帥厚梅

(江蘇省揚(yáng)州市新華中學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225009)

通過“問題引導(dǎo)”提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)*
——以“測定勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度”實(shí)驗(yàn)為例

帥厚梅

(江蘇省揚(yáng)州市新華中學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225009)

“實(shí)驗(yàn)探究”是物理核心素養(yǎng)的一個(gè)重要組成部分，要求學(xué)生能提出物理問題，形成猜想和假設(shè)，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋，以及對實(shí)驗(yàn)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力．“實(shí)驗(yàn)探究”主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素．

筆者在對教科版《物理·必修1》第一章第9節(jié)“測定勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度”進(jìn)行授課時(shí)，并沒有“照本宣科”，而是將這一節(jié)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置成一節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課，希望學(xué)生“能像科學(xué)家一樣思考”，參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)探究的過程，并在此探究的過程中掌握科學(xué)探究的方法，提升實(shí)驗(yàn)探究的素養(yǎng)．

1 明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?探究實(shí)驗(yàn)方案

在授課前，筆者先在黑板上寫下本節(jié)課的標(biāo)題“測定勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度”，目的是讓學(xué)生明確本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模缓筇岢鰡栴}：“你能想到什么辦法測量加速度這個(gè)物理量？”這個(gè)問題的答案顯然有很多，筆者提問的目的就是充分打開學(xué)生的思路．問題拋出后，學(xué)生就開始議論紛紛．在學(xué)生議論的過程中，筆者又引導(dǎo)：“在你身邊有沒有一個(gè)儀器可以直接測量加速度這個(gè)物理量？”“如果身邊沒有直接測量的儀器，你怎么辦？”這時(shí)學(xué)生會(huì)想到如果無法直接測量某物理量，也可以間接測量．所謂間接測量就是依據(jù)某個(gè)原理(函數(shù)關(guān)系)通過測量其他物理量來計(jì)算所需要的物理量．于是，筆者追問：“你能想到哪些方法可以計(jì)算出加速度？”在筆者的引導(dǎo)下，學(xué)生很快想到可以通過

vt=v0+at

Δx=aT2

等幾個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算，此外還可以通過v-t圖像進(jìn)行求解．

筆者接著追問：“如果通過以上的幾個(gè)方法得到加速度，分別需要測量哪些物理量？如何測量？”學(xué)生帶著這些問題，打開思路，展開討論，筆者再在學(xué)生討論的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶崾尽⒀a(bǔ)充和總結(jié)．在學(xué)生討論過程中所想出來的方法，即使不可行，教師也不能一味否定，而是要先對學(xué)生的積極思考給予肯定，然后順著學(xué)生的思路，引導(dǎo)學(xué)生對方案的可行性進(jìn)行分析，可以通過以下問題引導(dǎo)學(xué)生思考“此方案從實(shí)際條件出發(fā)是否可行？為什么不可行？遇到什么困難？如何解決？還有沒有其他辦法(方案)？”等等．最后，由學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)桌上提供的器材，選定一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，即選擇“Δx=aT2”來間接測量加速度．

接下來，就選定的實(shí)驗(yàn)方案展開討論．筆者首先問：“我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且芯縿蜃兯僦本€運(yùn)動(dòng)的加速度，那么運(yùn)動(dòng)的主體是誰？”就實(shí)驗(yàn)桌上提供的器材，學(xué)生容易想到是小車．然后筆者又問：“如何使小車獲得勻變速直線運(yùn)動(dòng)？”這時(shí)就有學(xué)生想到對小車施加一個(gè)作用力．筆者順著這個(gè)思路問：“如何給小車施加力？”有學(xué)生結(jié)合提供的實(shí)驗(yàn)器材說：“用鉤碼通過細(xì)線拉著小車加速運(yùn)動(dòng)．”也有學(xué)生想到“可以讓小車在傾斜的木板上(由于重力的作用)加速運(yùn)動(dòng)．”等等．在討論的基礎(chǔ)上，筆者接著問：“如何記錄(測量)小車運(yùn)動(dòng)的位移和時(shí)間？”由于之前沒有給學(xué)生介紹過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，所以同學(xué)們首先想到在木板上記錄下小車的初末位置，用刻度尺測量初末位置間的距離即可得到位移，用秒表即可測量時(shí)間．筆者首先從理論上肯定了這個(gè)思路，然后提出通過此方法只能得到一組數(shù)據(jù)，測量誤差會(huì)比較大．至于時(shí)間用秒表測量，筆者沒有立即否定，而是通過當(dāng)場做實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親身感受到，由于小車運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短，用秒表測量時(shí)間誤差太大，此方案不可行．

當(dāng)學(xué)生滿懷信心提出一個(gè)不太可行的實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，教師千萬不能簡單粗暴地否定，這樣容易打擊學(xué)生的思考積極性和探究熱情．教師可以先“謙虛地”接受學(xué)生的方案，然后和學(xué)生一起去做實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由學(xué)生自己對之前的方案進(jìn)行否定．再鼓勵(lì)學(xué)生繼續(xù)思考，是否還有其他的可行方案．如果學(xué)生想不到更好的方案，再由教師介紹新的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生就會(huì)比較感興趣，從而更好地接受和掌握新知識．因此，在學(xué)生“黔驢技窮”時(shí)，筆者向?qū)W生介紹了“打點(diǎn)計(jì)時(shí)器”，學(xué)生對新儀器很好奇，興趣較強(qiáng)，學(xué)習(xí)效果必然會(huì)很好．

2 選擇實(shí)驗(yàn)器材 梳理實(shí)驗(yàn)步驟

介紹完“打點(diǎn)計(jì)時(shí)器”之后，筆者還是通過問題引導(dǎo)學(xué)生選擇本實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)器材：“本實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)主體是什么？如何使小車運(yùn)動(dòng)，需要哪些器材？如何記錄小車運(yùn)動(dòng)的位移和時(shí)間，需要哪些器材？與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器配套使用的儀器有哪些？打點(diǎn)結(jié)束后數(shù)據(jù)處理，需要什么器材？”等等.筆者這樣做的目的，就是希望學(xué)生能夠順著這樣的思路，自己歸納、總結(jié)出本實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)器材．就算以后對實(shí)驗(yàn)器材有所遺忘，也能夠順著這樣的思路回憶出來，而不能僅依賴“死記硬背”來學(xué)習(xí)物理．

接下來就是引導(dǎo)學(xué)生梳理實(shí)驗(yàn)步驟，這一步也是先由學(xué)生自主梳理，筆者在學(xué)生梳理的過程中通過一些問題進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)、補(bǔ)充，并對一些注意事項(xiàng)進(jìn)行強(qiáng)調(diào)．設(shè)置的問題有：“打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在木板的哪一端？所掛的鉤碼是不是越多越好？小車從木板的哪一端開始釋放？先釋放小車還是先接通電源，為什么？”等等.有些問題會(huì)有學(xué)生說錯(cuò)，不過沒關(guān)系，讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)一下，就可以自行糾正錯(cuò)誤了．

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)量資料服從正態(tài)分布用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，獨(dú)立樣本多組間比較采用單因素方差分析，重復(fù)測量資料的比較采用重復(fù)測量資料的方差分析，多均數(shù)兩兩比較采用SNK-q檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料比較采用χ2 檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作 解決實(shí)際問題

梳理完實(shí)驗(yàn)步驟后就放手由學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中，筆者進(jìn)行巡視．在這個(gè)過程中，學(xué)生會(huì)遇到各種各樣的實(shí)際問題，這時(shí)要鼓勵(lì)學(xué)生提出問題，并對問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行猜想、分析、排查和解決．例如，有學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)提出“為什么打點(diǎn)計(jì)時(shí)器不工作？”筆者沒有立即幫助他解決問題，而是問他：“你認(rèn)為不工作的可能原因是什么？”學(xué)生猜想可能是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器壞了，也可能是電源沒有電等．筆者又問：“你如何對問題進(jìn)行排查？”學(xué)生首先假設(shè)是電源壞了，然后借用同桌的電源試試，最終發(fā)現(xiàn)確實(shí)是他那一桌的電源存在問題．也有學(xué)生提出“為什么打出來的點(diǎn)跡不清楚？”筆者問她：“紙帶上的點(diǎn)跡是根據(jù)什么原理打出來的？”學(xué)生從打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作原理出發(fā)，猜想可能是墨粉紙盤使用時(shí)間太長墨粉不夠?qū)е?，然后她將墨粉紙盤轉(zhuǎn)動(dòng)了一下，再次打點(diǎn)，點(diǎn)跡就很清楚了．在這個(gè)過程中，筆者始終鼓勵(lì)學(xué)生自己提出問題，自己形成一定的猜想與假設(shè)，并盡可能自己分析處理問題．通過這樣的方式，才能真正提高學(xué)生提出問題、分析問題并解決問題的能力．

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，也有學(xué)生會(huì)犯一些錯(cuò)誤，筆者并沒有過分指責(zé)批評，而是盡量通過提問來啟發(fā)學(xué)生自己思考，自行調(diào)整．其實(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中犯錯(cuò)是正常的，教師要做的不是讓學(xué)生在錯(cuò)誤中學(xué)到自卑，而是讓學(xué)生在錯(cuò)誤中學(xué)會(huì)分析問題和解決問題，讓學(xué)生在錯(cuò)誤中更好地成長．

學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)后，筆者針對學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行提問：“為什么有些同學(xué)打出來的點(diǎn)跡不是在一條直線上？如何解決這個(gè)問題？”、“為什么有些同學(xué)打出來的點(diǎn)跡不清楚？如何解決？”、“為什么有些同學(xué)打出來的點(diǎn)跡很少或點(diǎn)跡過密？如何解決？”等等．對于學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中可能存在的一些非安全性的問題，筆者并沒有在實(shí)驗(yàn)前都一一講解以預(yù)防學(xué)生犯錯(cuò)，因?yàn)楣P者認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)前就把所有可能遇到的問題都提醒學(xué)生，會(huì)顯得很枯燥空洞．而當(dāng)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，在學(xué)生有實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再由教師提出或由學(xué)生自己提出實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，學(xué)生會(huì)對問題存在的原因很感興趣．此時(shí)教師再引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行分析，學(xué)生會(huì)從中學(xué)到很多知識，其提出問題、分析問題和解決問題的能力也會(huì)由此而提升．

4 處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 分析誤差原因

在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，筆者沒有直接告知學(xué)生數(shù)據(jù)處理的方法，而是由學(xué)生自己思考、分析．當(dāng)筆者問“如何對紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理？需要哪些數(shù)據(jù)？如何得到所需的數(shù)據(jù)？”時(shí)，學(xué)生容易想到用刻度尺測量距離，用打點(diǎn)周期計(jì)算時(shí)間，但學(xué)生只想到選擇其中一組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理．當(dāng)筆者問“如果一組數(shù)據(jù)測量誤差比較大，怎么辦？”時(shí)，學(xué)生就能夠想到要用多組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終取平均值來減少實(shí)驗(yàn)誤差．“那么，多組數(shù)據(jù)如何處理？”學(xué)生首先想到的是“相鄰逐差法”，如圖1所示．

圖1 紙帶

即

x2-x1=a1T2

x3-x2=a2T2

x5-x4=a4T2

x6-x5=a5T2

筆者沒有立刻否定這一處理方法，而是讓學(xué)生根據(jù)此方法進(jìn)一步推算5個(gè)加速度的平均值公式

學(xué)生根據(jù)最后的結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)此方法的弊端．“相鄰逐差法誤差也相對較大，那么如何處理呢？”學(xué)生沒有回答出來，這時(shí)筆者再向?qū)W生介紹“分組隔項(xiàng)逐差法”，即

x4-x1=3a1T2

x5-x2=3a2T2

x6-x3=3a3T2

學(xué)生就能很好地理解和接受新方法了．

在此基礎(chǔ)上，筆者又追問：“能否通過以上數(shù)據(jù)，求出各個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)的速度？從而用v-t圖像求解加速度？”學(xué)生能夠想到可以通過位移和時(shí)間求平均速度．筆者繼續(xù)追問：“平均速度在什么情況下可以等于瞬時(shí)速度？”學(xué)生想到“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的中間時(shí)刻的速度等于平均速度”．再追問：“那么，各計(jì)數(shù)點(diǎn)處的速度如何求？”

數(shù)據(jù)處理完成后，筆者通過問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行誤差分析：“本實(shí)驗(yàn)中存在哪些誤差？如何減小誤差？”等等．整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后還給學(xué)生留下一些課后思考的問題：“除了本節(jié)實(shí)驗(yàn)課我們所用的方法外，你還能設(shè)計(jì)出其他可行的方案嗎？你設(shè)計(jì)的方案需要哪些實(shí)驗(yàn)器材？實(shí)驗(yàn)步驟有哪些？如何進(jìn)行數(shù)據(jù)處理？實(shí)驗(yàn)誤差有哪些？”等等．

本節(jié)實(shí)驗(yàn)課，筆者沒有完全按照課本上的教學(xué)步驟采取“教師講，學(xué)生聽”的傳統(tǒng)教學(xué)方式，而是通過設(shè)置若干具有啟發(fā)性的問題，引導(dǎo)學(xué)生自己思考、討論、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并針對實(shí)驗(yàn)方案中存在的各種問題進(jìn)行提問、分析和解決．這些問題，可以充分打開學(xué)生的思維，拓展學(xué)生的思路，能夠較好地啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題，從而有效地提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)．

課程標(biāo)準(zhǔn)指出：“物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵成分”．就此實(shí)驗(yàn)，學(xué)生長大以后的生活中幾乎不可能再遇到，但此實(shí)驗(yàn)過程中所用到的提出問題、分析問題和解決問題的思路和思維方法，在以后的生活中必然會(huì)或多或少地涉及．這些實(shí)驗(yàn)探究的素養(yǎng)，需要物理教師在平時(shí)的教學(xué)過程中用心去培養(yǎng)，而通過啟發(fā)性的問題引導(dǎo)學(xué)生去自主探究，不失為一個(gè)提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)的有效措施．

中學(xué)物理教學(xué)

*江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究第十一期課題“基于問題的中學(xué)物理‘對話·體悟’式教學(xué)研究與實(shí)踐”的階段性研究成果，課題編號：2015JK11-L177

2017-03-08)