中学物理实验教学：机械能守恒定律验证实验设计

（一）研究实施原则

在前面论述中，对物理实验教学中学生迁移能力培养研究现状、学习迁移能力定义、物理实验教学定义、动态评估定义以及在物理实验教学中运用动态评估培养学生的迁移能力做了详细阐述，而要进一步将理论付诸实践则需要制订相应的研究实施原则，以便制订研究的程序，选择研究的内容，选择合适的研究参与者，从而使研究得以顺利实施。

在制订本研究施测程序、选择施测内容、设计施测题目以及制订级别提示量表过程中应遵循以下原则：在学生最近发展区内施测；复杂真实原则；主体能动原则；理解概括原则；学生具备良好认知结构原则；学生认知策略习得原则；物理实验相同要素设计原则；施测题目难度差别原则；施测过程积极互动原则。

由本研究中对迁移能力的定义，可得到学生需要具备良好的认知结构、学生认知策略习得以及物理实验需要具备相同的要素三条策略。而由动态评估的程序要求入手，又可以得到施测题目难度具有差别、施测过程需要积极互动两条原则。下面就以上提及的原则来说明如何指导本研究。

第一，要确保在学生最近发展区内进行施测，则必须在施测前能够确定学生学习下限，在本研究中即指学生对某知识掌握程度，这就要求在施测过程中必须设置一个前测，通过前测设置的内容来确定学生对该知识的掌握程度进而为设计施测内容培养学生迁移能力提供难度上的参考。

第二，主体能动原则、复杂真实原则以及理解概括原则是符合迁移学习理论的教学原则，而施测的过程是评估的过程，也是培养迁移能力的过程，同时也是教学的过程。这就要求本研究设计的施测内容、制订的级别提示列量表以及级别提示量表的使用过程，必须符合以上三条原则。通过学生在最近发展区内进行学习任务调动学生的奖励系统来确保能够符合主体能动原则，而由上文的叙述可知，在施测之前设置前测以确保在学生的最近发展区内进行学习任务，从另一个方面来说，这也符合了主体能动原则。复杂真实原则要求本研究所选择的施测内容物理教学实验能够允许建构物理情境，而要建立的物理情境是建立在学生具备良好认知结构基础上的，是符合认知规律的复杂物理情境。需要说明的是，该处复杂并不等同于难度，复杂是指学生在能够解决问题寻得正确答案之前经过一系列不同的步骤。在使用渐进提示测量模型的过程中，结合了交互式动态评估的特点，在确定提示级别内给予学生不同内容提示，这样就要求在对学生使用级别提示量表的过程中通过积极互动来帮助学生理解概括所涉及的物理原理等问题，从而满足理解概括的原则。

第三，由以上的阐述可知对学生的施测是通过设置级别提示量表从而在一定的级别内给予学生提示，相同级别内对学生提示的内容不同，这种相同级别不同内容的提示是通过研究者与学生的积极互动来实现的。这种施测过程中的积极互动是研究者帮助学生建立良好认知结构、教授学生认知策略保证。研究者在与学生积极互动的过程中通过逐级提示帮助学生建立良好认知结构同时教授学生认知策略。

第四，物理实验相同要素设计原则。要建构基于学生认知结构的复杂物理情境，根据考察的目标设计的题目，学生在得到正确答案之前必须通过不同的步骤，这就要求本研究所设计的实验必须具有相同的要素，而不是将毫无关联的实验连接在一起，这样才能够使学生按照级别提示量表的内容，在逐级提示下解决由实验考查目标所设计的问题。本研究中所设计的物理教学实验具备相同的要素也为根据实验所需考察的目标设计难度有差别的题目提供了借鉴，也就保证了施测题目难度差别原则。

第五，根据以上级别提示量表使用，可以保证在研究实施的过程中施测者与学生能够积极互动，进而也就能够保证积极互动的原则。

（二）施测内容选择与分析

根据以上原则，首先必须选择施测内容，本研究的施测内容来自中学物理教学实验，且该实验应该满足上文中所提到的与施测内容相关的原则，如该实验能够允许施测者构建复杂的物理情境，满足复杂的真实原则，同时为设计难度有差别的题目提供帮助。

拟采用共同必修模块物理二验证机械能守恒定律的实验。在物理课程标准中验证机械能守恒定律属于共同必修模块物理二中三个二级主题的第一个二级主题——机械能与能源。在该二级主题中对机械能守恒定律的内容标准是通过实验验证机械能守恒定律。理解机械能守恒定律，用机械能守恒定律分析生活和生产中的有关问题。根据对物理实验的定义“本研究是通过对物理实验教学中认知领域目标达成来完成对学生迁移能力培养”，认知领域的目标包括有实验原理、方法、步骤，实验仪器的工作原理和读数方法，误差分析和实验设计等。结合物理课程标准中对机械能守恒定律内容标准的规定，在本研究中要通过实验验证机械能守恒定律，理解机械能守恒定律。

根据物理课程标准中部分行为动词的界定，验证与理解都属于知识技能目标动词中的知识目标动词，这与上文中提到的要在物理实验教学中达成认知领域的目标是符合的，理解属于理解水平，它是指把握内在逻辑关系，与已有知识建立联系，进行解释、推断、区分、扩展，提供证据，收集、整理信息等。验证则属于应用水平，它是指在新的情境中使用抽象的概念、原则，进行总结、推广，建立不同情境下的合理联系等。

由物理课程标准中对机械能守恒定律内容标准的规定，以及对不同类型动词的解释可以发现选择验证机械能守恒定律的实验，完全符合上文中有关实验内容选择原则的要求。

把握内在联系，与已有的知识建立联系，要求学生具备良好的认知结构，同时，进行解释、推断、区分、扩展等增加了复杂程度，符合复杂真实原则，进行总结、推广则又体现了理解概括的原则。

下面分析机械能守恒定律实验的相关内容。人教版高中物理必修二中对机械能守恒定律的叙述如下“在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。这叫作机械能守恒定律”。下面由机械能守恒定律的定义入手，结合教材上验证机械能守恒定律的实验，来设计验证机械能守恒定律的实验。

在设计实验的过程中，主要考察机械能守恒条件，只有重力或弹力做功的物体系统内，首先应该关注的是只有重力或弹力做功，其次分析物体构成的系统。(www.xing528.com)

由只有重力或弹力做功这个机械能守恒的第一个条件，首先考察在学生已有的知识中究竟有哪些物理模型是只有重力或弹力做功的。在教材中只有重力或弹力做功的物理模型主要有以下两类：自由落体运动与单摆。

1.利用自由落体运动验证机械能守恒定律

考虑机械能守恒定律的第二个条件为在物体系统内利用自由落体运动来验证机械能守恒定律。按照物体系统的复杂程度又可以分为两类。一类是通过直接研究物体在自由落体下落过程中动能与势能的变化来验证机械能守恒定律；另一类则是通过研究在由不同物体构成的复杂系统中，系统的机械能保持不变来验证机械能守恒定律。

（1）研究单个物体自由落体的过程验证机械能守恒定律

在该类实验中最具有代表性的当属人教版高中物理必修二第七章第九节的实验。

（2）复杂系统内构成物体机械能变化验证机械能守恒定律

此类实验相较于第一类实验而言，难度开始上升，且在此类实验之中，随着系统的复杂程度越来越高，难度也越来越大。在第一类实验中，如果排除实验仪器的使用，涉及的物理知识仅有自由落体运动，而在本类实验中，随着系统复杂程度提高，所包含的物理知识越来越多，学生解决问题所需经过的步骤也越来越多。

2.利用单摆验证机械能守恒定律

验证机械能守恒定律的另外一种方式是通过单摆来验证，与上文中利用自由落体运动来验证机械能守恒定律的实验不同，这一类实验是利用单摆的特点来验证机械能守恒定律。

（三）研究实施过程设计思路

根据上文中研究实施的原则以及施测内容地选择与分析设计本研究施测过程。本研究施测过程应该具备以下的特点。

第一，在施测过程中，应该选择合适的被试，根据被试来设计题目的难度已经远远超过本次研究的内容，因此我们应该根据分析与介绍施测内容来进一步筛选研究参与者。根据施测原则，我们应该保证在学生的最近发展区内进行施测。

第二，施测所需题目应该按照所选择与分析的实验，先设置相应的认知领域的目标，再根据相应的目标设计相应的难度具备差别的题目。

第三，将渐进提示测量模型运用至物理实验教学中存在提示标准化以及研究参与者迁移能力表征不合理的问题，因此在施测中，所设计的级别提示量表应该为在同级提示中来进行不同内容的提示提供可能，级别提示量表的每一级提示应该具有一定的原则，从而保证不同内容的提示属于同一级别；同时应该设置两次不同的测验，从而以学生为对照来确定学生的迁移能力是否得到了提高。

第四，所设计的级别提示量表中的具体提示，应该运用一定的手段来确定提示内容是否有效，学习者在研究者的帮助下是否能解决问题。