课程视角下的“探索车速随时间变化规律”的价值分析--从教材承载能力的发展角度解读课堂教学价值_科学思维论文

课程视角下《探究小车速度随时间变化的规律》价值分析——从教材承载学科能力发展点的视角认识课节的教学价值，本文主要内容关键词为：视角论文,价值论文,小车论文,学科论文,规律论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      高中物理必修教材是牛顿经典力学体系的发端，它是科学知识、科学过程与思维方法和科学价值观综合培养的载体，对学生的学科思维发展有着基石的作用。必修1第二章“匀变速直线运动”的第一节“实验：探究小车速度随时间速度变化规律”从实验方案的设计、测量原理的确立、测量工具的使用、数据处理和结论的形成诸过程都承载了高中物理探究教学的教育功能。从课程的视角审视该课节的地位尤为重要。

      基于课程标准和学生的认知心理分析课节学习目标在学段培养中的价值，依据认知基础、已有经验和已形成的学科能力选择合适的学习资源，设计适合学生认知发展的教学设计，确立合适的评价标准以此推动多样化学习，这是设计课节学习目标的前提。教学设计是否有效应当是教学前对教材的逻辑结构进行分析、对学情的分析和对认知点的有效解构，这是形成有效教学目标的关键，为此对教学行为观察的视点应当聚焦在“教学目标导引下的教学流程和教学环节的设计”以及教如何服务于学这一行为的设计上，这是师本课程能否成为生本课程的关键，也是衡量教师课程实践能力的重要内容。

      突出实验探究在物理认知形成中的作用，不只是一种教学方式，而且是强化过程性体验来丰富表象获得认知。能通过体验性学习获得一类事物本质特征的认识，通过分析与归纳，形成科学抽象，进而揭示一类事物的本质特征。这既是形成与发展认知的方式，更是培养学生科学思维的重要途径。在实验探究和理论推理并重的思维培养过程中，学科思维和科学实验的重要方法通过实验探究深远地影响着学生对科学认识的方式，这对于提高学生的思维能力有积极和深远的意义。

      从科学探究的视角确定探究性教学应包括“提出问题”“猜想与假设”“制定计划与设计实验”“进行实验验证与收集数据”“分析与论证”“评估”和“交流与合作”等七个要素。常态的物理教学中只要有一个或者某几个要素能引导学生的思维走向深入，能基于自我的理解清晰地设计实验、进行有效的操作或者数据的分析，能在规律形成的过程中形成清晰的感知就是科学探究。

      一、实验探究和理论探究并重是形成物理规律的必有路径

      “匀变速直线运动的研究”是高中物理开启实验探究与理论探究学习的起始篇章，对开启学生的学科思维发展有举足轻重的作用。第一章“运动的描述”已经认识和练习操作了打点计时器，但仅是在手的牵拉下的运动，还没有在实验室以规范的实验操作进行实验，在开放的实验环境下该课节要完成“实验原理的探究”“实验过程的设计”“规范的实验操作”“设计表格有效记录实验数据”“处理实验数据”“描点法作图”和“数形结合形成规律”七个实验环节。

      “实验探究小车的速度随时间的变化规律”开启了高中物理科学规范性进行实验探究的先例，实验素养的培养、实验技能的学习在这一课节都被第一次提出来，对于刚升入高中的学生来讲，在规范的实验要求下，以开放的实验形态实施实验探究无疑对教学的设计和实施提出了较高的要求。

      高中物理的诸多实验规律都是先通过实验探究再通过理论探究来形成的，因此这种课节往往设计成两个课时，前者是完整的探究性实验，下一节是完整的理论探究形成规律，这真切地反映了课程设计者的教育理念和明晰的教育目标。以人教版教材为例，这样的课节安排如表1所示。

      

      强调实验探究在知识形成中的作用并不是说所有的教学内容都按照这一方式来设计，像有的教学内容是先讲述物理规律然后再从科学史的角度讲述该规律形成的史实、运用物理规律解决实际问题、进行实验验证或者练习使用实验器材等方式进行，如表2所示。

      实验探究和理论探究并重，才能形成丰富的感知，为科学抽象提供丰富和有效的表象。通过探究过程实现对原理的深刻认识，通过实验操作获得实验技能的培养，通过数据的记录、处理（描点法作图）获得自然学科的研究方法，在图象与函数解析式之间建立必要的联系，形成“数形合一”的思维方式。这些都只有通过真切的实验才能形成。逻辑推理是沿着另一种思维路径，通过概念、判断和推理，从一种原理到另一种原理的逻辑推导，通过严密的逻辑论证形成与实验事实一致的物理规律。任何物理概念的形成和规律的获得只有通过这两种并重的方式才能形成真实有效的认知。

      

      该课节要坚持以体验性探究为主，通过真切的实验增强学生的感知，不仅关注表象的形成和规律的获得，更注重亲历实验原理、实验方案设计和数据处理方式中带给学生自然学科的思维方法，唯有如此，该课节才富有真实的课程价值！

      “探究小车速度随时间的变化规律”这一课节重要的任务是通过实验探究如何形成实验原理，以此形成对实验操作环节的设计和数据的记录；通过数据的分析处理，学会如何形成结论这一研究方式，而不是为实验而实验的技能练习。实验中通过实验数据的记录来增强对过程的观察，通过数据的处理呈现自然学科研究的方法，但如何实现从图象这一“形”到“数”这一函数思想的连接，不仅包含众多的物理思想，也蕴含着众多的教学方法，既要从课程的视角科学分析和准确定位课节教学目标在学段目标中的地位，更要从阶段性目标的视角确立课节教学的深度，这才使得教学有据可依。

      为此，增强学生的感知，提高逻辑推理的严密性，这是物理学科发展的必由路径，不能因教材对个别物理规律不同的呈现顺序简单地用二元对立的思维来评判，我们能做的就是创设有效的学习情境，让学生进行有效思考。

      二、突出“探”和“究”在深化认知点和培养学科思维中的作用

      从课程承载的学科认知发展和学科思维方法的培养来看，“探究小车速度随时间的变化规律”不仅渗透着实验探究形成科学认知、理论探究进行演绎推理、对图象实施探究形成匀变速直线运动位移随时间变化规律的函数图象这一认知的重要使命，而且是综合运用各种推演方式形成认知规律、强化探究性体验和增强学生感知，以及通过丰富的表象形成规律的科学途径，在认知形成的过程中强化研究方法、发展思维方式。

      1.确立恰当的学习目标是有效设计的前提

      有效教学应当是在学生亲历探究性实验后，通过有效的数据处理形成直观和规范的v—t图象，从图象的特点分析和总结出小车在恒定拉力作用下运动的特点。“实验：探究小车速度随时间变化规律”课节中学习的重点应当是“实验操作”“测量”“数据处理”“描点法作图”和“分析图象形成规律”五个环节。为此，该课节学习目标确定为：巩固打点计时器的使用、纸带数据的处理和测量瞬时速度的方法；通过实验探究，体验如何从实验研究中获取数据，掌握利用图象处理实验数据的科学方法；知道小车在重物牵引下运动速度随时间变化的规律。

      教学目标是指教学活动实施的方向和预期达成的结果，是一切教学活动的起点和归宿，但这只是教师在教学前基于自我的理解，是教学预设的目标，从教学目标到学习目标必须经历一个教学认知、认知心理、学习兴趣和发展意向，以及学习态度诊断，有效推动学生自主发展的问题，对学生实施导引的教学方式。因此，教师能否根据课堂上的生成性问题，实施二次备课，调动学生学习的积极性，使之按照教学预定的方向进行，这才构成有事实价值的有效学习，而导引学习过程的目标指向和检测标准，就是课节的学习目标。

      恰当地制定学习目标不仅是教学的需要，更是组织同课异构进行教学研究活动的起始点和教学成效分析的观察点。

      2.确立“适合”的探究点是有效设计的关键

      并非对探究性实验的七个要素都逐一实践才是探究性教学。要从该课节在整个高中物理教学中应当承担什么地位？扮演什么角色？它包含了学科的什么思维？根据这些确立探究内容和探究的关键。简而言之，对学科的系统性有无建构，对学科的思维有无发展，是否贴近学生的认知和思维，这是确立探究点的关键。

      （1）对“实验原理”的探究

      “如何描绘小车不同时刻的速度”这一蕴含测量方法的环节不能简单地提出，必须建立在前置教学的基础上才能实现，即如何在时间间隔无限短的前提下形成平均速度约等于某点瞬时速度的认识，在未建立极限数学方法的前提下无疑是一个教学的难点，即如何引导学生形成

的认识。这既是承接上一课节的内容，又是如何测定小车瞬时速度原理认识的基础，这种将前置性复习和“探究实验原理”融为一体的设计应当是匠心之作！

      （2）“实验过程的设计”和“器材的选择与安装”的探究

      这是继实验原理后基于任务驱动而实施的追问，“规范的实验操作”既是强化实验规范操作、强调实验注意事项的过程，又是形成规范和提高实验素养的重要途径。由于学生第一次进入高中物理实验室进行规范的实验操作和实验测量，而且给出明确而具体的任务，因而教师通过实验操作示范强调相关注意事项就成为实验探究性教学的重要环节。在没有形成实验习惯的前提下，不能期望学生能在开放的实验环境下能顺利完成实验操作。

      （3）“设计表格有效记录实验数据”的探究

      设计表格有效记录实验数据包含三个要素：哪些物理量是直接测定的？哪些量是间接测量的物理量？如何科学记录才能呈现直接测量的物理量与间接测定物理量之间的关系？表格的设计不仅要直观呈现因变量和自变量之间关系，还要在相关物理量之间建立必要的连接，减小实验数据分析带来的困难。例如在“实验：探究小车速度随时间变化的规律”中，从打出的纸带上直观性获得计时的时间，直接测量的是位移间隔，间接测定的是等时间隔内的平均速度，而我们寻求的是各时刻的瞬时速度随时间的变化规律，因此在表格的设计上要呈现出如表3所示的顺序。

      

      （4）“描点法作图”的探究

      描点法作图包括坐标轴单位长度的选择、描点、连点拟合曲线、从“形”到“数”的统一，其中坐标轴单位长度的选择是保证描绘的函数图象在坐标平面的中央。只有在初始阶段提出这一要求，才能使得学生在后续学习中，像描绘电源的伏安特性曲线为什么电源输出电压起始点不是从0开始，而是从某一个电压开始，从作图的有效性上是将图象置于坐标纸的中央，通过作图的体验，让学生理解如何利用已做出的图象求解电源的内阻和分析截距的物理意义，就成为应用环节的重要问题。

      该能力发展点的第二重点是如何连接描绘的状态点？常态教学中，只是强调多次测量获得有限的状态点，顺次将这些点用平滑的曲线连接就构成了描绘的函数图象。在这种做法的背后隐喻或者省略了三个环节：

      一是通过表格和纸带的分析，认识到各时刻对应的瞬时速度是一个渐变函数，尽管取等时间隔有限的标示点（记数点），但在每一个时间间隔内都有无数个时刻，每一时刻均对应相应的运动状态，因此速度随时间的变化而变化，不是“粗略”认定的匀速直线运动。

      二是如何连接不同时刻的运动状态点？引导学生对获得的速度数据进行分析，判断小车的速度随时间不断地增加（或者减少）是连续性变化，因此，连接坐标纸上做出的各时刻对应的速度状态点应当用平滑的曲线而非折线，这是对匀变速直线运动的认识，这种特殊的运动不同于一般运动，一样会存在速度的突变点。

      三是选择哪些点进行连接？是否将所有测量并标定的状态点都用平滑的曲线逐次连接起来？哪些是有效点？如何确定？这是描点法作图中的关键问题。对于初次接触规范物理实验数据处理的高一新生，这一要求不仅是培养物理实验素养的重要内容，更是实验方法教学和实验能力提高的有效手段，确定和连接有效点就成为实验的关键。

      判断运动状态变化的“走势”进而通过“拟合”形成函数图象。其做法是先用粗笔盖住这些点，从整体的视角判断这些点的变化趋势，沿着这一变化趋势分布的状态点是“有效点”，用平滑的曲线顺次将这些“有效点”连接就构成了状态随时间变化的函数图象。再通过剩余点的分布判断该实验误差的大小，如果剩余的点均匀分布在图象的两侧，实验误差较小，反之，如果不是正态分布，就需要对该实验进行修改。因此，通过“走势”的判断确定有效的状态点，用平滑的曲线顺次连接有效点是从点“拟合”形成函数图象的关键。

      （5）在探究中认识实验误差

      误差存在于一切实验中，以往实验大都是“静态”的测量，因此对于不变的状态我们可以采用多次测量的方式，通过求平均值来确定有效的点。用一标准比较待测量对象，通过多次比较来降低偶然误差，或者通过多次落点用一圆来圈定，通过这一圈定最小的圆来寻找圆心的方式来减小偶然误差。像研究平抛运动和动量守恒的实验那样，多次将小球从同一高度自由释放，用最小的圆将多次落地点圈定，寻找该圆的圆心来确定平均落点。上述方法是对于确定的状态实施的多次测量，而对于随时间推移运动状态不断变化的运动，我们只是记录不同时刻的运动状态，而无法对某一确定的状态实施重复性实验，即便是再重复性地做几次，也不能在同一图象中对某一状态点多次描点求平均值。既然误差存在于任何实验中，我们就不能保证随时间推移的所有点都是有效点，为此从概率和离散的角度确定有效的测量点就成为实验数据处理的关键。

      （6）如何分析物理图象形成物理规律的探究

      描点法作图获得图象不应只是实验探究的结束，而应是形成规律的发展点。正因为如此，从课程论的视角定位该课节的教学环节就应当是“探究形成实验原理”“设计实验步骤强化规范实验操作”“设计表格科学记录数据”“描点法作图形成变化规律”等五个环节上，缺失任何一个环节都无法构成真实意义的探究性实验形成科学认知。

      “分析图象形成规律”包括三个环节：一是对图象变化规律的认识；二是图象斜率、交点（与坐标轴的交点称之为截距点和不同图象的交点）和包络面积等物理意义的认识；三是描绘获得的函数规律与什么样的函数解析式相对应，在函数解析式与物理规律之间建立联系。对于描绘得到的变化规律的图象与函数解析式y=kx+b相对应，通过对函数解析式y=kx+b的类比获得v=

+at，再从图象上阐述其物理意义，这符合学生认知过程的从“形”到“数”的发展，只有将这种思维方式根植到教学的各个环节，学生才会形成数形结合的思维。

      “描点法作图”其物理意义揭示的是什么？在初学物理的前提下，如何揭示不同时刻的运动状态标定的物理意义？当逐一描绘了不同时刻的运动状态点时，为什么连接？怎样连接？连接的方式为什么是平滑的曲线而非折线？从一个状态到另一个状态的变化其内在的意义是什么？这既有在新授课中所要解决的问题，也有留在日后需要继续学习的内容。对某一认知点的学习在不同的时段提出什么层次的要求？这既是整体把握学习目标的学科能力，也是根据教学的实际进行取舍的关键。为此本课节应当着重放在：

      ①理解不同时刻速度的计算方法，并能描绘不同位置处速度状态点。

      ②依据小车连续运动的场景用平滑的曲线顺次连接不同时刻的速度。

      ③依据v—t图象判断小车运动变化的特点。

      对实验能力的培养目标应当重点放在：

      ①认识打点计时器的结构和工作原理。

      ②能正确安装打点计时器。

      ③会选择纸带、标定测量点、使用刻度尺间接测量不同位置处的速度。

      “探究小车速度随时间变化的规律”对实验原理和实验方法有如此高的要求，在第一次进入实验室进行规范教学时，无论对于什么层次的教师来说，都是一种挑战。

      理想的课程是教师对课程设计的意图，基于自我的认识进行的设定，它是意向中的课程，距离真实的、学生可接受和学习到的课程有一定的距离。通过课程资源的优化与整合，有了丰富翔实的课程内容、课程呈现方式和课程自身体系结构，体现的是教师对完美课程的设计，反映的是教师的认知，是否能成为学生可接受的课程，距离真实的课堂教学实践还有一定的距离。即便是从课程标准的要求出发，分析学生的认知基础、认知心理、获取该认知点所必需的生活经验，我们也只是基于教师自我的理解和判断进行的教学前的预设而已，是经验性的判断，唯有课堂上那些动态生成的问题，才能成为真实有效的学生的课程。

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