嚴(yán)涵

(南通大學(xué)附屬中學(xué) 江蘇 南通 226019)

“格物窮理”是物理一詞的由來.這說明作為探索自然規(guī)律的物理學(xué)，它的生存與發(fā)展離不開對自然事物的觀察與探究.只有追尋事物的普遍規(guī)律，才可能歸納得出隱藏在紛繁復(fù)雜事件中的科學(xué)真理.物理實驗作為“格物窮理”的必然過程，成為了當(dāng)前培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的必要措施.在實驗探究的過程中，學(xué)生觀察，操作和思維相互影響的活動過程，正契合了核心素養(yǎng)中：問題解決、探究能力、批判性思維等的“認(rèn)知性素養(yǎng)”和自我管理、組織能力、人際交往等“非認(rèn)知性素養(yǎng)”的形成過程.

如今高中物理由于知識體系的嚴(yán)謹(jǐn)性，系統(tǒng)性，使學(xué)生的實驗探究過程變得非常少.而且就在為數(shù)不多的實驗探究中，又多以驗證性實驗為主，甚至以探究為目的實驗，如選修3-5“探究碰撞中的不變量”的實驗課，學(xué)生也因為在知曉碰撞前后系統(tǒng)動量守恒這一規(guī)律后，對實驗中產(chǎn)生的誤差視而不見，使得實驗過程沒有任何探究可言，也使實驗過程失去了提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的意義.其實教師只要把實驗探究的過程，真正地讓學(xué)生去做，去完成，那么結(jié)果就可能是另一番景象.下面結(jié)合對“動量守恒定律”一章的主體間性視閾下的課程實踐過程進(jìn)行分析，以期引發(fā)我們的教學(xué)思考.

1 提出研究課題 分組設(shè)計探究方案

該過程通過對課題的集體思考，讓學(xué)生說說生活中的碰撞現(xiàn)象，理清碰撞現(xiàn)象的特點.同時提醒學(xué)生利用課余時間，通過多種途徑(書本、網(wǎng)絡(luò)、老師等)查詢有關(guān)碰撞過程中的物理規(guī)律.明確探究目的，分組提出實驗設(shè)計方案.這樣設(shè)計的目的，是通過在課題的引入中，不加以結(jié)果性的結(jié)論規(guī)定，讓學(xué)生自主選擇，自由思考，激發(fā)學(xué)生主動探究問題的積極性.同時在探究方法上進(jìn)行多元化、開放式的引導(dǎo)，改變傳統(tǒng)千篇一律的探究方式.在實際過程中，班級學(xué)生分小組進(jìn)行了實驗設(shè)計，雖然絕大多數(shù)小組都采用了現(xiàn)成的實驗設(shè)計方案，但是他們也把傳統(tǒng)方案結(jié)合自己的想法進(jìn)行了再設(shè)計.例如：如何提供碰撞小車的初速度，有的同學(xué)認(rèn)為直接手推，有的小組為了使每一次的碰撞速度都保持一樣，提出用彈簧做觸發(fā)裝置(圖1).

圖1 彈簧做的觸發(fā)裝置

有的小組提出從斜面同一高度出發(fā)(圖2)等等，雖然這樣的設(shè)計并不是該實驗探究的核心，但是這確是學(xué)生自身主體認(rèn)知的自發(fā)過程.對于這些變化，教師要靜心觀察他們的探究過程和思維變化，不要強(qiáng)加干涉，以保護(hù)學(xué)生的自我意識.

圖2 從斜面的同一高度出發(fā)

2 優(yōu)化探究方案 實施探究實驗 構(gòu)建各向異性的民主環(huán)境基礎(chǔ)

該過程中，每一小組提供設(shè)計方案，教師了解、分析方案中學(xué)生的設(shè)計思想，通過最簡單的結(jié)構(gòu)性優(yōu)化，在不改變學(xué)生主體設(shè)計思想的前提下，以最小助力幫助學(xué)生們實現(xiàn)實驗探究.并指導(dǎo)學(xué)生合理進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)觀察和記錄.

學(xué)生的實驗設(shè)計基本呈現(xiàn)既有方法加自主個性的復(fù)合型方案.這符合實驗設(shè)計傳承與發(fā)展的特點.但是學(xué)生在對傳統(tǒng)方案的調(diào)整中，難免會出現(xiàn)設(shè)計方案的復(fù)雜化，錯誤化.如果任由相應(yīng)小組直接實施探究過程，就容易引起各個小組在探究過程中的差距.注意這里提及的是差距，不是差異.比如一個小組在設(shè)計方案過程中想直接探究兩只臺球的碰撞過程，對于碰撞過程中的速度測量，希望老師提供速度傳感器(實際實驗室并沒有)或者位移傳感器(實驗室有但是無法達(dá)成實驗設(shè)計要求).如果讓該組學(xué)生嘗試位移傳感器，有可能出現(xiàn)實驗?zāi)康臒o法達(dá)成，而另起爐灶耽擱時間的情況.還有一個小組，利用平拋實驗裝置探究，雖然方案是現(xiàn)成的，但是學(xué)生在速度的探測中過程復(fù)雜，老師可以提示裝置加裝光電門，以期加快數(shù)據(jù)獲取(圖3).在這過程中，老師要合理引導(dǎo)，適度提示，為的是盡可能減少老師的強(qiáng)勢影響.“最小助力”其實也是要把老師的知識權(quán)重，在學(xué)生主體間的探究過程中進(jìn)行量度稀釋.從而保證學(xué)生主體性的完整發(fā)展.同時通過老師對各小組實驗設(shè)計的分析，基本可以確定學(xué)生實驗探究過程中可能發(fā)生的問題，為最終實驗探究總結(jié)做好準(zhǔn)備.

圖3 加裝光電門

3 依據(jù)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析 尋找規(guī)律并相互交流達(dá)成探究目標(biāo)的一致

該階段以小組實驗數(shù)據(jù)結(jié)果為討論依據(jù)，以理論分析為方法，通過紙筆推演，結(jié)合已有知識體系，每個小組進(jìn)行規(guī)律尋找.在該過程中，學(xué)生可以通過多種途徑，手段進(jìn)行組內(nèi)探究.其過程中老師仍然需要以最小助力參與其中，目的是在不干擾學(xué)生主體間思維碰撞的同時，及時掌握各小組的探究思想和理論動態(tài).使得教師、學(xué)生、知識、實驗、數(shù)據(jù)等多主體間的關(guān)系達(dá)到一種民主的平衡.

可以看出，從開始的實驗設(shè)計，實驗操作，到觀察實驗，數(shù)據(jù)記錄，學(xué)生已經(jīng)在小組合作過程中實現(xiàn)了對最初課題內(nèi)容的認(rèn)知同化，培養(yǎng)了可以相互對話、交流的民主環(huán)境場.正因為這樣的民主同化場的出現(xiàn)，使得各主體間可以用相等的話語權(quán)進(jìn)行對話.通過民主對話，使各個小組，每一個成員都發(fā)現(xiàn)彼此的長短.

對知識、規(guī)律的探究從被動接受，到主動探究，培養(yǎng)了學(xué)生互助提升的科學(xué)研究素養(yǎng).例如學(xué)生在分析實驗過程中碰撞前后的系統(tǒng)總動量為什么不相等時，從碰撞前后數(shù)據(jù)雖然不等但是非常接近的特點，猜想出碰撞過程中系統(tǒng)總動量應(yīng)該是守恒的；通過分析碰撞過程中，系統(tǒng)中各個物體的動量為什么會相互轉(zhuǎn)變，推導(dǎo)出動量定理；通過分析總結(jié)數(shù)據(jù)的不等性，討論影響動量守恒的因素有哪些等等.其實這些內(nèi)容以及它們的關(guān)聯(lián)性是教材已經(jīng)安排好的，但是通過學(xué)生自主對實驗過程和結(jié)果的分析，自發(fā)地進(jìn)行了科學(xué)探究，這樣不但使得知識得以被掌握，也使學(xué)生理解實驗是自然規(guī)律探究的必然過程.

4 實驗探究再改進(jìn) 實驗?zāi)康脑倜鞔_ 誤差分析再精細(xì)

在第三階段的集體討論中，各小組通過全部小組的知識構(gòu)建，重新審視自己小組的實驗規(guī)律探究過程.有問題的進(jìn)行修正，有優(yōu)勢的進(jìn)行再細(xì)化.同時各小組從一般規(guī)律的普遍尋找，到對誤差產(chǎn)生的原因分析，分析理論與現(xiàn)實的關(guān)聯(lián)性，從而進(jìn)一步修正實驗手段,降低實驗誤差，理解規(guī)律對實驗過程的指導(dǎo)意義.

在這一階段，各小組其實已經(jīng)理解動量、沖量、動量定理和動量守恒定律，但是對于動量守恒定律的適用條件，其實還是沒有形成完整的表述形式.通過實驗尋找規(guī)律，是實驗探究的第一步.而在尋找到規(guī)律后，對實驗過程中誤差產(chǎn)生原因的分析，是非常關(guān)鍵的第二步.這一步，可以更加堅定所尋找到的科學(xué)規(guī)律的正確性與指導(dǎo)性.通過對實驗誤差產(chǎn)生原因的思考，是反向理解物理規(guī)律正確性的又一途徑.例如在學(xué)生通過集體討論得出動量定理和動量守恒定律后，學(xué)生首先確信：碰撞過程中系統(tǒng)動量應(yīng)該是守恒的，然后分析實驗數(shù)據(jù)的不等關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該是摩擦力對動量的影響導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的不等.也就激發(fā)了學(xué)生想通過減小摩擦力的影響，使得實驗數(shù)據(jù)更加接近動量的守恒規(guī)律.因此有的小組從改變實驗平臺入手，將鋁制光滑軌道，換成氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行實驗(圖4)，最終通過兩組不同平臺的實驗數(shù)據(jù)比較(表1和表2)，發(fā)現(xiàn)由于氣墊導(dǎo)軌的摩擦影響非常小，系統(tǒng)碰撞過程中的動量基本守恒.從實驗的改進(jìn)中，學(xué)生認(rèn)識到了系統(tǒng)動量守恒的條件，就是系統(tǒng)受到的外力矢量和為零.

圖4 氣墊導(dǎo)軌實驗平臺

表1 鋁制導(dǎo)軌平臺碰撞實驗數(shù)據(jù)

表2 氣墊導(dǎo)軌平臺碰撞實驗數(shù)據(jù)

5 集體匯報 教師與學(xué)生互動分析 各主體間達(dá)成探究目標(biāo)

在經(jīng)歷了前4個階段的螺旋上升式的探究過程基礎(chǔ)上，各小組再次通過多種方式進(jìn)行匯報.在匯報過程中，學(xué)生的主體性得到充分的展現(xiàn).當(dāng)然作為教學(xué)重要一環(huán)的教師也在聆聽匯報過程中，不斷地展示自己的主體思想，這一次不是引領(lǐng)，也不是強(qiáng)迫式的教學(xué)，而是充分結(jié)合學(xué)生的探究結(jié)果，通過自己的專業(yè)素養(yǎng)對匯報過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行及時地反饋，破解學(xué)生認(rèn)知困難，從而使探究規(guī)律得到固化，使探究廣度與深度達(dá)到最大化.同時在該過程中，教師作為探究主體，也可以適當(dāng)展現(xiàn)自己的認(rèn)知，這種認(rèn)知不一定是規(guī)律的重復(fù)展現(xiàn)，可以是對一種方法規(guī)律的自我理解，也可以是對自然科學(xué)自我認(rèn)知的展示，展示的內(nèi)容不一定是準(zhǔn)確的，但是應(yīng)該具有一定的前瞻性和討論性.

其實如果我們一線教師真正地以科學(xué)發(fā)展的眼光對待探究性實驗，不跳躍，不超越，認(rèn)真讓學(xué)生成為實驗探究的主體，扎實走好探究過程中的每一步，在學(xué)生間形成以主體間性哲學(xué)思想的探究氛圍，思想碰撞的火花一定是可以燎原的.