高中物理教學(xué)要求學(xué)生能利用圖像描述和解釋物理現(xiàn)象，能使用圖像方法處理實驗數(shù)據(jù)、總結(jié)經(jīng)驗公式或根據(jù)圖像得到某些物理量的測量值。我們在物理教學(xué)中常常發(fā)現(xiàn)，盡管學(xué)生能較好地掌握講授過的那些圖像所表征的含義，但缺乏利用圖像來理解、分析、表達(dá)物理現(xiàn)象，以及利用圖像對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析的認(rèn)知能力。簡言之，學(xué)生難以把他們所熟知的表征具體內(nèi)容的圖像方法遷移到理解新的問題情境中去。究其原因在于學(xué)生可以從課本上獲得關(guān)于圖像的知識，但他們對圖像的理解最終要取決于利用圖像方法解決問題的相關(guān)活動。
　　在一般的物理實驗課上，進(jìn)行實驗的前提是學(xué)生已經(jīng)了解某現(xiàn)象的變化規(guī)律，知道圖像曲線的具體形狀，要求學(xué)生做的工作只是根據(jù)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，若發(fā)現(xiàn)有些點(diǎn)不符合標(biāo)準(zhǔn)則要分析誤差原因。在這樣的實驗中，把圖像作為一種有效的方法／工具來分析現(xiàn)象／問題的實踐活動幾乎是不存在的，這也就造成圖像知識和應(yīng)用這種圖像知識的實踐很大程度上是處于一種“分裂”的狀態(tài)。
　　我們認(rèn)為適宜的解決辦法是創(chuàng)設(shè)一種探究性的物理實驗環(huán)境，其中包含一系列需要使用圖像才能順利完成的不同層次的任務(wù)，促使學(xué)生在與這種情境的不斷交互過程中，從多個側(cè)面理解圖像方法／工具的實際應(yīng)用意義，并掌握利用圖像知識分析，處理問題的典型方法。圖像方法的優(yōu)勢通常體現(xiàn)在對大量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析的時候，這就意味著那些探究任務(wù)往往伴隨大量的數(shù)據(jù)測量處理和圖像繪制工作，而這些費(fèi)時、費(fèi)力的工作將導(dǎo)致學(xué)生只能有極少的時間和精力投入到觀察和分析圖像變化的認(rèn)知活動中去，難以達(dá)到預(yù)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)。
　　通過文獻(xiàn)調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的MBL(Microcomputer-based Lab，基于微型計算機(jī)的實驗室)技術(shù)可以很好地解決上述困難。
　　
　　一、關(guān)于MBL技術(shù)
　　
　　MBL技術(shù)產(chǎn)品包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)及其應(yīng)用軟件。傳感器探測物理信號(如溫度，光強(qiáng)等)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(目前的產(chǎn)品每秒能采集數(shù)據(jù)一萬次以上)，通過數(shù)據(jù)采集器將電信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可識別的數(shù)字信號，最后由應(yīng)用軟件將這些測量數(shù)據(jù)實時顯示為圖像和數(shù)據(jù)表等，同時提供常用的圖像和數(shù)據(jù)的分析處理功能，以幫助學(xué)生利用圖像變化來觀察實驗現(xiàn)象，理解和分析實驗規(guī)律以及表達(dá)探究結(jié)果等。MBL技術(shù)產(chǎn)品能在短時間內(nèi)自動采集和顯示大量測量數(shù)據(jù)并且繪制出圖像，使學(xué)生從這些最需要耗費(fèi)時間的“苦差事”中解放出來。更重要的是，“實時的圖像顯示”有助于學(xué)生利用圖像觀察測量數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。此外，許多研究者發(fā)現(xiàn)使用MBL技術(shù)的適宜方法是在基于合作小組的探究性活動中，讓學(xué)生自己去思考測量什么、怎樣測量以及如何解釋測量的結(jié)果。
　　
　　二、基于MBL的探究性物理實驗活動設(shè)計
　　
　　我們將參與活動的學(xué)生分成多個合作小組，每個小組包括三名學(xué)牛和一套安裝好的MBL計算機(jī)平臺系統(tǒng)。學(xué)生對圖像的認(rèn)識主要處于一個具體的操作思維水平，因此我們不能期望一個缺乏形式思維能力的學(xué)生能自己設(shè)計出一個探究活動程序，以促進(jìn)對形式思維過程的體驗和理解，故而我們采用以“有結(jié)構(gòu)的探究活動”為主的形式，即探究時給學(xué)生提供將要調(diào)查研究的問題，解決問題所要使用的方法和材料，但不提供預(yù)期結(jié)果，學(xué)生根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析概括，發(fā)現(xiàn)某種聯(lián)系，找到問題的答案。
　　依據(jù)循序漸進(jìn)的原則，我們所設(shè)計的探究性任務(wù)包含兩個層次：第一個層次是利用圖像定性分析實驗現(xiàn)象，學(xué)生需要正確理解圖像表征與測量數(shù)據(jù)變化之間的聯(lián)系，并且使用圖像表征來解釋、分析和評價實驗現(xiàn)象。第二個層次是在定性描述基礎(chǔ)上結(jié)合圖像擬合方法進(jìn)行定量探究，學(xué)生需要在對圖像表征分析、評價的基礎(chǔ)上，運(yùn)用曲線擬合方法推測經(jīng)驗公式／定量關(guān)系。在設(shè)計探究任務(wù)的具體內(nèi)容時，主要考慮滿足四個方面的要求：一是與學(xué)生的背景知識相適應(yīng)，減少學(xué)生在形成假設(shè)和設(shè)計實驗方案方面的困難；二是注意留有相當(dāng)?shù)奈粗骄靠臻g，以激發(fā)他們的興趣；三是這些任務(wù)要集中體現(xiàn)與MBL技術(shù)相結(jié)合的圖像方法的優(yōu)勢；四是這些任務(wù)都需要小組成員協(xié)作才能完成。整個活動分為以下三個階段：
　　1．準(zhǔn)備與適應(yīng)階段(兩學(xué)時)
　　開課之前，學(xué)生均沒有使用MBL系統(tǒng)的經(jīng)驗，也缺少進(jìn)行實驗探究的機(jī)會，但對于小組合作完成實驗的方式還是相當(dāng)熟悉的。在這個階段中，我們首先介紹該系統(tǒng)的功能和使用方法，并指導(dǎo)各小組進(jìn)行一些簡單實驗，而后安排三個適應(yīng)性實驗：“等溫條件上封閉氣體的壓強(qiáng)與體積之間的定量關(guān)系”、“在一般的變速運(yùn)動中驗證牛頓第二定律”，“日光燈或電腦屏幕的頻閃規(guī)律分析”，要求各小組按要求寫出完整的實驗報告。前兩個實驗是學(xué)生所熟悉的，如我們曾在課堂上發(fā)給每個學(xué)生一個注射器針管，讓他們體驗活塞推進(jìn)和拉出過程中堵在針管頂端的手指所感受到的氣壓的變化。在傳統(tǒng)實驗課上，學(xué)生也曾驗證過勻變速直線運(yùn)動中加速度與臺外力的正比關(guān)系，現(xiàn)在的安排則是在之前基礎(chǔ)上加以擴(kuò)展——由定性體驗到定量分析，由特殊情況到一般情況的驗證。而第三個實驗則需要引導(dǎo)他們注意平時難以覺察的頻閃現(xiàn)象，并把交流電的知識和光強(qiáng)的變化聯(lián)系起來。這樣設(shè)計的好處是讓學(xué)生對他們不熟悉的探究性實驗有一個逐步適應(yīng)的過程，同時也對MBL系統(tǒng)的優(yōu)勢與局限有了較深入的了解，為下一步的探究活動做好準(zhǔn)備。
　　由于我們所使用的MBL產(chǎn)品每秒最多可采集數(shù)據(jù)達(dá)7000次，可以提供相當(dāng)詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料。面對如此龐大的數(shù)據(jù)，學(xué)生們很快就會意識到圖像表征的巨大優(yōu)勢。
　　2．定性的、以描述性探究為主的階段(兩學(xué)時)
　　在這個階段中，我們安排了兩個探究性實驗：“運(yùn)動鞋在各種表面的摩擦性能”和“通電直導(dǎo)線的磁場分布情況”。我們要求各小組至少任選其中之一，小組要討論并寫出實驗設(shè)計方案，經(jīng)過教師認(rèn)可后方能繼續(xù)實施。實驗完成后，我們組織這些小組展示、交流各自的研究成果，并結(jié)合他們的實驗來指導(dǎo)進(jìn)一步的定量探究。
　　(1)研究“運(yùn)動鞋在各種表面的摩擦性能”的基本過程
　　運(yùn)動場地面材料的防滑性能會影響學(xué)生的運(yùn)動質(zhì)量和運(yùn)動安全，本研究的目的就是了解塑膠，水泥和瀝青三種地面摩擦性能的差異。利用測量學(xué)生常穿的運(yùn)動鞋在一定壓力下的最大靜摩擦力，可以得到各種材料摩擦性能的信息。通過軟件平臺正確設(shè)置實驗參數(shù)并給運(yùn)動鞋里加上一定重物后，用“力傳感器”通過鞋帶平拉鞋子，緩慢增加拉力，直到鞋子開始在地面上運(yùn)動。與此同時，拉力隨時間變化的圖像實時顯示在屏幕上，可以發(fā)現(xiàn)拉力先增大后減小，根據(jù)該圖像的峰值可以得到最大靜摩擦力。學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)相同的運(yùn)動鞋在不同表面材料的地面上受到的最大靜摩擦力是不一樣的，獲得的測量圖像也有不同的特點(diǎn)。實驗過程中，學(xué)生需要分析在塑膠，水泥和瀝青表面的測量圖像的差異，以及當(dāng)?shù)孛嬗兴蛴袎m土?xí)r測量圖像的變化情況。我們還鼓勵學(xué)生利用這種測量圖像進(jìn)一步分析不同鞋底材料或鞋底花紋的防滑性能。
　　(2)研究“通電直導(dǎo)線的磁場分布情況”的基本過程
　　磁性是物質(zhì)的一種普遍屬性，學(xué)生初中就知道電流具有磁效應(yīng)，本研究的目的是進(jìn)一步了解通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場與哪些因素有關(guān)系，是什么樣的關(guān)系。結(jié)合以往的知識進(jìn)行初步討論之后，學(xué)生不難確定研究假設(shè)“電流激發(fā)的磁場與電流強(qiáng)度以及距離有關(guān)”。依據(jù)控制變量法，檢驗假設(shè)的實驗要分為兩部分：在保證導(dǎo)線電流不變的情況下，改變距離并觀察磁場強(qiáng)弱的變化；在距離一定的情況下，改變電流并觀察磁場強(qiáng)弱的變化。先給直導(dǎo)線通以一定的電流，沿著垂直于導(dǎo)線的方向每隔一定距離就使用磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器測量一次對應(yīng)數(shù)據(jù)。與此同時，距離隨時間變化的圖像和磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時間變化的圖像將同步顯示在屏幕上。為了更容易觀察通電導(dǎo)線的磁場分布，可以提示學(xué)生去掉時間變量而得到一個磁感應(yīng)強(qiáng)度與相對距離的關(guān)系圖像。由這個新圖像可以看出，隨著距離的增加，磁場將迅速減弱。再考察電流對磁場的影響，可以將磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感罪的探頭固定放在某個位置，改變電流的強(qiáng)度并用電流傳感器測量電流的變化，這時屏幕上分別顯示出磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時間變化的圖像和電流隨時間變化的圖像。去掉時間這個無關(guān)變量之后，可得到在該位置處磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流變化的圖像。在多個不同位置重復(fù)測量后，將不難發(fā)現(xiàn)這些圖像都是過原點(diǎn)的直線，大多數(shù)學(xué)生會很快猜想得到它們之間的正比關(guān)系。這時，我們可以提示學(xué)生使用曲線擬合功能分析這些直線所表征的具體函數(shù)關(guān)系，還可以進(jìn)一步引導(dǎo)他們根據(jù)前面得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨距離變化的圖像分析出相應(yīng)的定量關(guān)系。我們還將組織小組討論上述兩方面的實驗結(jié)果，嘗試著歸納宜導(dǎo)線磁場分布的經(jīng)驗公式，在定性描述的探究基礎(chǔ)上開始逐步過渡到定量的研究。
　　3．定性和定量探究相結(jié)合的階段(兩學(xué)時)
　　在這個階段我們安排了兩個定量探究實驗：“小燈泡的光強(qiáng)隨距離的變化關(guān)系”和“籃球在各種地面上的反彈規(guī)律”。我們同樣要求各小組至少任選其中之一，但與前一階段不同的是各小組將獨(dú)立設(shè)計，實施實驗，井在完成實驗后向全體匯報探究的過程和結(jié)果。我們還將和學(xué)生一起評價這些成果，分別推選出一等獎組、二等獎組和鼓勵獎組。
　　(1)研究“小燈泡的光強(qiáng)隨距離的變化關(guān)系”的基本過程
　　夜晚，在昏暗的路燈下看書會損害視力，原因是光線太暗了。這不是因為路燈本身不夠亮，而是因為書本離路燈太遠(yuǎn)了。顯然，照在物體上的光強(qiáng)是與被照物體到光源的距離有關(guān)的，本研究的目的是探究點(diǎn)光源的光強(qiáng)與距離之間的具體關(guān)系。將小燈泡、光強(qiáng)傳感器和刻度尺都放人暗箱，并保證測量的距離大干燈絲長度(小燈泡可視作點(diǎn)光源)，如圖1所示。
　　
　　在不斷改變光傳感器到光源距離的同時，電腦屏幕上方的兩個工作區(qū)會分別顯示出距離和光強(qiáng)隨時間變化的圖像?？梢钥紤]去掉時間這個無關(guān)變量，在屏幕左下方的工作區(qū)建立一個光強(qiáng)隨距離變化的新圖像，以便直接觀察二者之間的關(guān)系。從該圖像上能夠明顯看出這是—個遞減函數(shù)曲線，學(xué)生可以從軟件平臺提供的20多類常見函數(shù)中挑選可能的幾種進(jìn)行曲線擬合，將擬合的曲線結(jié)果和測量圖像加以比較分析，從而推測一種最相符合的數(shù)學(xué)關(guān)系。當(dāng)然這將是一個不斷評價和反思的過程，而且還要充分考慮到實驗方法或測量誤差帶來的某些不可避免的影響。
　　(2)研究“籃球在各種地面上的反彈規(guī)律”的基本過程
　　運(yùn)動場表面覆蓋的材料通常有塑膠、瀝青和水泥地面等。使籃球從一定高度下落到這些材料上，觀察籃球反彈高度隨反彈次數(shù)的下降，可得到反彈衰減圖像曲線，從中獲得各種材料反彈性能的信息。將籃球與位移接收傳感器固定在一起，鐵架臺頂端固定一個與計算機(jī)相連的位移發(fā)射傳感器(圖2)。
　　
　　使籃球從一定高度開始下落，接觸地面后反彈到最高點(diǎn)，再次下落……經(jīng)過多次反復(fù)后直至靜止在地面上。在此過程中，位移傳感器不斷采集籃球位置變化的數(shù)據(jù)，并在屏幕上同步顯示反彈高度隨時間變化的關(guān)系圖像。每次與地面碰撞后，由于能量損失，反彈高度逐漸減小。學(xué)生可以分析出與實驗現(xiàn)象一一對應(yīng)的圖像的變化，在此基礎(chǔ)上提取每次反彈后的最高點(diǎn)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的反彈次數(shù)，建立一一對應(yīng)的關(guān)系。通過軟件平臺設(shè)置以反彈高度為縱坐標(biāo)，反彈次數(shù)為橫坐標(biāo)的反彈衰減圖像。
　　在塑膠、水泥和瀝青地面上分別進(jìn)行測量，學(xué)生將發(fā)現(xiàn)不同地面對籃球的反彈衰減圖像并不一樣，不難看出塑膠地面衰減情況較小，反彈性能最好。之后，學(xué)生還需要進(jìn)一步探討這些衰減圖像可能符合的數(shù)學(xué)規(guī)律，多次嘗試開考慮空氣阻力的影響之后，分析出這些圖像都比較符合對數(shù)函數(shù)的規(guī)律，而且不同曲線的對數(shù)方程是不一樣的。有的小組還根據(jù)位移一時間圖像，利用該軟件繪制出速度一時間和加速度一時間圖像，探討速度衰減的規(guī)律和重力加速度的測量。
　　
　　三、MBL技術(shù)應(yīng)用的啟示
　　
　　為了考查基于MBL技術(shù)的探究性物理實驗活動在促進(jìn)圖像認(rèn)知能力方面的效果，我們在北京市第五中學(xué)進(jìn)行丁實踐研究。從實驗前測與后測的統(tǒng)計結(jié)果可以看出：通過基于MBL圖像工具的探究性物理實驗活動，被試學(xué)生的圖像認(rèn)知技能得到了一定程度的提高。特別值得注意的是，實驗后測是在脫離MBL環(huán)境的紙筆方式或在傳統(tǒng)實驗條件上進(jìn)行的，這說明學(xué)生通過使用MBL圖像工具獲得了某種“認(rèn)知存留”(cognitire residue，Salomon 1991年提出技術(shù)制品的使用會留下認(rèn)知存留，這個存留在后來制品本身不存在時也能夠有效支持認(rèn)知活動)。換句話說，MBL工具的運(yùn)用在一定程度上改善了學(xué)生對于圖像的理解能力，并且這種能力還能被遷移到不同的情境中去。
　　根據(jù)觀察記錄和調(diào)查問卷結(jié)果，我們可以分析并歸納出MBL工具在探究活動中的幾方面典型作用：一是MBL可在短時間內(nèi)收集大量數(shù)據(jù)并自動繪圖，這明顯減輕了許多非生產(chǎn)性的工作負(fù)擔(dān)，允許學(xué)生將更多的時間和精力投入到觀察和分析圖像變化的認(rèn)知活動中。二是MBL實時性的特點(diǎn)使學(xué)生易于建立圖像符號表征和正在發(fā)生的物理現(xiàn)象之間的聯(lián)系，從而有助于學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上對圖像意義進(jìn)行建構(gòu)。三是MBL提供的一系列圖像分析與處理功能，有助于引導(dǎo)學(xué)生將他們的認(rèn)知努力集中到與圖像方法有關(guān)的問題中來。四是在學(xué)習(xí)小組以及師生交流中，MBL還往往表現(xiàn)為提供一種共同表征工具的作用。由此我們可以看出，MBL的作用不僅表現(xiàn)為對活動本身的有力支持，更重要的是它通過影響學(xué)生的活動和思考方式，為學(xué)生內(nèi)化該工具的圖像表征系統(tǒng)提供了良好的機(jī)會。這恐怕就是學(xué)生在使用以后表現(xiàn)出圖像“認(rèn)知存留”效果的重要原因吧。
　　(作者單位：北京市第五中學(xué) 北京師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)