高中物理实验整体有序教学设计

摘要

以“探究加速度与力、质量的关系”为例，尝试对物理实验教学进行整体有序设计，即以规划方式将实验分解为4个阶段，进而对每个阶段的课时分配、驱动性问题、探究性学习“支架”等方面进行有序设置，确保教学实施的完整性和逻辑性，以期在“学生实验”所在单元学习结束后完成该实验的学习，为实现物理实验教学的整体有序作出实践与示范。

Graphical abstract

关键词

高中物理实验 / 整体有序 / 教学设计 / 加速度 / 力 / 质量 / 学科核心素养

《普通高中物理课程标准（2017年版）》将高中物理学科核心素养提炼为物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任^［1］４个方面。而梁旭^［2］提出的“整体有序教学”理念，恰好契合目前素养导向的课程改革方向，同时“学生实验”作为一种落实核心素养的教学载体，也是教学实践的主阵地，因此对“学生实验”进行整体有序的教学设计，不仅有利于实验本身的学习，更有利于相关核心知识的迁移和运用。

笔者以“学生实验”作为整体有序教学设计的载体，但受限于高中物理教学的课时和内容，因此将所确定的学生实验按课时分解为若干教学阶段，保证阶段教学之间逻辑连贯、课时充分。整体有序教学的实施，可以根据需要间断或连续，并确保在“学生实验”所在单元学习结束后完成该实验的学习，这样的设计既能控制内容的复杂程度，又能保证学习时间的持续。

1 实验教学的整体有序规划

先以“探究加速度与力、质量的关系”实验为例进行整体有序设计，如表1所示，将整个实验教学过程分解成4个阶段，并设置课时以及驱动性问题，再从整体上配以学习支架、学习方式以及学习评价，凸显整个教学过程“化整为零，微而不小，间而不断”的特点，以期实现从新课教学到单元巩固，再到模块整合的逻辑连贯性。

2 阶段教学的有序设计与实施

2.1 阶段一：实验方案的设计与探讨

（1） 启动时机：正式进入牛顿第二定律学习之前。

（2） 驱动性问题：如何设计实验采集所需数据？

（3） 过程目标：逻辑严密的设问，层层深入地调动学生已有的经验参与正在进行的学习活动，逐渐将实验学习内容与已有实验经验建立起结构性的关联，进而把知识转化为与学生有联系、能操作并可以思考的对象^［2］，促进学生深度理解实验。

（4） 主要内容：①确立研究的问题；②确定需要研究和测定的物理量；③测量过程中需要注意的操作事项；④完成这些操作的标准；⑤实验装置的设计。

（5） 阶段成果：①方案设计的思维导图；②设计一个实验装置。

（6） 问题情境：用力拉水平轨道上的小车，小车加速运动，拉力大小不同，加速效果不同，相同大小的力拉不同质量的小车，加速效果也不同。

为推进阶段教学的进程，促进深度学习，故设计如表2所示的问题表单。

根据问题的推进，学生自主阅读完成“控制变量法”的学习，根据经验自然地获得加速度和质量的测量所需的器材与方法。“力”有两个关键问题需要学生解决：一是这个力是“拉力”还是“合力”的问题，对此可让学生体验水平桌面上用不同的拉力拉小车的效果，发现拉力作用于小车后并不一定能使小车产生加速度，还要看拉力的大小，这说明摩擦力也起到了作用，由此学生可排除加速度的产生是拉力单独作用的效果，确定实验所要探究的力应该是“合力”；二是“合力的测量”问题，此问题是该阶段教学的关键，为简化测量，需要引导学生从最近发展区出发将“合力的测量”转化为“拉力的测量”，并基于已有知识为模型匹配相应的硬件设备，最终突破设计难点。该引导过程如图1所示。

到此为止，学生已经将该实验的方法、原理、操作细节以及一些方案的拓展通过解决问题的形式，在师生互动、生生互动中得到基本解决。至于问题11所涉及的原理，教师不必急于告知原因，而应留下接口、留下悬念、留住学生继续探究的欲望。

2.2 阶段二：实验数据的处理与分析

（1） 启动时机：完成实验方案设计，测得所需数据及初步处理之后。

（2） 驱动性问题：如何利用数据获取有效信息？

（3） 过程目标：引导学生不断地对实验数据进行思考，让其全身心地投入学习活动，反思已有学习成果，进一步发现新问题、寻求合理解释，最终深度总结规律。

（4） 主要内容：①讨论并探究关于a-F图像和a-M图像的特点以及所发现的相关问题；②结合两个图像归纳总结规律。

（5） 阶段成果：①绘制美观规范的数据图像；②用自己的语言总结分析图像的方法。

（6） 问题情境：展示各小组所测数据以及作出的图像，如图2所示；进行针对性的发问，设置引导性问题，如表3所示。

展示对比a-F图像发现，各小组的图像几乎都是一条直线，唯一的差异在于是否通过原点，因此对于图线截距意义的解释就显得格外重要。对图像以及相应数据进行讨论，遂有以下解释。

B组的图像在F轴上有截距，说明在拉力增加到该截距数值之前，小车均没有加速度，一直处于平衡状态，随着拉力的增大，沿斜面向上的摩擦力也增大，那么这个摩擦力就是静摩擦力，所以该小车并不会在没有拉力作用下沿斜面做匀速直线运动，而只是静止在斜面上。因此，很可能补偿阻力（平衡摩擦力）的操作没有做到位，则需要增加木板倾斜角度以继续补偿阻力，以便达到要求。

C组的图像在a轴上有截距，说明在还未施加拉力时，小车已经有加速度了，显然和补偿阻力（平衡摩擦力）的操作相违背，这可能需要减小木板倾斜角度，以求减小重力沿斜面的分力来同摩擦力达到平衡，从而达到要求。

D组的图像在数据记录上可能有问题，对比A组的数据，可能只记录了所加槽码的重力，却漏掉了装载槽码的钩子的重力，导致图像向左平移，造成在a轴上有截距。

根据大家讨论的结果，除A组外，B组和C组调整轨道倾角后再次实验，而D组重新测量并处理数据作图，最终结果都与A组类似，从而总结出“在误差允许范围内，a与F成正比”的结论，就明确了相似的图像偏差也可能是多种原因造成的，不能想当然。

而对于a-M图像，虽然有小组作出了如E₁组的直线图像，但是大多数小组的图像几乎一致，倾向于如E₂组的类似反比例的图像。但对于一致性的图像，是否能得出一致性的解释或一致性的规律呢？针对教师的质问，学生对图像是否为反比规律比较犹豫。对此，教师需要引导学生回顾并反思数学中所学的反比例函数的特征，要求学生展开讨论，最终将数学上的反比例关系y=k/x转化为y=k·1/x，即理解为：若y与1/x成正比，也就说明y与x成反比。通过迁移，学生明确了只要判断a与1/M的图像是否为正比，就可以确定a与M是否是反比关系，最终各小组尝试作图。学生发现：a与1/M的图像在误差允许范围内确实是一条通过原点的直线，从而证明a与M是反比关系。对于追问2，学生提出可继续迁移刚才的方法，尝试用其他关系作图并寻找线性关系去确认规律。

通过问题的引导，学生体验了利用图像来研究物理规律的方法，对两种图像进行了深入探究，不仅了解了图像特征的含义以及蕴含的规律，而且在反复作图过程中巩固了该模块“探究小车速度随时间变化的规律”实验的操作——描点作图法，强化了作图的规范性和美观性。同时，展示了“化曲为直”的思维方法，让学生在讨论和交流中掌握了分析图像的方式。该阶段教学的完成，宣告了实验在教材中的基本作用（牛顿第二定律学习的铺垫）已经完成，并渗透了将非线性关系转化为线性关系的知识点，从而确认物理量之间关系的物理观念。

2.3 阶段三：实验疑点的解释与拓展

（1） 启动时机：运用牛顿运动定律解决问题专题（连接体问题、整体法和隔离法）之后。

（2） 驱动性问题：如何解释实验中的特殊操作要求？

（3） 过程目标：引导学生进一步思考实验操作，通过不断启发，学生有意识地将所学知识转化为综合实践能力，突破限制，迁移创新，并在检验原学习结果的基础上习得新技能、发现新结论。

（4） 主要内容：①探究补偿阻力的操作次数问题；②分析用重物替代拉力时的条件及原因；③探究破坏条件所带来的影响。

（5） 阶段成果：①归纳特殊操作的合理解释；②巩固处理连接体问题的一般方法；③绘制完整的a-F图像。

（6） 问题情境：回顾实验操作细节，并有针对性地质疑和反思，如表4所示。

对于第一问，学生已经明确补偿阻力的最终状态是使得小车在斜面上匀速滑行，因此会根据平衡状态建构斜面物块匀速下滑模型，然后进行受力分析。如图3-a所示，列出平衡方程:Mg\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta =\mu Mg\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta，得出：\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta =\mu \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta的结论。由此可知，在小车上继续放钩码的操作仅仅增加了小车的总质量，而且沿斜面的向下的重力分力\left(M+m_{\mathrm{钩码}}\right)g\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta与此时产生的滑动摩擦力\mu \left(M+m_{\mathrm{钩码}}\right)g\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta依然相等，所以该模型可解释补偿阻力的操作只需要一次即可。

对于第二问，引导学生采用连接体模型，利用所挂槽码与小车加速度大小相等这一特点，采用隔离法进行受力分析，如图3-b所示，并列出槽码与小车的动力学方程，即：mg-F_{\mathrm{拉}}=ma和F_{\mathrm{拉}}=Ma。其中，细线拉力F_拉和加速度a是未知量，辅助学生明确目标“找出拉力F_拉与槽码的重力mg之间的关系”，于是消去加速度a，得出相应的拉力表达式:F_{\mathrm{拉}}=\frac{Mmg}{M+m}。为了更清晰地看到关系，引导学生以数学方式处理（分子分母同除以M），优化表达拉力：F_{\mathrm{拉}}=\frac{mg}{\mathrm{1}+m/M}。在这个表达式中，有一定数学基础的学生必然发现要使得拉力与槽码的重力近似相等，就应要求：m/M\approx \mathrm{0}，即所挂槽码的质量远小于小车的总质量。

对于第二问的追问，需要引导学生思考并明确在a-F图像中的F实际上是槽码的重力mg，那么可把寻找a与F的关系转化为寻找a与mg的关系。一旦把目标转化，学生会意识到在刚才讨论“槽码的质量远小于小车的总质量”这个条件时所使用的研究方式。借用前述问题所列出的槽码与小车的动力学方程，消去细线拉力F_拉，从而得到加速度的表达式:a=\frac{mg}{m+M}。结合刚运用的数学处理方法，进一步得到加速度：a=\frac{\mathrm{1}}{m+M}\cdot mg=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+M/m}g。分析该表达式可知，在m\ll M时，随着m的增大，\frac{\mathrm{1}}{m+M}几乎不变，因此a与细线拉力F_拉（即mg）成正比，也就是我们实验中所画出的图像。当m\ll M不再满足时，随着m的增大，\frac{\mathrm{1}}{m+M}会变小（即图线斜率变小），a与细线拉力F_拉（即mg）的图像会逐渐弯曲。随着m的不断增大，当m\gg M时，小车加速度a趋向于自由落体加速度g，a与细线拉力F_拉（即mg）的图像将趋向于平行于横轴的直线。对于当m\gg M时的情况，有学生提出使用极限的思想来分析，即当槽码质量远大于小车时，小车对于槽码来说已经可以忽略，因此槽码应该近似做自由落体运动，而此时小车被槽码牵引，所以小车加速度也应近似等于自由落体加速度g。对于这样的分析，教师应积极鼓励，并帮助学生利用几何画板绘制图线进行验证，如图4所示。

基于以上分析与验证，有学生对图像有了新的思考：从加速度表达形式观察，可认为是槽码重力在为整体提供加速度。既然绘制的图像实际上是加速度a与槽码重力mg的关系，那么改变槽码的重力时，若不改变整体的质量，图像就不会弯曲了，图像的斜率也就是整体质量的倒数。于是，有学生提出了新的操作方法，即将小车中重物逐渐转移到槽码的位置来实现上述想法，如图5所示。这样的课堂生成是可遇而不可求的，但整体有序的学习方式的确可以提高生成创新的概率。

该阶段教学的启动源于实验操作要求，而实验操作要求又是基于实验装置本身的结构设计。因此，抓住实验装置本身的结构（斜面、连接体）实施教学推进，本质上是牛顿第二定律在实际问题中的应用。借助实验探究，利用连接体问题解释原先操作的合理性和必要性，反哺和丰富学生对实验操作细节的认知，有助于学生完善对该实验的认知结构。

2.4 阶段四：相似实验的对比与反思

（1） 启动时机：在“力与运动的关系”单元学习结束后或在模块复习阶段。

（2） 驱动性问题：这套装置用于其他实验是否有相同的操作要求？

（3） 过程目标：引导学生积极联想已学的所有实验，寻求关联，把握实验之间的内在联系与本质区别，增强辨别实验本质属性与非本质属性的本领，树立深度加工实验的意识和习惯。

（4） 主要内容：①将“探究小车速度随时间变化的规律”作为对比实验，并总结相同点和相异点；②分析实验的3个特殊操作要求（“补偿阻力”“牵引小车的重物的质量远小于小车总质量”和“细线平行于轨道”），找到在对比实验中只启用“细线平行于轨道”这一操作的原因。

（5） 阶段成果：①形成“板-车”类组合实验的意识；②完成同类器材实验对比的表格手稿。

（6） 问题情境：联想本模块的经典实验，对与该实验的异同之处进行提问、分析与引导，如表5所示。

外形相似是最容易发现的，故学生通过整合性问题思考，会主动串联模块中的形似性实验，即“探究小车速度随时间变化的规律”，总结出“板-车”类实验的特征，然后同中求异，挖掘“操作要求”的差异所在，进而明确“补偿阻力”“牵引小车的重物的质量远小于小车总质量”和“细线平行于轨道”等操作在实验中的作用与目的，并引导学生通过“对比实验”的实验目的进行逆向分析，确认这些特殊操作是否应该启用。该逆向分析过程的思维引导如图6所示。

学生分析实验目的，在此基础上确认“对比实验”能得出两种结果，且两种结果需要两种不同的条件（合力恒定或不恒定）。但无论是哪种条件，都不需要测合力的大小，因此排除了“补偿阻力”和“牵引小车的重物的质量远小于小车总质量”两个操作要求，而要想满足合力恒定这一条件，就需要控制细线的方向平行于轨道来保证。

由于该“对比实验”第一次出现在教科书中的位置是第二章第一节，且该课的目的是为后续匀变速直线运动的学习作好准备和铺垫，因此需要匀变速直线运动的数据，这才导致在实验要求中出现了“细线平行于轨道”这一操作要求。随着分析的深入，部分学生又在两个实验的数据处理阶段发现了其他不同点，即“每组实验数据的获得所需的纸带数量不同”等。在此过程中，教师应因势利导，启发学生制作对比表格，如表6所示。

该阶段教学在实验学习的意识上为学生打开了一扇门，让学生明白实验的学习不仅要专注于实验本身，也要主动思考实验之间的关联，注重其联系与差异。同时，引导学生动手制作表格手稿，以便养成良好的思维习惯和行为习惯，最终为深度驾驭实验奠定基础。

3 结束语

在整体有序实验教学开展过程中，应按照学生思维的发生和发展适时进行引导，螺旋式前进，虽然每个阶段推进过程较慢，但给予学生充分思考与消化的时间以及主动创造的空间，体现了整体有序教学时“结构序、目标序、内容序、思维序、评价序、活动序”六“序”合一^［3］的要求，为学生核心素养的培养和提升提供了保障。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版） ［S］.北京：人民教育出版社，2018．

[2] 梁旭.整体有序教学设计［J］.中学物理，2022，40（11）：5-8.

[3] 浙江省教育厅教研室.浙江省普通高中学科指导意见：物理（2021版）［M］.杭州：浙江教育出版社，2021.

基金资助

嘉兴市教育科学规划高中“创新拔尖人才”专项招标课题“培育科学探究素养：孵化拔尖创新人才的高中物理实验教学实践探索”(JZ23136)

2024年度嘉兴市第十四批学科教学带头人专项研究课题“多维视角：高中物理分组实验教学‘整体架构’策略研究”(JZ2024241)