實驗改進的項目化取向

彭夷 許幫正

摘 要：實驗作為物理教學(xué)的靈魂，能為物理學(xué)習(xí)提供基于客觀事實的證據(jù).而通過方法或者器材上的不斷改進，就能使實驗現(xiàn)象更加明顯，實驗數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，從而為學(xué)生理解物理規(guī)律提供更多支持.若教師在改進和設(shè)計的過程中融入項目學(xué)習(xí)的要素和思想，則能使學(xué)生在進行實驗的過程中不僅僅獲得知識與規(guī)律，同時也能獲得解決實際問題的能力，思維的深度和廣度得以拓展.

關(guān)鍵詞：動能勢能機械能;實驗改進;項目設(shè)計

中圖分類號：G633.7???? 文獻標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）22-0053-03

基金項目：江蘇省第十三期教研課題“基于課堂四要素的學(xué)校教學(xué)變革”（項目編號：2019JK13-L062）;無錫市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立項課題“單元設(shè)計視域下的項目開發(fā)與實踐研究”（項目編號：D/D/2018/019）.

作者簡介：彭夷（1980-），男，江蘇無錫人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理實驗教學(xué)、探究教學(xué);

許幫正（1971-），男，安徽桐城人，碩士，中學(xué)正高級教師，江蘇省特級教師，研究方向： 中學(xué)物理課堂教學(xué)、單元設(shè)計.

近期筆者參與了青年教師優(yōu)質(zhì)課賽課的評委工作，課題為“動能 勢能 機械能”.青年教師優(yōu)秀的多媒體使用能力、以學(xué)為中心的教學(xué)理念給筆者留下深刻印象.他們對于“探究動能大小與哪些因素有關(guān)”“探究重力勢能與哪些因素有關(guān)”的實驗創(chuàng)新與改進更是讓人有耳目一新的感覺.結(jié)合自身關(guān)于項目學(xué)習(xí)的教學(xué)研究與實踐，筆者以為若能將實驗的創(chuàng)新與改進融合項目學(xué)習(xí)的要素與思想，學(xué)生不僅僅能夠掌握知識與規(guī)律，同時還能獲得解決實際問題的能力，拓展其思維的深度與廣度.

1 “探究動能大小與哪些因素有關(guān)”的實驗設(shè)計及其改進

1.1 教材中的實驗設(shè)計

教材中使用的器材包括斜面、小車、木塊、砝碼等.其中木塊的一端貼有泡沫塑料，其可以起到緩沖作用，避免小車碰撞后反彈.實驗步驟如下：（1）兩輛相同的小車分別從不同高度由靜止開始下滑，撞擊置于水平面上的木塊（如圖1所示）;（2）在其中一輛小車上放一個砝碼，然后讓兩輛小車從同一高度由靜止開始下滑，撞擊置于水平面上的木塊，比較兩種情況下木塊移動的距離（如圖2所示）.信息快遞：質(zhì)量不等的小車從斜面的同一高度釋放，運動到水平面時，它們的速度相等.

1.2 實驗改進及創(chuàng)新

教材中所給出的斜面為兩塊木板拼接而成，小車前輪達(dá)到水平面時不可避免會產(chǎn)生碰撞，從而影響小車的運動狀態(tài).因此選手1設(shè)計搭建斜面的活動，其方法是利用木塊與木板搭建一個斜面，與水平放置的木板構(gòu)建起一個完整的實驗裝置.為了解決接縫處不平整的問題，在斜置的木板下方墊適量的紙.組裝好以后再用較大的封箱膠帶黏貼在接縫處，使其更加光滑.點評：搭建斜面的過程是使實驗順利開展的關(guān)鍵，因此選手設(shè)計相應(yīng)的項目活動，讓學(xué)生體驗改進實驗的過程.但在有限的課堂時間內(nèi)，搭建斜面的過程花費了較多的時間，從而在實驗過程的設(shè)計及講解方面就略微匆忙和粗糙些.筆者建議準(zhǔn)備器材時應(yīng)以簡便易操作為優(yōu)先考慮的因素.

選手2首先讓學(xué)生使用教材所示的器材進行實驗.發(fā)現(xiàn)小車撞擊木塊，有可能將木塊撞歪.接下來利用分段的木質(zhì)凹槽組裝斜面，研究對象選擇小玻璃球以及小鋼球，撞擊放置于凹槽中的小立方體.教師在立方體撞擊面黏貼了厚雙面膠作為緩沖面（如圖3所示）.點評：這樣的改進有利于控制小球下滑的軌跡，能保證小立方體被推動的方向不發(fā)生偏移.但在操作過程中也暴露出一些問題，如立方體在經(jīng)過兩個分段之間鏈接處時會受到較大的阻力，玻璃球撞擊立方體時偶而會出現(xiàn)彈起的現(xiàn)象等.通過評估的方式改進實驗器材從而完成探究實驗的意識值得肯定.

選手3在教材所示的器材上安裝一條塑料卡槽，很好地解決前面兩位選手出現(xiàn)的銜接處阻力較大的問題.選擇小鋼球作為研究對象，用其撞擊粉筆，觀察粉筆被撞擊的距離，從而根據(jù)對粉筆做功的多少反映小鋼球所具有的動能.該器材的改進充分利用生活中的器材，有效地解決之前選手所遇到的困難，成為器材改進中的亮點.選手4也采取選手3所使用的塑料卡槽，不同點在于選手4使用裝有沙子的小試管作為被撞的物體.試管一端安裝有橡皮塞起到與泡沫塑料相同的緩沖效果（如圖4所示）.據(jù)選手的介紹，通過調(diào)節(jié)沙子的多少，能很好地解決小鋼球反彈的問題.而通過更細(xì)致的觀察，發(fā)現(xiàn)橡膠塞上竟然打了孔并塞有棉花，不得不感佩于選手的用心.點評：兩位選手除了選擇塑料卡槽限制物體運動的方向外，還利用刻度尺測量并記錄物體被撞擊移動的距離，基于數(shù)據(jù)的分析為學(xué)生更好地得出結(jié)論提供保障（典型數(shù)據(jù)見表1）.

1.3 探究活動項目化的思考

在上述課堂活動中，筆者以為選手2的教學(xué)活動及實驗安排較為符合學(xué)生的認(rèn)知特點.因為通過實際的操作和體驗，才能發(fā)現(xiàn)實驗時問題的所在，才會有改進實驗的需求.此時教師若能給予學(xué)生充足的器材如塑料卡槽、小圓柱體等，那么就可以設(shè)計一個項目任務(wù)，例如“設(shè)計一套能探究影響動能大小因素的實驗裝置”.讓學(xué)生在設(shè)計過程中進一步領(lǐng)悟控制變量的研究方法、轉(zhuǎn)換的研究思想，同時對相關(guān)物理規(guī)律形成更加深刻的理解.

2 “探究重力勢能大小與哪些因素有關(guān)”的實驗設(shè)計及其改進

2.1 教材中的實驗設(shè)計

教材中以打樁機圖片引入重力勢能的概念，而“探究重力勢能與哪些因素有關(guān)”的實驗也是以“模擬打樁”為主題展開活動.教材中所使用的器材如圖5所示，實驗方法如下：將“重錘”從“樁”的正上方的某一高度自由下落，思考如何將“樁”打得更深一些.從教材的編排可以看出這是一個典型的項目學(xué)習(xí)活動，讓學(xué)生在解決問題的真實情境中獲得知識與提升能力.

2.2 實驗改進及創(chuàng)新

選手1和選手2都直接選擇如教材所示的器材，選手1選擇用大燒杯盛放沙子，用阿基米德原理實驗中的塑料圓筒作為重錘，通過在圓筒中增減配重改變物體的質(zhì)量.教師的預(yù)設(shè)是學(xué)生會用塑料圓筒砸小桌子，但在實際操作的過程中，學(xué)生往往會將其中的配重取出作為重物.這樣就導(dǎo)致一節(jié)課下來砸壞至少3個玻璃燒杯，存在不小的安全隱患.而選手2選擇的塑料沙盒就不會出現(xiàn)上述問題.

選手3在引入模擬打樁的活動時，設(shè)計一個模擬打樁機的實驗讓人印象深刻.實驗裝置如圖6所示.該裝置的缺陷在于重錘下落時有可能將小桌子砸歪，從而對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響.

選手4的設(shè)計有效地解決了上述問題.其實驗器材如下：將鐵架臺置于沙盒中，同時在紙上標(biāo)注刻度并包裹在鐵桿上.在小桌和木塊中間打孔（如圖7所示），使其可以套在鐵桿上.點評：學(xué)生使用這套器材在很大程度上保證了樁不會被打歪，同時也便于記錄數(shù)據(jù)并進行分析論證（典型數(shù)據(jù)見表2）.

2.3 探究活動項目化的思考

上述教學(xué)活動中，選手4對于器材的設(shè)計與改進非常優(yōu)秀.解決之前幾位選手實驗裝置所出現(xiàn)的各種問題.筆者以為若能將其設(shè)計改進思想與選手3所設(shè)計的模擬打樁機相結(jié)合，設(shè)計項目學(xué)習(xí)活動“制作一個打樁機”，不僅能夠與教材打樁機圖片結(jié)合起來，彼此呼應(yīng);同時將實際的打樁機簡化為利用簡單機械的物理模型有助于學(xué)生將前后知識進行聯(lián)系與應(yīng)用，有利于其形成結(jié)構(gòu)化的物理知識體系，培養(yǎng)其單元意識.設(shè)計的項目產(chǎn)品如圖8

所示.制作完畢，給出探究任務(wù)：要想將“樁”打得深一些，可以采用哪些方法？從而獲得“物體的重力勢能與物體的質(zhì)量和高度有關(guān)，質(zhì)量越大、高度越高，它具有的重力勢能就越大”的結(jié)論.

3 結(jié)語

從上述案例中可以發(fā)現(xiàn)：用身邊常見的物品設(shè)計實驗、制作實驗器材往往能給予學(xué)生更震撼的感官沖擊、能給予學(xué)生更深刻的認(rèn)知體驗、能給予學(xué)生更精準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù).對實驗器材、實驗方法的改進與優(yōu)化不僅能服務(wù)于日常的教學(xué)活動，同時對于教師專業(yè)能力的發(fā)展也具有重要的作用.而將實驗改進融入項目學(xué)習(xí)的要素能夠使課堂任務(wù)更加具體，學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)也更加清晰.其中項目任務(wù)的設(shè)計與開發(fā)，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析、綜合以及評價等高階思維;項目產(chǎn)品的制作與使用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力.

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（收稿日期：2021-07-16）