高中物理教學(xué)要求學(xué)生能利用圖像描述和解釋物理現(xiàn)象，能使用圖像方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)公式或根據(jù)圖像得到某些物理量的測(cè)量值。我們?cè)谖锢斫虒W(xué)中常常發(fā)現(xiàn)，盡管學(xué)生能較好地掌握講授過的那些圖像所表征的含義，但缺乏利用圖像來理解、分析、表達(dá)物理現(xiàn)象，以及利用圖像對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析的認(rèn)知能力。簡(jiǎn)言之，學(xué)生難以把他們所熟知的表征具體內(nèi)容的圖像方法遷移到理解新的問題情境中去。究其原因在于學(xué)生可以從課本上獲得關(guān)于圖像的知識(shí)，但他們對(duì)圖像的理解最終要取決于利用圖像方法解決問題的相關(guān)活動(dòng)。
　　在一般的物理實(shí)驗(yàn)課上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的前提是學(xué)生已經(jīng)了解某現(xiàn)象的變化規(guī)律，知道圖像曲線的具體形狀，要求學(xué)生做的工作只是根據(jù)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，若發(fā)現(xiàn)有些點(diǎn)不符合標(biāo)準(zhǔn)則要分析誤差原因。在這樣的實(shí)驗(yàn)中，把圖像作為一種有效的方法／工具來分析現(xiàn)象／問題的實(shí)踐活動(dòng)幾乎是不存在的，這也就造成圖像知識(shí)和應(yīng)用這種圖像知識(shí)的實(shí)踐很大程度上是處于一種“分裂”的狀態(tài)。
　　我們認(rèn)為適宜的解決辦法是創(chuàng)設(shè)一種探究性的物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，其中包含一系列需要使用圖像才能順利完成的不同層次的任務(wù)，促使學(xué)生在與這種情境的不斷交互過程中，從多個(gè)側(cè)面理解圖像方法／工具的實(shí)際應(yīng)用意義，并掌握利用圖像知識(shí)分析，處理問題的典型方法。圖像方法的優(yōu)勢(shì)通常體現(xiàn)在對(duì)大量測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的時(shí)候，這就意味著那些探究任務(wù)往往伴隨大量的數(shù)據(jù)測(cè)量處理和圖像繪制工作，而這些費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的工作將導(dǎo)致學(xué)生只能有極少的時(shí)間和精力投入到觀察和分析圖像變化的認(rèn)知活動(dòng)中去，難以達(dá)到預(yù)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)。
　　通過文獻(xiàn)調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的MBL(Microcomputer-based Lab，基于微型計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)室)技術(shù)可以很好地解決上述困難。
　　
　　一、關(guān)于MBL技術(shù)
　　
　　MBL技術(shù)產(chǎn)品包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用軟件。傳感器探測(cè)物理信號(hào)(如溫度，光強(qiáng)等)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(目前的產(chǎn)品每秒能采集數(shù)據(jù)一萬次以上)，通過數(shù)據(jù)采集器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，最后由應(yīng)用軟件將這些測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示為圖像和數(shù)據(jù)表等，同時(shí)提供常用的圖像和數(shù)據(jù)的分析處理功能，以幫助學(xué)生利用圖像變化來觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，理解和分析實(shí)驗(yàn)規(guī)律以及表達(dá)探究結(jié)果等。MBL技術(shù)產(chǎn)品能在短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)采集和顯示大量測(cè)量數(shù)據(jù)并且繪制出圖像，使學(xué)生從這些最需要耗費(fèi)時(shí)間的“苦差事”中解放出來。更重要的是，“實(shí)時(shí)的圖像顯示”有助于學(xué)生利用圖像觀察測(cè)量數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。此外，許多研究者發(fā)現(xiàn)使用MBL技術(shù)的適宜方法是在基于合作小組的探究性活動(dòng)中，讓學(xué)生自己去思考測(cè)量什么、怎樣測(cè)量以及如何解釋測(cè)量的結(jié)果。
　　
　　二、基于MBL的探究性物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)設(shè)計(jì)
　　
　　我們將參與活動(dòng)的學(xué)生分成多個(gè)合作小組，每個(gè)小組包括三名學(xué)牛和一套安裝好的MBL計(jì)算機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)。學(xué)生對(duì)圖像的認(rèn)識(shí)主要處于一個(gè)具體的操作思維水平，因此我們不能期望一個(gè)缺乏形式思維能力的學(xué)生能自己設(shè)計(jì)出一個(gè)探究活動(dòng)程序，以促進(jìn)對(duì)形式思維過程的體驗(yàn)和理解，故而我們采用以“有結(jié)構(gòu)的探究活動(dòng)”為主的形式，即探究時(shí)給學(xué)生提供將要調(diào)查研究的問題，解決問題所要使用的方法和材料，但不提供預(yù)期結(jié)果，學(xué)生根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析概括，發(fā)現(xiàn)某種聯(lián)系，找到問題的答案。
　　依據(jù)循序漸進(jìn)的原則，我們所設(shè)計(jì)的探究性任務(wù)包含兩個(gè)層次：第一個(gè)層次是利用圖像定性分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生需要正確理解圖像表征與測(cè)量數(shù)據(jù)變化之間的聯(lián)系，并且使用圖像表征來解釋、分析和評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。第二個(gè)層次是在定性描述基礎(chǔ)上結(jié)合圖像擬合方法進(jìn)行定量探究，學(xué)生需要在對(duì)圖像表征分析、評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用曲線擬合方法推測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式／定量關(guān)系。在設(shè)計(jì)探究任務(wù)的具體內(nèi)容時(shí)，主要考慮滿足四個(gè)方面的要求：一是與學(xué)生的背景知識(shí)相適應(yīng)，減少學(xué)生在形成假設(shè)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案方面的困難；二是注意留有相當(dāng)?shù)奈粗骄靠臻g，以激發(fā)他們的興趣；三是這些任務(wù)要集中體現(xiàn)與MBL技術(shù)相結(jié)合的圖像方法的優(yōu)勢(shì)；四是這些任務(wù)都需要小組成員協(xié)作才能完成。整個(gè)活動(dòng)分為以下三個(gè)階段：
　　1．準(zhǔn)備與適應(yīng)階段(兩學(xué)時(shí))
　　開課之前，學(xué)生均沒有使用MBL系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，也缺少進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的機(jī)會(huì)，但對(duì)于小組合作完成實(shí)驗(yàn)的方式還是相當(dāng)熟悉的。在這個(gè)階段中，我們首先介紹該系統(tǒng)的功能和使用方法，并指導(dǎo)各小組進(jìn)行一些簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，而后安排三個(gè)適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)：“等溫條件上封閉氣體的壓強(qiáng)與體積之間的定量關(guān)系”、“在一般的變速運(yùn)動(dòng)中驗(yàn)證牛頓第二定律”，“日光燈或電腦屏幕的頻閃規(guī)律分析”，要求各小組按要求寫出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生所熟悉的，如我們?cè)谡n堂上發(fā)給每個(gè)學(xué)生一個(gè)注射器針管，讓他們體驗(yàn)活塞推進(jìn)和拉出過程中堵在針管頂端的手指所感受到的氣壓的變化。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生也曾驗(yàn)證過勻變速直線運(yùn)動(dòng)中加速度與臺(tái)外力的正比關(guān)系，現(xiàn)在的安排則是在之前基礎(chǔ)上加以擴(kuò)展——由定性體驗(yàn)到定量分析，由特殊情況到一般情況的驗(yàn)證。而第三個(gè)實(shí)驗(yàn)則需要引導(dǎo)他們注意平時(shí)難以覺察的頻閃現(xiàn)象，并把交流電的知識(shí)和光強(qiáng)的變化聯(lián)系起來。這樣設(shè)計(jì)的好處是讓學(xué)生對(duì)他們不熟悉的探究性實(shí)驗(yàn)有一個(gè)逐步適應(yīng)的過程，同時(shí)也對(duì)MBL系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與局限有了較深入的了解，為下一步的探究活動(dòng)做好準(zhǔn)備。
　　由于我們所使用的MBL產(chǎn)品每秒最多可采集數(shù)據(jù)達(dá)7000次，可以提供相當(dāng)詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料。面對(duì)如此龐大的數(shù)據(jù)，學(xué)生們很快就會(huì)意識(shí)到圖像表征的巨大優(yōu)勢(shì)。
　　2．定性的、以描述性探究為主的階段(兩學(xué)時(shí))
　　在這個(gè)階段中，我們安排了兩個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)：“運(yùn)動(dòng)鞋在各種表面的摩擦性能”和“通電直導(dǎo)線的磁場(chǎng)分布情況”。我們要求各小組至少任選其中之一，小組要討論并寫出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過教師認(rèn)可后方能繼續(xù)實(shí)施。實(shí)驗(yàn)完成后，我們組織這些小組展示、交流各自的研究成果，并結(jié)合他們的實(shí)驗(yàn)來指導(dǎo)進(jìn)一步的定量探究。
　　(1)研究“運(yùn)動(dòng)鞋在各種表面的摩擦性能”的基本過程
　　運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地面材料的防滑性能會(huì)影響學(xué)生的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)安全，本研究的目的就是了解塑膠，水泥和瀝青三種地面摩擦性能的差異。利用測(cè)量學(xué)生常穿的運(yùn)動(dòng)鞋在一定壓力下的最大靜摩擦力，可以得到各種材料摩擦性能的信息。通過軟件平臺(tái)正確設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)并給運(yùn)動(dòng)鞋里加上一定重物后，用“力傳感器”通過鞋帶平拉鞋子，緩慢增加拉力，直到鞋子開始在地面上運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，拉力隨時(shí)間變化的圖像實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，可以發(fā)現(xiàn)拉力先增大后減小，根據(jù)該圖像的峰值可以得到最大靜摩擦力。學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)相同的運(yùn)動(dòng)鞋在不同表面材料的地面上受到的最大靜摩擦力是不一樣的，獲得的測(cè)量圖像也有不同的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要分析在塑膠，水泥和瀝青表面的測(cè)量圖像的差異，以及當(dāng)?shù)孛嬗兴蛴袎m土?xí)r測(cè)量圖像的變化情況。我們還鼓勵(lì)學(xué)生利用這種測(cè)量圖像進(jìn)一步分析不同鞋底材料或鞋底花紋的防滑性能。
　　(2)研究“通電直導(dǎo)線的磁場(chǎng)分布情況”的基本過程
　　磁性是物質(zhì)的一種普遍屬性，學(xué)生初中就知道電流具有磁效應(yīng)，本研究的目的是進(jìn)一步了解通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)與哪些因素有關(guān)系，是什么樣的關(guān)系。結(jié)合以往的知識(shí)進(jìn)行初步討論之后，學(xué)生不難確定研究假設(shè)“電流激發(fā)的磁場(chǎng)與電流強(qiáng)度以及距離有關(guān)”。依據(jù)控制變量法，檢驗(yàn)假設(shè)的實(shí)驗(yàn)要分為兩部分：在保證導(dǎo)線電流不變的情況下，改變距離并觀察磁場(chǎng)強(qiáng)弱的變化；在距離一定的情況下，改變電流并觀察磁場(chǎng)強(qiáng)弱的變化。先給直導(dǎo)線通以一定的電流，沿著垂直于導(dǎo)線的方向每隔一定距離就使用磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器測(cè)量一次對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，距離隨時(shí)間變化的圖像和磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的圖像將同步顯示在屏幕上。為了更容易觀察通電導(dǎo)線的磁場(chǎng)分布，可以提示學(xué)生去掉時(shí)間變量而得到一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度與相對(duì)距離的關(guān)系圖像。由這個(gè)新圖像可以看出，隨著距離的增加，磁場(chǎng)將迅速減弱。再考察電流對(duì)磁場(chǎng)的影響，可以將磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感罪的探頭固定放在某個(gè)位置，改變電流的強(qiáng)度并用電流傳感器測(cè)量電流的變化，這時(shí)屏幕上分別顯示出磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的圖像和電流隨時(shí)間變化的圖像。去掉時(shí)間這個(gè)無關(guān)變量之后，可得到在該位置處磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流變化的圖像。在多個(gè)不同位置重復(fù)測(cè)量后，將不難發(fā)現(xiàn)這些圖像都是過原點(diǎn)的直線，大多數(shù)學(xué)生會(huì)很快猜想得到它們之間的正比關(guān)系。這時(shí)，我們可以提示學(xué)生使用曲線擬合功能分析這些直線所表征的具體函數(shù)關(guān)系，還可以進(jìn)一步引導(dǎo)他們根據(jù)前面得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨距離變化的圖像分析出相應(yīng)的定量關(guān)系。我們還將組織小組討論上述兩方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，嘗試著歸納宜導(dǎo)線磁場(chǎng)分布的經(jīng)驗(yàn)公式，在定性描述的探究基礎(chǔ)上開始逐步過渡到定量的研究。
　　3．定性和定量探究相結(jié)合的階段(兩學(xué)時(shí))
　　在這個(gè)階段我們安排了兩個(gè)定量探究實(shí)驗(yàn)：“小燈泡的光強(qiáng)隨距離的變化關(guān)系”和“籃球在各種地面上的反彈規(guī)律”。我們同樣要求各小組至少任選其中之一，但與前一階段不同的是各小組將獨(dú)立設(shè)計(jì)，實(shí)施實(shí)驗(yàn)，井在完成實(shí)驗(yàn)后向全體匯報(bào)探究的過程和結(jié)果。我們還將和學(xué)生一起評(píng)價(jià)這些成果，分別推選出一等獎(jiǎng)組、二等獎(jiǎng)組和鼓勵(lì)獎(jiǎng)組。
　　(1)研究“小燈泡的光強(qiáng)隨距離的變化關(guān)系”的基本過程
　　夜晚，在昏暗的路燈下看書會(huì)損害視力，原因是光線太暗了。這不是因?yàn)槁窡舯旧聿粔蛄?，而是因?yàn)闀倦x路燈太遠(yuǎn)了。顯然，照在物體上的光強(qiáng)是與被照物體到光源的距離有關(guān)的，本研究的目的是探究點(diǎn)光源的光強(qiáng)與距離之間的具體關(guān)系。將小燈泡、光強(qiáng)傳感器和刻度尺都放人暗箱，并保證測(cè)量的距離大干燈絲長(zhǎng)度(小燈泡可視作點(diǎn)光源)，如圖1所示。
　　
　　在不斷改變光傳感器到光源距離的同時(shí)，電腦屏幕上方的兩個(gè)工作區(qū)會(huì)分別顯示出距離和光強(qiáng)隨時(shí)間變化的圖像。可以考慮去掉時(shí)間這個(gè)無關(guān)變量，在屏幕左下方的工作區(qū)建立一個(gè)光強(qiáng)隨距離變化的新圖像，以便直接觀察二者之間的關(guān)系。從該圖像上能夠明顯看出這是—個(gè)遞減函數(shù)曲線，學(xué)生可以從軟件平臺(tái)提供的20多類常見函數(shù)中挑選可能的幾種進(jìn)行曲線擬合，將擬合的曲線結(jié)果和測(cè)量圖像加以比較分析，從而推測(cè)一種最相符合的數(shù)學(xué)關(guān)系。當(dāng)然這將是一個(gè)不斷評(píng)價(jià)和反思的過程，而且還要充分考慮到實(shí)驗(yàn)方法或測(cè)量誤差帶來的某些不可避免的影響。
　　(2)研究“籃球在各種地面上的反彈規(guī)律”的基本過程
　　運(yùn)動(dòng)場(chǎng)表面覆蓋的材料通常有塑膠、瀝青和水泥地面等。使籃球從一定高度下落到這些材料上，觀察籃球反彈高度隨反彈次數(shù)的下降，可得到反彈衰減圖像曲線，從中獲得各種材料反彈性能的信息。將籃球與位移接收傳感器固定在一起，鐵架臺(tái)頂端固定一個(gè)與計(jì)算機(jī)相連的位移發(fā)射傳感器(圖2)。
　　
　　使籃球從一定高度開始下落，接觸地面后反彈到最高點(diǎn)，再次下落……經(jīng)過多次反復(fù)后直至靜止在地面上。在此過程中，位移傳感器不斷采集籃球位置變化的數(shù)據(jù)，并在屏幕上同步顯示反彈高度隨時(shí)間變化的關(guān)系圖像。每次與地面碰撞后，由于能量損失，反彈高度逐漸減小。學(xué)生可以分析出與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一一對(duì)應(yīng)的圖像的變化，在此基礎(chǔ)上提取每次反彈后的最高點(diǎn)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的反彈次數(shù)，建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。通過軟件平臺(tái)設(shè)置以反彈高度為縱坐標(biāo)，反彈次數(shù)為橫坐標(biāo)的反彈衰減圖像。
　　在塑膠、水泥和瀝青地面上分別進(jìn)行測(cè)量，學(xué)生將發(fā)現(xiàn)不同地面對(duì)籃球的反彈衰減圖像并不一樣，不難看出塑膠地面衰減情況較小，反彈性能最好。之后，學(xué)生還需要進(jìn)一步探討這些衰減圖像可能符合的數(shù)學(xué)規(guī)律，多次嘗試開考慮空氣阻力的影響之后，分析出這些圖像都比較符合對(duì)數(shù)函數(shù)的規(guī)律，而且不同曲線的對(duì)數(shù)方程是不一樣的。有的小組還根據(jù)位移一時(shí)間圖像，利用該軟件繪制出速度一時(shí)間和加速度一時(shí)間圖像，探討速度衰減的規(guī)律和重力加速度的測(cè)量。
　　
　　三、MBL技術(shù)應(yīng)用的啟示
　　
　　為了考查基于MBL技術(shù)的探究性物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)在促進(jìn)圖像認(rèn)知能力方面的效果，我們?cè)诒本┦械谖逯袑W(xué)進(jìn)行丁實(shí)踐研究。從實(shí)驗(yàn)前測(cè)與后測(cè)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：通過基于MBL圖像工具的探究性物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，被試學(xué)生的圖像認(rèn)知技能得到了一定程度的提高。特別值得注意的是，實(shí)驗(yàn)后測(cè)是在脫離MBL環(huán)境的紙筆方式或在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件上進(jìn)行的，這說明學(xué)生通過使用MBL圖像工具獲得了某種“認(rèn)知存留”(cognitire residue，Salomon 1991年提出技術(shù)制品的使用會(huì)留下認(rèn)知存留，這個(gè)存留在后來制品本身不存在時(shí)也能夠有效支持認(rèn)知活動(dòng))。換句話說，MBL工具的運(yùn)用在一定程度上改善了學(xué)生對(duì)于圖像的理解能力，并且這種能力還能被遷移到不同的情境中去。
　　根據(jù)觀察記錄和調(diào)查問卷結(jié)果，我們可以分析并歸納出MBL工具在探究活動(dòng)中的幾方面典型作用：一是MBL可在短時(shí)間內(nèi)收集大量數(shù)據(jù)并自動(dòng)繪圖，這明顯減輕了許多非生產(chǎn)性的工作負(fù)擔(dān)，允許學(xué)生將更多的時(shí)間和精力投入到觀察和分析圖像變化的認(rèn)知活動(dòng)中。二是MBL實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)使學(xué)生易于建立圖像符號(hào)表征和正在發(fā)生的物理現(xiàn)象之間的聯(lián)系，從而有助于學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上對(duì)圖像意義進(jìn)行建構(gòu)。三是MBL提供的一系列圖像分析與處理功能，有助于引導(dǎo)學(xué)生將他們的認(rèn)知努力集中到與圖像方法有關(guān)的問題中來。四是在學(xué)習(xí)小組以及師生交流中，MBL還往往表現(xiàn)為提供一種共同表征工具的作用。由此我們可以看出，MBL的作用不僅表現(xiàn)為對(duì)活動(dòng)本身的有力支持，更重要的是它通過影響學(xué)生的活動(dòng)和思考方式，為學(xué)生內(nèi)化該工具的圖像表征系統(tǒng)提供了良好的機(jī)會(huì)。這恐怕就是學(xué)生在使用以后表現(xiàn)出圖像“認(rèn)知存留”效果的重要原因吧。
　　(作者單位：北京市第五中學(xué) 北京師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)