基于科學(xué)探究方法的高中物理教學(xué)研究

張帆

摘 要：科學(xué)探究法在高中物理課堂中的應(yīng)用，有助于體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，鍛煉學(xué)生分析、解決問題的能力，提高課堂教學(xué)實(shí)效性，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。文章首先分析了基于科學(xué)探究法的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)原則，提出了科學(xué)探究法應(yīng)用的流程；主要包括教學(xué)目標(biāo)的確定、探究問題的提出、理論探究、實(shí)踐探究、應(yīng)用拓展五個(gè)部分。以“向心加速度”相關(guān)知識(shí)的教學(xué)為例，對(duì)具體的實(shí)施過程進(jìn)行了分析，可以為科學(xué)探究法在高中物理課堂中的應(yīng)用提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究法；高中物理；課堂教學(xué)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，高中物理課程要培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究意識(shí)，提高學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)，并通過設(shè)計(jì)探究方案獲取證據(jù)的能力；要指導(dǎo)學(xué)生能夠遵循探究方案，使用多種方法、手段處理信息，描述和解釋探究結(jié)果；同時(shí)，要提高學(xué)生的交流意愿和能力，使其能夠準(zhǔn)確地表述、評(píng)估和反思探究的過程與結(jié)果。為實(shí)現(xiàn)這一教學(xué)目標(biāo)，教師必須注重科學(xué)探究方法在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力[1]。但是，在目前的高中物理教學(xué)中，部分教師更強(qiáng)調(diào)高考要求的內(nèi)容，缺少和實(shí)踐之間的聯(lián)系；注重知識(shí)點(diǎn)的講解，缺少學(xué)習(xí)方法、技巧的指導(dǎo)；師生交流互動(dòng)的效率低下，缺少科學(xué)探究的過程。而學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性低下，更多被動(dòng)接受教師的講授，未能主動(dòng)思考和主動(dòng)提問，知識(shí)轉(zhuǎn)化和應(yīng)用的效果較差。因此，基于課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)目標(biāo)和高中物理課堂教學(xué)的現(xiàn)狀，應(yīng)用科學(xué)探究的方法，改善課堂教學(xué)的效果，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究意識(shí)和能力尤為重要[2]。

一、基于科學(xué)探究法的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)設(shè)計(jì)的基本原則

1.科學(xué)性原則

物理是一門科學(xué)性較強(qiáng)的學(xué)科，其中很多概念、規(guī)律和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都需要通過科學(xué)探究來獲得。因此，教學(xué)設(shè)計(jì)要遵循科學(xué)性的原則。首先，提煉出需要解決的科學(xué)問題，然后設(shè)計(jì)科學(xué)的探究環(huán)節(jié)，再應(yīng)用科學(xué)的探究方法，最終得到科學(xué)的結(jié)果和結(jié)論。

2.主體性原則

教師要發(fā)揮學(xué)生在科學(xué)探究中的主體地位，要轉(zhuǎn)變自身的角色，強(qiáng)化教學(xué)指導(dǎo)，加強(qiáng)交流溝通；引導(dǎo)學(xué)生參與科學(xué)探究過程，進(jìn)行主動(dòng)思考學(xué)習(xí)和合作交流，真正將課堂交給學(xué)生。

3.層次性原則

依據(jù)建構(gòu)主義理論，學(xué)生學(xué)習(xí)的過程是知識(shí)建構(gòu)的過程，由于不同學(xué)生的知識(shí)能力各有差異，因此，知識(shí)建構(gòu)的結(jié)果有所不同。教師要重視學(xué)生的層次差別，合理安排探究性活動(dòng)，在探究環(huán)節(jié)要針對(duì)不同層次的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)干預(yù)和架構(gòu)指導(dǎo)，使不同層次的學(xué)生都能夠在科學(xué)探究中有所收獲。

4.系統(tǒng)性原則

科學(xué)探究是一個(gè)系統(tǒng)過程，涉及教師和學(xué)生的參與，信息化教學(xué)工具和多種教學(xué)資料的應(yīng)用，因此教師必須從教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，合理安排科學(xué)探究活動(dòng)，客觀公正進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)，最終形成一個(gè)系統(tǒng)的科學(xué)探究物理課堂。

（二）教學(xué)設(shè)計(jì)的主體思路

1.教學(xué)目標(biāo)的確定

教學(xué)目標(biāo)的確定，首先要對(duì)課標(biāo)進(jìn)行分析。教師教學(xué)目標(biāo)制訂要結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)也要結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)的要求。其次，教師要對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行分析。教材是教師教學(xué)的主要工具，教師對(duì)教材的理解和重難點(diǎn)的把控，關(guān)乎學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)制訂的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。最后，要對(duì)學(xué)情進(jìn)行分析。教師要充分考慮到不同層次學(xué)生認(rèn)知能力的差異和基礎(chǔ)能力的差別，要選擇合適的分層教學(xué)方法，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)習(xí)慣、認(rèn)知水平設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)。

2.探究問題的提出

探究問題的提出是探究實(shí)踐的第一步，需要教師創(chuàng)設(shè)一定的問題情境，包括以下幾種方式。（1）復(fù)習(xí)知識(shí)，創(chuàng)設(shè)問題情境。教師可以在帶領(lǐng)學(xué)生回顧舊知識(shí)的過程中，創(chuàng)設(shè)問題情境，使學(xué)生通過思考，提出探究問題。（2）利用多媒體，創(chuàng)設(shè)問題情境。多媒體可以呈現(xiàn)有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和自然現(xiàn)象，為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究創(chuàng)設(shè)問題情境。（3）通過演示實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)問題情境。教師可以通過生動(dòng)的教具展示物理現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察和思考。（4）聯(lián)系生活實(shí)際，創(chuàng)設(shè)問題情境。教師可以讓學(xué)生充分發(fā)揮自己的想象，舉生活中的例子來驗(yàn)證知識(shí)，使學(xué)生主動(dòng)聯(lián)系實(shí)際，思考問題。（5）通過物理模型，創(chuàng)設(shè)問題情境。教師可以通過物理模型將抽象的概念變成具體的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)探究。

3.基于問題的猜想與假設(shè)

基于問題的猜想與假設(shè)可以分不同的情境。（1）基于學(xué)生已有的知識(shí)，進(jìn)行猜想和假設(shè)。由教師給出一個(gè)問題，讓學(xué)生大膽地進(jìn)行猜想，盡可能地說出多種可能性。（2）設(shè)置認(rèn)知沖突，使學(xué)生進(jìn)行猜測(cè)和假設(shè)。需要教師引入與學(xué)生自身認(rèn)知矛盾的情境，使學(xué)生進(jìn)行猜測(cè)和假設(shè)。（3）創(chuàng)設(shè)物理情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想和假設(shè)。在講解平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)，教師可以通過多媒體向?qū)W生展示不同初速度的彈丸，在空中運(yùn)動(dòng)的路線，學(xué)生根據(jù)速度和路線變化之間的關(guān)系，探究影響平拋運(yùn)動(dòng)水平和垂直位移的因素。（4）通過類比法，進(jìn)行猜想和假設(shè)。通過兩個(gè)對(duì)象的相似屬性，推斷出其他可能相似的屬性。例如，當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)了重力勢(shì)能的表達(dá)式后，可以類比猜測(cè)動(dòng)能的影響因素，包括物體自身的質(zhì)量以及物體運(yùn)動(dòng)的速度。

4.探究并得出結(jié)論

探究并得出結(jié)論主要有理論探究和實(shí)踐探究?jī)蓚€(gè)部分。（1）理論探究，需要學(xué)生明確探究的原理，還要明確理論探究過程中的數(shù)學(xué)知識(shí)；此外，還要明確理論探究的環(huán)節(jié)。最后得出結(jié)論后，需要進(jìn)行分析論證，驗(yàn)證理論探究前的猜想和假設(shè)，當(dāng)結(jié)論和猜想不符合時(shí)，需要進(jìn)行重新探究。（2）實(shí)踐探究，需要明確實(shí)踐探究的原理，然后制訂詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，控制好影響因素，通過科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行探究。在實(shí)驗(yàn)探究的過程中，要記錄好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，收集相應(yīng)證據(jù)；通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的結(jié)論。同時(shí)也要注重對(duì)實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估和交流，進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)探究的方案，盡可能地避免人為的影響因素，減小科學(xué)探究的誤差。最后，小組要形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，進(jìn)行完整的總結(jié)。

5.知識(shí)的應(yīng)用

在參與科學(xué)探究的過程中，學(xué)生對(duì)物理原理、科學(xué)探究方法、科學(xué)探究過程有了清晰認(rèn)識(shí)。因此，在學(xué)習(xí)新的知識(shí)或問題時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生將掌握經(jīng)驗(yàn)、方法進(jìn)行遷移應(yīng)用，提高學(xué)生的科學(xué)思維和拓展應(yīng)用能力；使學(xué)生能夠應(yīng)用科學(xué)探究得到的結(jié)論；或者通過簡(jiǎn)單的物理模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)重難知識(shí)點(diǎn)的理解和實(shí)際問題的解決。

二、基于科學(xué)探究法的高中物理教學(xué)實(shí)踐

以向心加速度教學(xué)設(shè)計(jì)為例，對(duì)基于科學(xué)探究法的高中物理教學(xué)進(jìn)行實(shí)踐探究，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

（一）教學(xué)目標(biāo)的確定

教學(xué)目標(biāo)的確定可以分為五個(gè)方面的內(nèi)容。1.課標(biāo)的分析。課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)向心加速度的要求，使學(xué)生能夠理解速度的變化量。在勻速圓周運(yùn)動(dòng)中，速度大小不變，但是方向發(fā)生變化，并由此引出向心加速度。2.教材的分析。本節(jié)課教材對(duì)向心加速度的物理意義進(jìn)行了重點(diǎn)講解，但是由于知識(shí)較為抽象，學(xué)生對(duì)向心加速度的理解不夠清晰。因此，教師首先要指導(dǎo)學(xué)生通過理論探究推導(dǎo)公式，然后通過問題情境啟發(fā)學(xué)生思考，最后進(jìn)行鞏固練習(xí)。3.學(xué)情分析。高中生對(duì)物體受力和運(yùn)動(dòng)有了一定的了解，學(xué)習(xí)向心加速度時(shí)，首先要理解加速度的概念，但是這階段學(xué)生缺乏科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，抽象思維能力和邏輯推理能力有待發(fā)展，因此要注重理論、實(shí)踐科學(xué)探究方法的應(yīng)用。4.基于科學(xué)探究的教學(xué)目標(biāo)。向心加速度教學(xué)的目標(biāo)在于幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)向心加速度，能夠解決向心加速度相關(guān)的問題。此外，要幫助學(xué)生掌握向心加速度的物理原理，掌握科學(xué)探究的方法和過程；培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究思維以及分析解決問題的能力。5.明確教學(xué)的重難點(diǎn)。重點(diǎn)在于理解向心加速度的概念原理和公式，難點(diǎn)在于分析向心加速度方向的變化并進(jìn)行應(yīng)用。

（二）教學(xué)實(shí)施過程

1.創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

為了幫助學(xué)生更好地理解向心加速度的概念和物理原理，教師需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)相應(yīng)的情境，提出具體的問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究。此環(huán)節(jié)教師的主要活動(dòng)在于帶領(lǐng)學(xué)生回顧之前學(xué)習(xí)的內(nèi)容，即帶領(lǐng)學(xué)生回顧物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力之間的關(guān)系，回顧力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要原因[3]?；诨仡櫟闹R(shí)內(nèi)容，教師可以分析做圓周運(yùn)動(dòng)的物體必然會(huì)受到向心力，其中，最簡(jiǎn)單的圓周運(yùn)動(dòng)是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，那么勻速圓周運(yùn)動(dòng)會(huì)受到哪些力的作用？受力的方向會(huì)如何變化？在提出問題后，教師要提供現(xiàn)實(shí)的情境，可以通過多媒體向?qū)W生展示地球繞太陽做公轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，帶領(lǐng)學(xué)生分析地球會(huì)受到什么力的作用，受力的方向如何變化？再通過具體的物理模型進(jìn)行演示，可以通過細(xì)線和圓球在光滑的桌面上做圓周運(yùn)動(dòng)，分析小球的受力情況，探究合力的方向。通過實(shí)踐探究，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的方向會(huì)一直變化，進(jìn)一步可以提出加速度的大小和方向如何變化的問題。通過該部分的設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠在具體的問題情境中，把握學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并通過自我思考為科學(xué)探究和猜想假設(shè)奠定基礎(chǔ)。

2.基于問題的猜想和假設(shè)

學(xué)生已經(jīng)掌握向心加速度的基本概念和物理原理，但是影響圓周運(yùn)動(dòng)加速度大小和方向變化的影響因素，仍然需要學(xué)生基于問題進(jìn)行猜想和假設(shè)。教師的活動(dòng)在于引導(dǎo)學(xué)生探究直線運(yùn)動(dòng)加速度的大小和方向，教師可以展示加速和減速兩個(gè)狀態(tài)下加速度的大小和方向。然后通過數(shù)形結(jié)合，讓學(xué)生探究做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，在某一時(shí)間段內(nèi)，走過某一弧段距離的角度變化和速度變化。學(xué)生通過探究會(huì)發(fā)現(xiàn)，物體運(yùn)動(dòng)的速度大小未發(fā)生變化，但是速度的方向時(shí)刻發(fā)生變化。例如，物體在A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度為VA，方向圓相切，物體在B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度為VB，方向圓相切，教師可以將兩個(gè)方向的速度，通過平移構(gòu)建一個(gè)三角形，兩個(gè)長(zhǎng)邊為VA和VB，夾角為?θ，第三個(gè)邊是?V，并通過速度變化量結(jié)合加速度的公式計(jì)算勻速圓周運(yùn)動(dòng)的加速度，使學(xué)生猜測(cè)假設(shè)加速度大小與什么因素相關(guān)，方向如何變化。

3.理論探究

理論探究部分在于幫助學(xué)生推導(dǎo)向心加速度大小計(jì)算的公式。在理論探究的過程中，教師要善于引導(dǎo)學(xué)生利用VA，VB，?V構(gòu)建的三角形和?OAB的相似性，并利用極限的思想探究。當(dāng)?t非常小時(shí)，?AB距離很小，根據(jù)相似三角形原理，可以得到?V的表達(dá)式，再與?t相比，就得到了向心加速度的公式。探究出向心加速度的公式后，教師要引導(dǎo)學(xué)生去探究向心加速度的方向，通過理論探究發(fā)現(xiàn)：向心加速的方向始終指向圓心。也就是任何位置速度變化量?V在?t非常小時(shí)，方向和VA的方向垂直，并且指向圓心，因此向心加速的方向指向圓心。

4.實(shí)踐探究

實(shí)踐探究是讓學(xué)生通過科學(xué)的探究過程，真正理解和掌握知識(shí)點(diǎn)的過程。在探究向心加速度的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先，要對(duì)學(xué)生進(jìn)行小組劃分，讓學(xué)生根據(jù)科學(xué)探究的目標(biāo)制訂一份科學(xué)探究計(jì)劃，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其次，帶領(lǐng)學(xué)生共同討論，向心加速度探究實(shí)驗(yàn)所需要用到的教學(xué)用具，可以調(diào)控速度的電動(dòng)馬達(dá)，小球，細(xì)線等教具；在準(zhǔn)備好教具后，讓學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄下電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，觀察小球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；結(jié)合具體的實(shí)物，將小球在不同位置的速度，速度方向畫在圖紙上進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)的過程中，教師要有意引導(dǎo)學(xué)生通過控制電動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，改變細(xì)線的長(zhǎng)度，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，記錄下不同實(shí)驗(yàn)條件下的線速度和細(xì)線長(zhǎng)度。再次，教師要指導(dǎo)分析討論小球轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，通過數(shù)形結(jié)合的方法，探究小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度公式（這一步和理論探究相似），得到理論分析結(jié)果后，和其他小組同學(xué)進(jìn)行討論，進(jìn)行評(píng)估交流[4]。最后，學(xué)生可以利用分析的公式計(jì)算不同線速度和半徑長(zhǎng)度下的向心加速度。為了更加清晰地讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到向心加速度的方向，教師可以組織學(xué)生準(zhǔn)備滑輪鞋，兩人一組體驗(yàn)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的過程，真實(shí)體驗(yàn)向心加速度的方向時(shí)刻朝向圓心。通過科學(xué)的探究過程和有趣實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性得到了提高，學(xué)生體驗(yàn)有所增強(qiáng)，能夠逐漸掌握科學(xué)探究的方法和過程，也能夠?yàn)楹罄m(xù)的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)[5]。

5.應(yīng)用拓展

在應(yīng)用與拓展部分，教師可以舉例自行車兩個(gè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際問題，讓學(xué)生探究不同位置線速度的比值周期的比值和向心加速度的比值。通過應(yīng)用拓展問題的設(shè)計(jì)，可以讓學(xué)生對(duì)向心加速度和角速度的關(guān)系，以及向心加速度和線速度的關(guān)系，有進(jìn)一步的理解和鞏固。

結(jié)束語

科學(xué)探究法是物理課堂學(xué)習(xí)的有效教學(xué)方法，有助于鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維和分析問題，解決問題的能力。在應(yīng)用科學(xué)探究法構(gòu)建高效物理課堂時(shí)，教師要基于課標(biāo)、教材和學(xué)情確定具體的教學(xué)目標(biāo)，要把握課程教學(xué)的重難點(diǎn)，在實(shí)施的過程中要做好情境創(chuàng)設(shè)、假設(shè)理論探究、實(shí)踐探究和應(yīng)用拓展等教學(xué)環(huán)節(jié)，發(fā)揮好科學(xué)探究對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)和關(guān)鍵能力形成的作用。

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