物理实验题命制原则的思考(三)‖教研分享系列328


在《物理实验题命制原则的思考(一)‖教研分享系列326》一文中讨论了物理实验的特点;根据实验特点,在《物理实验题命制原则的思考(二)‖教研分享系列327》一文中提出了物理实验题的命制原则,而且以打点计时器+纸带类实验为例进行了具体说明。今天对物理实验中的实验目的做一个简单讨论,然后对本次主题启论中的题例做一简单评论。


​四、实验目的简论


注意到,在有些优质视频课例中,存在为实验而实验,为探究而探究的课堂教学现象,有不少学者对此提出批评,称之为假实验、假探究。


同样地,在各类试卷中,包括高考试卷中存在不像实验的实验题。


何以判断一个实验、一个探究为假实验、假探究呢?何以评论指出一个实验题不具有“实验”味呢?号主认为,一个重要的判断依据是:实验目的是否明确,是否围绕实验目的创设实验情景?若是,就是真实验、真探究、像实验;否则,就是假实验、假探究、不像实验。


浙江有位刚退休不久的特级教师在群讨论中指出:动能定理动量定理实质上就是牛顿第二定律的另外两种表现形式。


注意到,不少版本教材、不少老师会借助匀变速(直线)运动情景由牛顿第二定律推导两个定理,推导得到两个定理后并没有做出补充说明,更没有通过拓展情景论证说明两个定理的独特物理意义。


对微积分非常熟悉而且能够灵活运用的人,恐怕也会认为所谓“拓展情景”中的动能定理、动量定理也同样可以由牛顿第二定律推导得到。从这个意义上而言,动能定理、动量定理似乎就是牛顿第二定律的推论。

号主才疏学浅,未能从更高深层次论述动能定理、动量定理有别于牛顿第二定律的独特物理意义。只能从高中物理层次指出,动能定理、动量定理的价值是能够解决牛顿第二定律无法解决的问题,即解决非匀变速运动问题。


事实上,人教社04版教材相关章节编写得非常好,例如机械能、动量章节,从寻找守恒量视角引出能量(动能、势能)、动量概念,再从力的时空积累效果引出功、冲量概念,实质上这就是从更高站位上暗示动能定理、动量定理的深层次物理意义。基于认知发展规律、最近发展区理论和进阶学习理论,先从简单的熟悉的运动情景(匀变速运动)通过牛顿第二定律从“理论”上探究得到动能定理、动量定理,这是科学合理正确的教学处理;遗憾的是,并没有推进深度教学,致使动能定理、动量定理的物理意义没有很好地揭示出来,守恒观、能量观、动量观的形成与提炼也大打折扣。


下面,号主仅以动能定理教学案例加以说明:


注意到,教材以抽象的匀加速直线运动情景推导得到动能定理。号主建议改进教学,从光滑斜面情景来推导动能定理,目的是为深度教学奠定可拓展的情景基础,而且也更具象一些。


从光滑斜面情景推导得到动能定理之后,不要急于“巩固训练”,而是对推导过程进行反思:


反思① 在这个情景中,有那些力做了功?为什么?


反思② 重力做功具有怎样的特点?


反思③ 具备完全相同做功特点——支持力不做功、重力做功相同的情景,是否都能得到“动能定理”这样的结论?请列举这样的运动情景。


反思④ 在光滑曲面情景或更复杂的多过程情景下,你能否运用牛顿第二定律再次推导动能定理?你的意志努力给你带来了什么启示?


反思⑤ 对于光滑曲面情景或更复杂的多过程情景,未能从牛顿第二定律进行理论推导得到动能定理,那么动能定理在这些情景下成立吗?如何验证其成立?又如何论证动能定理是普遍成立的物理规律?


通过上面深度反思,很自然地引出了探究性实验教学——探究(验证)动能定理(事实上,此时的验证动能定理实验本质上就是探究性实验)。而且我们自然地想到:只有设计非匀变速运动情景探究(验证)动能定理才具有“物理学习”上的意义。经过这样的深度教学、才能走进真正意义上的探究教学,才能培养学生的(理论与实验)探究能力、质疑创新能力,真正地落实核心素养教学。


通过上面教学反思和案例分析,不难体悟到真正的“实验目的”是什么。不管是探究性实验,还是验证性实验,除了测量实验课题中的具体物理量之外,它对实验情景还有特别的要求——只有创设有价值的实验情景才能彰显实验课题的理论意义和实践价值。


在《物理实验题命制原则的思考(一)‖教研分享系列326》一文中,我们把实验课题中的具体物理量的测量称之为操作“目标”,而不是“目的”,原因就是物理量的测量只是实验过程中的重要环节,是实验研究手段,而不是真正意义上的实验目的,真正意义上的实验目的一定要彰显更深层次的理论意义或更恒远方面的实践价值。例如,测量电源电动势和内阻,这一测量实验的目的应该指向确定电源固有属性以便于更多实际问题的解决,此谓“更恒远的实践价值”是也。


优质课例上的实验、探究给人于虚假感受,原因就在于把手段当目的、把操作目标当实验目的,即未能彰显实验更本质方面的意义。


顺带说明一下,创新实验具有很重要的教学价值和教育意义,但是手段上的创新并不是真正意义上的创新。有些创新实验具有为创新而创新之嫌,也在于把实验手段当实验目的了。


​五、题例评论


在本课题起论中,我们给出了下面试题:



根据我们前面的讨论,在自由落体运动情景中验证机械能守恒定律,理论意义是不大的。注意到,在这个实验中会强调一个注意事项:不能用v=(2gh)½计算速度,只能用相邻计数点平均速度公式计算(间接测量)速度。这个注意事项的“隐藏道理”正是前面所述。


当然,这道题命制最大的诟病是第(2)题。这道题的命制毫无“实验”味,而且与本题“实验目的”毫无关系。


在《物理实验题命制原则的思考(一)‖教研分享系列326》中指出,几乎所有实验中的物理量测量都是间接测量,原因是在“物理规律”还未探究出来之前,相关物理量直接测量工具也不可能问世。所以,探究或验证物理规律的实验,一般不是直接对物理规律中的物理量之间关系进行直接探究(验证),而是把物理规律作为一个“假设”,基于现有理论体系演绎推理得到一个可直接验证的“推论”或“预言”。从这个意义上而言,对实验目的进行理论分析或演绎推理,继而得到一个可直接验证的实验目标(即前述“推论”),这应该是实验工作的一部分,而且有时还是不可逾越的部分。


然而,题例中第(2)题并不是对实验目的进行理论分析,更不是为了得到一个更易验证的推论。因此,本小题命制脱离本实验题的初衷,属于“离题”败笔。


关于实验题命制原则课题讨论,到此全部结束了,诚邀手机屏幕前的你留言批评斧正!