科學(xué)實施探究學(xué)習(xí)，有效改變學(xué)習(xí)方式

摘 要： 改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式是高中物理課程改革的重點(diǎn)，探究性物理學(xué)習(xí)是高中物理新課程積極倡導(dǎo)的學(xué)習(xí)方式。本文結(jié)合教學(xué)實踐，從探究性物理學(xué)習(xí)的適用范圍、基本環(huán)節(jié)、基本要求、存在問題和效果分析等方面探討了科學(xué)實施探究性物理學(xué)習(xí)，有效改變學(xué)生學(xué)習(xí)方式的問題。

關(guān)鍵詞： 探究性物理學(xué)習(xí) 適用范圍 基本環(huán)節(jié) 問題和效果

傳統(tǒng)的灌輸接受式教學(xué)方式，學(xué)生不了解科學(xué)知識的來源，不知道知識的形成過程，感受不到學(xué)習(xí)探索的樂趣，難以產(chǎn)生持久的學(xué)習(xí)興趣，甚至有些學(xué)生進(jìn)入大學(xué)或參加工作后，學(xué)習(xí)上帶有明顯的被動性，難以適應(yīng)新的學(xué)習(xí)要求。高中物理新課標(biāo)明確提出了知識與技能，過程與方法，情感、態(tài)度與價值觀的三維培養(yǎng)目標(biāo)，意在使學(xué)生學(xué)習(xí)到終生發(fā)展必備的物理基礎(chǔ)知識和技能；掌握科學(xué)探究的基本方法，發(fā)展自主能力，培養(yǎng)良好的思維習(xí)慣；發(fā)展好奇心和科學(xué)探究的興趣，實事求是的科學(xué)態(tài)度和關(guān)心生活、關(guān)心社會的責(zé)任感。而探究性學(xué)習(xí)活動則能夠讓學(xué)生獨(dú)立、自主地發(fā)現(xiàn)問題，通過查閱資料、實驗、操作、調(diào)查、信息搜索與處理、表達(dá)與交流等活動，達(dá)到經(jīng)歷探究過程、獲得知識與能力、掌握問題解決的方法、獲得情感體驗的目的。因此探究性學(xué)習(xí)是高中物理課程改革提倡的一種重要的學(xué)習(xí)方式，需要我們在日常物理教學(xué)中積極實施。

一、探究性物理學(xué)習(xí)的適用范圍

并不是所有的學(xué)習(xí)內(nèi)容都適合學(xué)生做探究性學(xué)習(xí)，因此物理教學(xué)并不排斥接受式學(xué)習(xí)，物理學(xué)習(xí)需要多種學(xué)習(xí)方式的結(jié)合。比如歐姆定律，有人設(shè)計這樣的探究性實驗：保持電阻不變，改變導(dǎo)體兩端電壓，從而改變電路中的電流，用電壓表和電流表測出一組數(shù)值，從數(shù)值中歸納出電流與電壓成正比的結(jié)論。這個設(shè)計粗看是讓學(xué)生探索歐姆定律規(guī)律，但實際上存在邏輯問題，因為電流表和電壓表都是依據(jù)歐姆定律為原理工作的，使用這個表來測量，就意味著已經(jīng)承認(rèn)了歐姆定律，再去用它找規(guī)律，就犯了循環(huán)論證的錯誤。從歷史上看，歐姆定律的得來是非常不容易的，那個時候還沒有發(fā)明出電流表和電壓表。歐姆用磁針的偏轉(zhuǎn)方向來表示電流的大小，因為磁針受到地磁場和電流磁場的共同作用，N極沿合磁場方向，通過不同的電流，指針的偏轉(zhuǎn)方向就不同，又用溫差電偶的溫度差來表示電源的特征，用不同長度的銅絲來反映導(dǎo)線的特征，這些都是當(dāng)時很巧妙的方法，很具有創(chuàng)造性?？茖W(xué)探究過程要體驗，但是不能把問題無理地簡化，設(shè)計出一種簡單的探究過程而違背科學(xué)原理，這樣不僅不能向?qū)W生展現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程，反而會引起誤解，使學(xué)生認(rèn)為科學(xué)發(fā)現(xiàn)是一個很簡單、很輕松的事情，失去科學(xué)發(fā)現(xiàn)本身的巨大魅力。根據(jù)我的實踐，探究性物理學(xué)習(xí)在以下四方面將大有作為。

（一）進(jìn)行基本物理量的測量活動。

中學(xué)物理學(xué)習(xí)中的很多物理量都沒有給出測量方法，但測量方法包含很多重要的物理思想和研究方法，可以作為探究活動的一個內(nèi)容。比如：多種方法測磁體和電流周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度、測聲波的頻率、測日光燈的頻閃頻率、極大和極小電阻的測量、用示波器測黑箱內(nèi)的電學(xué)元件等。

（二）探究物理規(guī)律。

以物理規(guī)律為主的探究活動的基本過程是：通過對實驗現(xiàn)象的觀察，或應(yīng)用已知規(guī)律、理論對某一現(xiàn)象進(jìn)行邏輯推理，找出一些問題，然后設(shè)計實驗，采集實驗數(shù)據(jù)，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸納，最終得到規(guī)律性的結(jié)論。我們組織學(xué)生研究過的課題有：探究摩擦力的變化規(guī)律、探究求合力的方法、探究單擺的周期與哪些因素有關(guān)、探究碰撞中的能量問題、光在界面發(fā)生折射時遵循什么規(guī)律、如何查找電路故障、氣墊上彈簧振子的周期與質(zhì)量、振幅的關(guān)系等。

（三）尋找儀器、生活用品的基本原理。

學(xué)生在日常生活中經(jīng)常觀察到一些有趣的現(xiàn)象或有意思的用品、儀器，學(xué)生對這些現(xiàn)象或用品的基本原理產(chǎn)生興趣，提出問題后，教師帶領(lǐng)學(xué)生通過查閱資料，拆裝儀器、用品，或是將儀器、用品拿到實驗室進(jìn)行測量，從而探究其基本原理。比如自行車磨電燈的工作原理、廁所馬桶沖水器的工作原理、汽車測速儀的工作原理、乒乓球落在案子上后為什么能向后運(yùn)動、家用節(jié)水器的原理及利弊分析等。

（四）開展實驗和動手制作活動。

我們可以在課外活動中設(shè)計一些趣味實驗，實驗的內(nèi)容有些移植于課外書，有些是從各種活動中學(xué)來的，還有些是學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識自己設(shè)計的。比如：如何用地磁場獲得感應(yīng)電流、組裝簡易望遠(yuǎn)鏡、用鉛筆芯自制活動變阻器、體驗向心力的大小、估測手拋物體做的功等。

二、例析探究性物理學(xué)習(xí)的基本環(huán)節(jié)

探究性物理學(xué)習(xí)活動有許多環(huán)節(jié)，下面以探究“簡諧運(yùn)動及其圖像”為例，探討探究性學(xué)習(xí)的幾個基本環(huán)節(jié)和基本要求。

（一）充分做好探究準(zhǔn)備工作。

1.明確探究目的

（1）知識與技能目標(biāo)：振動圖像的物理含義；簡諧運(yùn)動的圖像是一條正弦或余弦函數(shù)曲線；根據(jù)圖像知道振動的振幅、周期和頻率。

（2）過程與方法目標(biāo)：以學(xué)生為中心的探究性教學(xué)過程：發(fā)現(xiàn)問題—設(shè)計方案—進(jìn)行實驗—再發(fā)現(xiàn)問題—解決問題—得出結(jié)論。采用的方法：討論法、演繹法、歸納法。

（3）情感目標(biāo)（情感、態(tài)度和價值現(xiàn)）：學(xué)生通過自己設(shè)計實驗、動手操作實驗，提高實驗設(shè)計能力與實驗操作能力，培養(yǎng)科學(xué)的思維方法和應(yīng)用數(shù)學(xué)解決物理問題的能力；通過分組實驗培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作的精神，體驗實驗過程和結(jié)果獲得的成就感。

2.把握探究的重點(diǎn)與難點(diǎn)

（1）探究重點(diǎn)：知道簡諧運(yùn)動圖像的物理意義。

（2）探究難點(diǎn)：簡諧運(yùn)動圖像的得出。即知道圖像表達(dá)的是一個質(zhì)點(diǎn)的位移隨時間變化關(guān)系。

3.備好探究用具

鐵架臺（兩臺）、小鐵球（系有細(xì)線）、注射器及塑料細(xì)管、注射針、透明膠布、細(xì)線、鉤碼、白紙、紅墨水（一瓶）、長木板。

4.設(shè)計探究實施過程的流程

（1）將學(xué)生分為七大組（7—8人/組，圍成一圈，便于小組實驗與組內(nèi)交流、合作）；（2）設(shè)計情景，提出問題；（3）設(shè)計方案，進(jìn)行實驗，引導(dǎo)探究，尋求規(guī)律；（4）各小組交換意見；（5）肯定好方案并實驗得出圖線；（6）引導(dǎo)學(xué)生完善圖線；（7）得出結(jié)論；（8）總結(jié)鞏固。

（二）設(shè)計情景，提出問題。

設(shè)計情景、提出問題至關(guān)重要。從熟悉的知識中提出問題，引導(dǎo)思維的撞擊，既有利于激發(fā)學(xué)生提出解決問題的動機(jī)，又可以讓學(xué)生主動地思考，并提出質(zhì)疑。面對學(xué)生的疑問，教師不必過早解釋，只要綜合學(xué)生的提問，提出一兩個重點(diǎn)問題組織學(xué)生合作探究即可。

例如：從學(xué)生熟悉的單擺模型中引導(dǎo)學(xué)生用現(xiàn)有的材料想辦法組建一個簡單的擺，再給出這樣的練習(xí)：假設(shè)你手中的擺做簡諧運(yùn)動的周期為1.8s（如圖1），振幅為2cm，其中擺球從0點(diǎn)向右第一次到C點(diǎn)所需時間為0.3s，則：

①從c→B→c所需時間為多少?

②以振子從0點(diǎn)出發(fā)向右運(yùn)動開始計時，第二次到達(dá)C點(diǎn)是什么時刻?第三次?第四次?

（學(xué)生在上節(jié)課的基礎(chǔ)上大多能完成，教師將所得的答案如圖2排列，在黑板上劃出來。）

（教師引導(dǎo)學(xué)生回憶：在研究勻速直線運(yùn)動時使用表格來記錄，但它有缺陷，后來用圖像法來描述使問題更形象直觀。）

根據(jù)上面的引導(dǎo)向?qū)W生提出如何描述簡諧運(yùn)動的問題。教師在學(xué)生提出的方案中選取比較好的方案組織學(xué)生進(jìn)行實驗設(shè)計。

（三）設(shè)計方案，進(jìn)行實驗，引導(dǎo)探究，尋求規(guī)律。

教師應(yīng)該大膽放手讓學(xué)生自主設(shè)計實驗方案，展開討論，完善實驗，深化思維；教師可作適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)。對個別有困難的小組，進(jìn)行個別指導(dǎo)。盡可能讓每位學(xué)生都參加小組設(shè)計，讓他們得到一種科學(xué)探究的體驗，感受探究的艱難，同時也嘗到成功的喜悅。

在設(shè)計簡諧運(yùn)動圖像的實驗方案時，教師讓學(xué)生自主設(shè)計，并作適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，以讓學(xué)生在民主和諧氣氛中體會科學(xué)的探究方法，尋求解答問題的規(guī)律性。

（四）分析實驗記錄，得出實驗結(jié)果。

這一階段教師既要對學(xué)生積極主動參與探究給予充分肯定，又要得出實驗記錄的分析結(jié)果。

在簡諧運(yùn)動圖像的實驗探究中，學(xué)生根據(jù)本小組的情況，挑選一個好的方案進(jìn)行實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)并列圖分析，得出實驗結(jié)果：教師將其中較好的圖線畫到黑板上，將所有的C點(diǎn)用一條直線連起來，并在各個不同的C點(diǎn)下方注上時刻，見圖4。

（五）完善實驗結(jié)果，得出普遍適用的結(jié)論。

教師根據(jù)上述的實驗結(jié)果，以提問的方式引導(dǎo)學(xué)生完善實驗結(jié)果，得出簡諧運(yùn)動的圖像是一條正弦、余弦函數(shù)圖線的普遍適用結(jié)論，并對圖像的物理意義進(jìn)行分析。

三、存在問題和效果分析

（一）盡量減少實驗系統(tǒng)誤差與人為誤差。

存在的問題主要是實驗誤差大。首先，由于實驗材料本身的原因，實驗條件難以符合簡諧運(yùn)動的條件而產(chǎn)生系統(tǒng)誤差；其次，學(xué)生拉木板時不能使木板做勻速直線運(yùn)動。結(jié)果使實驗圖像與課本圖像產(chǎn)生很大誤差。

我們可以把本實驗注射器改成塑料果凍外殼，在實驗中把紅墨水放入塑料果凍外殼中，然后用縫衣針在果凍外殼下打個小洞，這樣就避免了把注射針粘在鉤碼下端在運(yùn)動過程中由于注射細(xì)管過大帶來的摩擦引起的誤差，實驗裝置圖如圖7。

（二）效果分析。

1.比較充分地發(fā)揮了學(xué)生的主體作用

建構(gòu)主義理論的核心思想是：知識不是被動地接受，而是認(rèn)知主體積極建構(gòu)的。探究性教學(xué)活動，教師的作用是指導(dǎo)和參謀，從知識的傳授者轉(zhuǎn)為學(xué)生發(fā)展的促進(jìn)者。有人說在這里教師從“主角”轉(zhuǎn)換為“平等中的首席”，學(xué)生自己決定研究什么，怎么研究，研究的結(jié)果也由學(xué)生自己歸納總結(jié)，最后還要在全班同學(xué)面前做展示演講，遇到困難時再找老師尋求幫助，這種方式符合建構(gòu)主義理論。比如本次探究，大部分學(xué)生理解圖像的物理含義，知道簡諧運(yùn)動的圖像是一條正弦或余弦函數(shù)曲線，能夠根據(jù)圖像得到振動的振幅、周期和頻率，提高應(yīng)用數(shù)學(xué)解決物理問題的能力。

2.促進(jìn)了學(xué)生的科學(xué)感悟和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)

探究性活動使學(xué)生回歸到物理概念和規(guī)律的提煉過程和應(yīng)用過程，引發(fā)學(xué)生進(jìn)行實證調(diào)查，通過收集和利用數(shù)據(jù)形成對科學(xué)現(xiàn)象的解釋，使得學(xué)生在思考物理問題時，在深度和廣度上比一般的課堂教學(xué)有所加強(qiáng)，有利于加深對物理理論的認(rèn)識，有利于將物理理論與實際進(jìn)行結(jié)合，有利于學(xué)生對物理學(xué)習(xí)產(chǎn)生持久的興趣。記得有一位上了大學(xué)的畢業(yè)生在給我的信中寫道：我進(jìn)行科學(xué)探究活動主要收獲有：（1）了解了自然科學(xué)的一般研究方法；（2）物理實驗提高了動手能力；（3）培養(yǎng)了對自然的熱愛和在生活中運(yùn)用科學(xué)、勤于思考的習(xí)慣。

3.提高了學(xué)生的團(tuán)結(jié)合作意識和交往能力

從選題開始到設(shè)計研究方案，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，查閱研究資料，做調(diào)查問卷，寫研究報告，最后在班里匯報，從始至終都是以小組形式來完成的。小組內(nèi)有分工，有合作，有討論，有交流，每個成員要承擔(dān)分給自己的任務(wù)，彼此之間要進(jìn)行溝通，要將每個人的研究整合到整體中去，要形成組內(nèi)成員間的相互信任，如果組內(nèi)出現(xiàn)了沖突，就要想辦法解決沖突。在這一過程中，學(xué)生充分地體驗挫折與成功，感受平等與公正。通過幾年的跟蹤觀察，我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的團(tuán)結(jié)合作意識和交往能力大大提高了，大多數(shù)在高一入學(xué)不久就建立了探究性學(xué)習(xí)活動小組，在三年里一直保持良好的合作關(guān)系。

總之，探究性物理學(xué)習(xí)是從學(xué)科領(lǐng)域或社會生活中選擇主題，創(chuàng)設(shè)一種類似于學(xué)術(shù)（或?qū)W科）研究的情景，通過學(xué)生自主、獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行試驗、操作、調(diào)查搜集與處理信息、表達(dá)、交流等活動，這種學(xué)習(xí)方式具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)，需要我們繼續(xù)深入實踐與探索，以取得更大的成效。

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