物理實驗題命制原則的思考(三)‖教研分享系列328


在《物理實驗題命制原則的思考(一)‖教研分享系列326》一文中討論了物理實驗的特點;根據實驗特點,在《物理實驗題命制原則的思考(二)‖教研分享系列327》一文中提出了物理實驗題的命制原則,而且以打點計時器+紙帶類實驗為例進行了具體說明。今天對物理實驗中的實驗目的做一個簡單討論,然後對本次主題啟論中的題例做一簡單評論。


​四、實驗目的簡論


注意到,在有些優質視頻課例中,存在為實驗而實驗,為探究而探究的課堂教學現象,有不少學者對此提出批評,稱之為假實驗、假探究。


同樣地,在各類試卷中,包括高考試卷中存在不像實驗的實驗題。


何以判斷一個實驗、一個探究為假實驗、假探究呢?何以評論指出一個實驗題不具有「實驗」味呢?號主認為,一個重要的判斷依據是:實驗目的是否明確,是否圍繞實驗目的創設實驗情景?若是,就是真實驗、真探究、像實驗;否則,就是假實驗、假探究、不像實驗。


浙江有位剛退休不久的特級教師在群討論中指出:動能定理動量定理實質上就是牛頓第二定律的另外兩種表現形式。


注意到,不少版本教材、不少老師會藉助勻變速(直線)運動情景由牛頓第二定律推導兩個定理,推導得到兩個定理後並沒有做出補充說明,更沒有通過拓展情景論證說明兩個定理的獨特物理意義。


對微積分非常熟悉而且能夠靈活運用的人,恐怕也會認為所謂「拓展情景」中的動能定理、動量定理也同樣可以由牛頓第二定律推導得到。從這個意義上而言,動能定理、動量定理似乎就是牛頓第二定律的推論。

號主才疏學淺,未能從更高深層次論述動能定理、動量定理有別於牛頓第二定律的獨特物理意義。只能從高中物理層次指出,動能定理、動量定理的價值是能夠解決牛頓第二定律無法解決的問題,即解決非勻變速運動問題。


事實上,人教社04版教材相關章節編寫得非常好,例如機械能、動量章節,從尋找守恆量視角引出能量(動能、勢能)、動量概念,再從力的時空積累效果引出功、衝量概念,實質上這就是從更高站位上暗示動能定理、動量定理的深層次物理意義。基於認知發展規律、最近發展區理論和進階學習理論,先從簡單的熟悉的運動情景(勻變速運動)通過牛頓第二定律從「理論」上探究得到動能定理、動量定理,這是科學合理正確的教學處理;遺憾的是,並沒有推進深度教學,致使動能定理、動量定理的物理意義沒有很好地揭示出來,守恆觀、能量觀、動量觀的形成與提煉也大打折扣。


下面,號主僅以動能定理教學案例加以說明:


注意到,教材以抽象的勻加速直線運動情景推導得到動能定理。號主建議改進教學,從光滑斜面情景來推導動能定理,目的是為深度教學奠定可拓展的情景基礎,而且也更具象一些。


從光滑斜面情景推導得到動能定理之後,不要急於「鞏固訓練」,而是對推導過程進行反思:


反思① 在這個情景中,有那些力做了功?為什麼?


反思② 重力做功具有怎樣的特點?


反思③ 具備完全相同做功特點——支持力不做功、重力做功相同的情景,是否都能得到「動能定理」這樣的結論?請列舉這樣的運動情景。


反思④ 在光滑曲面情景或更複雜的多過程情景下,你能否運用牛頓第二定律再次推導動能定理?你的意志努力給你帶來了什麼啟示?


反思⑤ 對於光滑曲面情景或更複雜的多過程情景,未能從牛頓第二定律進行理論推導得到動能定理,那麼動能定理在這些情景下成立嗎?如何驗證其成立?又如何論證動能定理是普遍成立的物理規律?


通過上面深度反思,很自然地引出了探究性實驗教學——探究(驗證)動能定理(事實上,此時的驗證動能定理實驗本質上就是探究性實驗)。而且我們自然地想到:只有設計非勻變速運動情景探究(驗證)動能定理才具有「物理學習」上的意義。經過這樣的深度教學、才能走進真正意義上的探究教學,才能培養學生的(理論與實驗)探究能力、質疑創新能力,真正地落實核心素養教學。


通過上面教學反思和案例分析,不難體悟到真正的「實驗目的」是什麼。不管是探究性實驗,還是驗證性實驗,除了測量實驗課題中的具體物理量之外,它對實驗情景還有特別的要求——只有創設有價值的實驗情景才能彰顯實驗課題的理論意義和實踐價值。


在《物理實驗題命制原則的思考(一)‖教研分享系列326》一文中,我們把實驗課題中的具體物理量的測量稱之為操作「目標」,而不是「目的」,原因就是物理量的測量只是實驗過程中的重要環節,是實驗研究手段,而不是真正意義上的實驗目的,真正意義上的實驗目的一定要彰顯更深層次的理論意義或更恆遠方面的實踐價值。例如,測量電源電動勢和內阻,這一測量實驗的目的應該指向確定電源固有屬性以便於更多實際問題的解決,此謂「更恆遠的實踐價值」是也。


優質課例上的實驗、探究給人於虛假感受,原因就在於把手段當目的、把操作目標當實驗目的,即未能彰顯實驗更本質方面的意義。


順帶說明一下,創新實驗具有很重要的教學價值和教育意義,但是手段上的創新並不是真正意義上的創新。有些創新實驗具有為創新而創新之嫌,也在於把實驗手段當實驗目的了。


​五、題例評論


在本課題起論中,我們給出了下面試題:



根據我們前面的討論,在自由落體運動情景中驗證機械能守恆定律,理論意義是不大的。注意到,在這個實驗中會強調一個注意事項:不能用v=(2gh)½計算速度,只能用相鄰計數點平均速度公式計算(間接測量)速度。這個注意事項的「隱藏道理」正是前面所述。


當然,這道題命制最大的詬病是第(2)題。這道題的命制毫無「實驗」味,而且與本題「實驗目的」毫無關係。


在《物理實驗題命制原則的思考(一)‖教研分享系列326》中指出,幾乎所有實驗中的物理量測量都是間接測量,原因是在「物理規律」還未探究出來之前,相關物理量直接測量工具也不可能問世。所以,探究或驗證物理規律的實驗,一般不是直接對物理規律中的物理量之間關係進行直接探究(驗證),而是把物理規律作為一個「假設」,基於現有理論體系演繹推理得到一個可直接驗證的「推論」或「預言」。從這個意義上而言,對實驗目的進行理論分析或演繹推理,繼而得到一個可直接驗證的實驗目標(即前述「推論」),這應該是實驗工作的一部分,而且有時還是不可逾越的部分。


然而,題例中第(2)題並不是對實驗目的進行理論分析,更不是為了得到一個更易驗證的推論。因此,本小題命制脫離本實驗題的初衷,屬於「離題」敗筆。


關於實驗題命制原則課題討論,到此全部結束了,誠邀手機屏幕前的你留言批評斧正!