丁水燕　毋志民

(重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院教務(wù)處　重慶　401331)

江 金

(重慶師范大學(xué)教務(wù)處　重慶　401331)

王敏娣　唐 瑤

(重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院教務(wù)處　重慶　401331)

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運(yùn)用建構(gòu)主義理論改進(jìn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的方法研究*

丁水燕毋志民

(重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院教務(wù)處重慶401331)

江 金

(重慶師范大學(xué)教務(wù)處重慶401331)

王敏娣唐 瑤

(重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院教務(wù)處重慶401331)

摘 要:從建構(gòu)主義理論的角度來分析和改進(jìn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中物理知識(shí)及規(guī)律的掌握．通過“探究加速度與質(zhì)量、力的關(guān)系”和“探究功與速度變化關(guān)系”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)為例分析了其改進(jìn)過程，總結(jié)了建構(gòu)主義理論改進(jìn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的基本方法．

關(guān)鍵詞:建構(gòu)主義物理實(shí)驗(yàn)探究加速度功速度

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實(shí)驗(yàn)不僅是物理研究的基礎(chǔ)，同時(shí)也是物理教學(xué)的基礎(chǔ)．物理教學(xué)的最大特點(diǎn)便是以物明理，即通過物理現(xiàn)象、物理事實(shí)來闡述物理規(guī)律[1]．它將抽象的物理原理寓于簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)之中，在物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上來進(jìn)行物理教學(xué)，從而達(dá)到事半功倍的效果，可見物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)習(xí)中占據(jù)著至關(guān)重要的地位．在實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生雖然對(duì)物理實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出極大的興趣，但因一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)上稍顯繁瑣或?qū)嶒?yàn)?zāi)康牟粔蛎鞔_、實(shí)驗(yàn)原理過于抽象等原因，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)情境便不能很好的把握，難以構(gòu)建新的知識(shí)，因此很難對(duì)新的物理規(guī)律及知識(shí)進(jìn)行同化．如何讓物理實(shí)驗(yàn)最大程度地輔助物理教學(xué)，達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果，一直是中學(xué)物理教學(xué)中亟待解決的難題．

蘇霍姆林斯基說過，“教育的技巧并不在于能預(yù)見到課題的所有細(xì)節(jié)，而是在于根據(jù)當(dāng)時(shí)的具體情況，巧妙地在學(xué)生不知不覺中作出相應(yīng)的變動(dòng)．”[2]在實(shí)際教學(xué)中學(xué)生應(yīng)是主體，教師的作用是幫助學(xué)生對(duì)新知識(shí)進(jìn)行建構(gòu)，既有教師的設(shè)計(jì)又有學(xué)生對(duì)新知識(shí)的意義建構(gòu)才是精彩的課堂．新課程高度重視學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究意識(shí)和探究能力的培養(yǎng)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)置上加大了探究性實(shí)驗(yàn)的比重，而建構(gòu)主義理論則為探究性實(shí)驗(yàn)提供了很好的理論依據(jù)．建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)過程不是學(xué)習(xí)者被動(dòng)地接受知識(shí)，而是積極地建構(gòu)知識(shí)的過程[3]．新課程標(biāo)準(zhǔn)以建構(gòu)主義理論為依據(jù)，要求教師改變過于強(qiáng)調(diào)知識(shí)傳授的傾向，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，強(qiáng)調(diào)情境的重要性，使學(xué)生在情境中學(xué)、在做中學(xué)、在交流中學(xué)，同時(shí)也注意把學(xué)生的己有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)作為新知識(shí)的生長(zhǎng)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生從原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)中“生長(zhǎng)”出新的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)[4]．隨著建構(gòu)主義理論的發(fā)展，近年來也有很多學(xué)者將建構(gòu)主義理論應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)中并取得了明顯的效果．

本文主要從心理學(xué)中的建構(gòu)主義理論出發(fā)對(duì)中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程進(jìn)行研究，為教學(xué)效果的提高提供一種可行的方法．以改進(jìn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的“探究加速度與質(zhì)量、力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)和“探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)為例，總結(jié)建構(gòu)主義理論在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用特點(diǎn)．作者之一于2014年9月至12月在重慶璧山中學(xué)教育實(shí)習(xí)期間，在高一年級(jí)兩個(gè)班共120名學(xué)生的物理教學(xué)中推廣了這兩個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，取得了明顯的效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)相關(guān)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)和掌握．

1建構(gòu)主義理論研究“探究加速度與質(zhì)量力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)

“探究加速度與質(zhì)量、力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)是新課程實(shí)驗(yàn)考查的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，以前是驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)，注重的是知識(shí)的再現(xiàn)，現(xiàn)變?yōu)樘骄繉?shí)驗(yàn)，注重的是問題的發(fā)現(xiàn)和提出[5]．該實(shí)驗(yàn)原先作為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，需要4課時(shí)完成教學(xué)任務(wù)，介紹加速度與力的關(guān)系、加速度與質(zhì)量的關(guān)系、牛頓第二定律3個(gè)課時(shí)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)1個(gè)課時(shí)．改為探究性實(shí)驗(yàn)以后，第一課時(shí)探究實(shí)驗(yàn)方案，第二課時(shí)實(shí)驗(yàn)操作、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和得出結(jié)論，可以節(jié)約2個(gè)課時(shí)．該實(shí)驗(yàn)研究的是物體的加速度與其所受的合外力、物體質(zhì)量的關(guān)系，探究得出牛頓第二定律．所使用的實(shí)驗(yàn)器材有小車、兩端帶有滑輪的長(zhǎng)木板、小桶、鉤碼、托盤天平、紙帶、細(xì)繩、鐵夾和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等．

在實(shí)驗(yàn)過程中要注意到，首先需要平衡物體受到的摩擦力，其次要使小桶的鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，盡量減少實(shí)驗(yàn)原理不完善引起的誤差．但在平衡摩擦力過程中因計(jì)數(shù)點(diǎn)間間距測(cè)量不準(zhǔn)、紙帶和細(xì)繩不嚴(yán)格與木板平行等都會(huì)容易引起誤差，并且每條紙帶必須滿足小車及所加鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)大于小桶及鉤碼的總質(zhì)量下進(jìn)行，會(huì)讓學(xué)生增加很多不必要的實(shí)驗(yàn)負(fù)擔(dān)，學(xué)生在探究過程中干擾因素過多，不利于其對(duì)新知識(shí)的理解與建構(gòu)，大大影響實(shí)驗(yàn)效果．

1.1改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)中的問題，運(yùn)用建構(gòu)主義理論對(duì)原實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)與改進(jìn)．實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1　探究加速度與質(zhì)量、力的關(guān)系實(shí)驗(yàn)改進(jìn)示意圖

在水平放置的帶有等間距刻度的長(zhǎng)木板上固定一層鋁合金材料的薄片，木板兩邊固定兩個(gè)光滑定滑輪，改變課本上的左右并列放置，如圖把裝置合成為一個(gè)，使兩小車的運(yùn)動(dòng)情況更易于學(xué)生觀察；同時(shí)，鋁合金材料表面光滑，小車在鋁合金材料表面運(yùn)動(dòng)受到的是滾動(dòng)摩擦，基本可以忽略不計(jì)，省略了平衡摩擦力這一步驟；課本上的實(shí)驗(yàn)裝置是用夾子控制小車運(yùn)動(dòng)，夾口與細(xì)繩的摩擦對(duì)實(shí)驗(yàn)會(huì)造成一定影響，在兩邊的定滑輪架上安裝兩個(gè)電磁鐵，改用強(qiáng)電磁鐵來控制小車的啟動(dòng)，并在小車尾部卡上一小鐵片；兩輛帶有凹槽的小車前端拴著細(xì)繩，細(xì)繩跨過定滑輪，下面掛兩個(gè)小桶，小桶里面可加減砝碼來改變拉力大小，也可在小車凹槽內(nèi)加減砝碼來改變小車質(zhì)量大?。趯?shí)驗(yàn)過程中，把小車和小桶看成一個(gè)整體作為研究對(duì)象，在操作過程中通過保證小車和桶總質(zhì)量不變，要改變外力或小車質(zhì)量只需移動(dòng)小車及小桶內(nèi)的砝碼；每個(gè)砝碼質(zhì)量相同，并設(shè)置小桶的質(zhì)量和單個(gè)砝碼質(zhì)量相等，而小車質(zhì)量為單個(gè)砝碼質(zhì)量的整數(shù)倍，若將小車和小桶及砝碼看做一個(gè)整體，整體的質(zhì)量也為單個(gè)砝碼的整數(shù)倍．將力和質(zhì)量的大小設(shè)置成等量的倍數(shù)關(guān)系，計(jì)算時(shí)可將比值直接進(jìn)行計(jì)算．該實(shí)驗(yàn)按照教學(xué)目的分為保持質(zhì)量一定，探究加速度與力的關(guān)系和保持力一定，探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系2個(gè)部分，以下分別對(duì)這兩個(gè)部分進(jìn)行討論．

(1)質(zhì)量一定，探究加速度與力的關(guān)系

通電使電磁鐵具有磁性，吸引住帶有鐵片的小車．保持兩邊小車和小桶內(nèi)的砝碼總數(shù)一樣，將小車和小桶及砝碼看做一個(gè)整體，即兩邊的總質(zhì)量相等．通過在小車上和小桶內(nèi)移動(dòng)砝碼來控制拉力的大?。淖儍蛇呁皟?nèi)砝碼的個(gè)數(shù)，使兩小車所受拉力不同，根據(jù)桶內(nèi)砝碼重力加上小桶重力之和來直接算出兩小車所受拉力的比值．電磁鐵斷電后，兩車以不同的加速度同時(shí)雙向運(yùn)動(dòng)，直至兩小車相撞的一瞬間，兩車同時(shí)停止，從而保證了運(yùn)動(dòng)的等時(shí)性．因小車做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，時(shí)間相同，位移與加速度成正比，加速度之比即為位移之比．可以根據(jù)小車在木板上的位置直接讀出兩小車的位移比．探究得出位移之比等于小桶及砝碼的重力之比，根據(jù)比值計(jì)算可以得出：當(dāng)質(zhì)量一定時(shí)，加速度與力是成正比關(guān)系．

(2)力一定，探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系

通電使強(qiáng)電磁鐵具有磁性，吸引住帶有鐵片的小車．保持兩小桶內(nèi)的砝碼總數(shù)一樣，即保持力的大小一樣．將小車和小桶及砝碼就看做了一個(gè)整體，通過加減小車上的砝碼來改變小車和桶以及砝碼的總質(zhì)量，使兩邊小車內(nèi)的砝碼數(shù)不一樣，通過兩邊質(zhì)量的份數(shù)來確定質(zhì)量的比值．電磁鐵斷電后，兩車以不同的加速度同時(shí)雙向運(yùn)動(dòng)，同樣可以根據(jù)小車的位置算出兩小車的位移比．探究得出位移比值是質(zhì)量比值的反比，因位移與加速成正比，所以加速度之比為質(zhì)量之比的反比．根據(jù)比值計(jì)算可以得出：當(dāng)合外力一定時(shí)，加速度與質(zhì)量是成反比關(guān)系．

1.2主要改進(jìn)方法

(1)通過運(yùn)用生活中常見的材料及器械，引導(dǎo)學(xué)生將生活與實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來，將學(xué)生置于熟悉的情境中，更能反映出實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)．另外器材簡(jiǎn)單，減少了實(shí)驗(yàn)步驟，降低了很多不必要的干擾因素，更有利于學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理的理解．

(2)通過將小車、桶及砝碼看做一個(gè)整體研究對(duì)象，操作方便，節(jié)省時(shí)間，又可以避免由于實(shí)驗(yàn)原理缺陷而產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差．從而創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)習(xí)者意義建構(gòu)的情境．

(3)將質(zhì)量按倍數(shù)來算，力按倍數(shù)來算，而不是需要一個(gè)具體的數(shù)值．不僅節(jié)省了計(jì)算量，更加深了學(xué)生對(duì)已學(xué)習(xí)的控制變量法以及物理公式的掌握．使其能有效地克服建構(gòu)知識(shí)的困難，理解各物理量之間存在的內(nèi)在聯(lián)系，同時(shí)更加深對(duì)已學(xué)知識(shí)的理解．

2建構(gòu)主義理論研究“探究功與速度變化關(guān)系”實(shí)驗(yàn)

“探究功與速度變化的關(guān)系”是新課標(biāo)中《高中物理·必修2》新增加的物理探究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，更能體現(xiàn)新課程高度重視學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究意識(shí)和探究能力的培養(yǎng)這一特點(diǎn)[6]．實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱颂骄课矬w的功與速度的關(guān)系,但因速度易測(cè)而功不易測(cè)量，故轉(zhuǎn)換為動(dòng)能這一易測(cè)的中間量，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)過程中自己動(dòng)手操作,有了切身的感受并在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出動(dòng)能的表達(dá)式及動(dòng)能的變化與做功的關(guān)系,為下一節(jié)動(dòng)能定理的理論推導(dǎo)教學(xué)作準(zhǔn)備．新教材增加這一內(nèi)容,相對(duì)于原教材中簡(jiǎn)單的定性實(shí)驗(yàn)及邏輯推理,更能讓學(xué)生理解功的物理意義,這樣的學(xué)習(xí)方式更符合建構(gòu)主義理論的教學(xué)觀與學(xué)習(xí)觀．

教材中提供了兩種方案來進(jìn)行該探究實(shí)驗(yàn)：第一種方案采用鉤碼的重力提供拉力，通過計(jì)算小車在該恒力做功時(shí)的速度變化，從而探究功與速度的關(guān)系．但在平衡摩擦力的同時(shí)還要求鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量；在第二種方案中，橡皮筋的彈力是非線性的變力，教材巧妙地引導(dǎo)學(xué)生回避了這種變力做功的計(jì)算，把不便于用公式計(jì)算的變力功轉(zhuǎn)化為功的倍數(shù)關(guān)系來表示,使學(xué)生建立一種新的研究物理問題的思維方法，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作過程中若想準(zhǔn)確地達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖潜容^困難的．首先橡皮筋粗細(xì)并非完全相同且易變形,當(dāng)橡皮筋增加到4，5根時(shí)實(shí)驗(yàn)誤差還是比較大的；并且小車受力較大,加速過程中獲得的速度也較大,紙帶上打出的點(diǎn)便很少,在紙帶上就很難出現(xiàn)小車做勻速運(yùn)動(dòng)的情況；再有根據(jù)公式W=FLcosθ中，F(xiàn)為恒力而L為位移，因?yàn)樽兞ψ龉W(xué)生理解起來相對(duì)困難，實(shí)驗(yàn)中若選取恒力便于學(xué)生對(duì)于該公式的深刻理解．雖然新課標(biāo)教材中提供以上兩種方案進(jìn)行探究，但是比較而言第一種方案操作性更強(qiáng)，實(shí)用性更高且學(xué)生更容易接受．因此，本文利用建構(gòu)主義的觀點(diǎn)主要針對(duì)第一種方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)．

2.1改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2　探究功與速度變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)改進(jìn)示意圖

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)中的問題，運(yùn)用建構(gòu)主義理論對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)與改進(jìn)．實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

2.2主要改進(jìn)方法

(1)通過使用上一個(gè)實(shí)驗(yàn)中的器材，可以引導(dǎo)學(xué)生將兩組實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行比較，在原來熟悉的實(shí)驗(yàn)情境基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生去探索、發(fā)現(xiàn)新知識(shí)．

(2)延續(xù)上一個(gè)實(shí)驗(yàn)中所用到的實(shí)驗(yàn)方法，同樣將小車與鉤碼看做一個(gè)整體，同時(shí)省略了平衡摩擦力這一步驟，實(shí)驗(yàn)變得既精確又簡(jiǎn)便，從而幫助學(xué)生在新舊知識(shí)間搭建橋梁，更好地建構(gòu)新知識(shí)．

(3)把不便于公式計(jì)算的變力功轉(zhuǎn)化為功的倍數(shù)關(guān)系(倍增法)來表示,且在作圖時(shí)，用s-v2圖像代替W-v2圖像在處理數(shù)據(jù)方面減少了計(jì)算量，在前一個(gè)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上學(xué)生能更好地體會(huì)“倍增法”思想．

3總結(jié)

將心理學(xué)中的信息意義建構(gòu)規(guī)律應(yīng)用到中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)實(shí)際教學(xué)的過程中，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理3方面改進(jìn)，以期對(duì)增強(qiáng)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果提供一定促進(jìn)作用．運(yùn)用實(shí)驗(yàn)器材取材于生活并重復(fù)使用和實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)法重復(fù)加深運(yùn)用兩個(gè)方法，改進(jìn)了“探究加速度與質(zhì)量、力的關(guān)系”和“探究功與速度變化關(guān)系”兩個(gè)物理實(shí)驗(yàn)．實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)對(duì)于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、增進(jìn)學(xué)生對(duì)物理教學(xué)內(nèi)容的理解、促進(jìn)學(xué)生物理思維方法的鍛煉等方面都能取得較滿意的效果，學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)成績(jī)、物理考試成績(jī)普遍都有提高．

參 考 文 獻(xiàn)

1王斌.物理教學(xué)中如何引導(dǎo)學(xué)生探索和實(shí)踐.教學(xué)與管理,2003(12):80

2王加元，陳燕. 精心預(yù)設(shè)，動(dòng)態(tài)演繹.物理教學(xué)探討，2013(1)：37～39

3李?yuàn)檴?基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的物理教學(xué)研究.山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(1):153～155

4李尚仁. 高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)教師讀本.武漢:華中師范大學(xué)出版社，2003.101～102

5陳友道. 中學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)案例研究.北京:人民教育出版社，2005:14～17

6汪維澄. 探究功與速度變化的關(guān)系.教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2008(8):18～21

通訊作者：毋志民(1980-)，男，博士，教授，主要從事物理教學(xué)改革和磁性功能材料、半導(dǎo)體功能材料和納米材料等方面的研究.

作者簡(jiǎn)介：丁水燕(1991-)，女，碩士研究生，主要從事中學(xué)物理教育教改方面的研究.

收稿日期：*重慶市高等教育學(xué)會(huì)2013-2014年高等教育科學(xué)研究重點(diǎn)課題，項(xiàng)目編號(hào)：CQGJ13B444，重慶師范大學(xué)教改項(xiàng)目資助的課題，項(xiàng)目編號(hào)：201237