的定量實(shí)驗(yàn)中沒有遇到過，屬于“潛在發(fā)展水平”，需要我們引導(dǎo)學(xué)生先根據(jù)曲線的形態(tài)進(jìn)行猜想，再改變變量來驗(yàn)證自己的猜想.

表4

圖7

圖8

3 拋出疑點(diǎn)，將探究引向深入

每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有“難點(diǎn)”，以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”來說，學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)牛頓第二定律，無法預(yù)見小車所受的拉力F與鉤碼的總重力mg不相等，即F≠mg.但是，本實(shí)驗(yàn)要探究出正確的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)時(shí)須滿足鉤碼的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車和荷碼的總質(zhì)量M，即m?M.如果實(shí)驗(yàn)中直接拋出這個(gè)實(shí)驗(yàn)條件，顯然是超出了學(xué)生的“潛在發(fā)展水平”.

我們可以在學(xué)生得到了上述2個(gè)結(jié)論后，展示某小組得出的圖線，如圖9所示.看到這樣的圖線，學(xué)生必然會(huì)有很深的疑惑，可以讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)再進(jìn)行探究，多做幾組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明隨著m的增大，確實(shí)會(huì)在所描圖線的末端出現(xiàn)非線性.學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)論，但疑點(diǎn)并未消除，這個(gè)疑點(diǎn)又為下節(jié)課的探究提供了“腳手架”.

圖9