探究性科學學習環(huán)境——一種科學過程的物理學習方法

周小燕，黃 樺

（湛江師范學院 物理科學與技術(shù)學院，廣東 湛江 524048）

1 引言

在物理教學中，通常上物理教師使用實驗有兩種情況，一是為了說明一個物理概念或者是為了解釋一個物理原理.二是在課堂上驗證物理定律，例如指導學生做實驗驗證牛頓第二定律.在這兩種情況下，教師通常有很多口頭說明或者書面指導.有研究表明，這樣使用實驗在幫助學生理解物理概念或者是發(fā)展學生實驗技能方面的效果不是很好.因為這種情況下學生只是接受相互脫節(jié)的科學的知識，而不去試圖了解物理是如何構(gòu)建一個“事實”的[1].任何一種學習都必須在一定的環(huán)境下進行，探究性學習也是如此.探究科學學習環(huán)境反映了建構(gòu)主義的學習觀，強調(diào)學習者主動基于自己與世界相互作用的獨特經(jīng)驗去建構(gòu)自己的知識，通過自主探究經(jīng)歷科學探究過程，理解科學探究思維[2].現(xiàn)在科學教育界在在科學發(fā)展歷史的角度上，提出科學教育要讓學生像科學家一樣思維.物理教學應該提供這樣的一種探究性的學習環(huán)境，一種科學過程的學習方法.讓學生在這個環(huán)境中去了解科學家是如何思維，讓學生去經(jīng)歷科學家的思維過程，探究性地學習物理[3].

2 探究性科學學習環(huán)境

本論文介紹了由美國羅格斯大學的Alan Van Heuvelen和Eugenia Etkina開發(fā)的一種探究性科學學習環(huán)境（Investigativ e Scienc e learning Environment簡稱ISLE）中科學過程的科學學習方法以及它的理念.經(jīng)過在中學、大學、教師培訓等課堂的實踐表明，這種學生自主建構(gòu)和學習物理的科學過程學習方法達到了很好的教學效果[4].

ISLE認為學生在物理實驗過程中參與學習和科學家建構(gòu)、應用知識的過程是相似的，是一種互動式且能體現(xiàn)科學家思維過程的教學方法.這種方法主要有兩個特點，一個特點是注重學生物理前概念，涉及到學生學習觀念的變化.另外一個特點是鼓勵學生以不同的方式展現(xiàn)物理過程，并幫助他們作出科學性推論和解決問題陳述.ISLE是由三種不同的實驗來展現(xiàn)探究性科學學習過程.這三種實驗分別是：觀察性實驗、驗證性實驗和應用性實驗[5,6].在每個單元的開始，學生通過觀察性實驗，觀察實驗現(xiàn)象，收集數(shù)據(jù)，分析實驗數(shù)據(jù)中的模型，用假設(shè)、演繹、推理來建構(gòu)可能的科學概念.接著在驗證性實驗階段，學生用他們構(gòu)建的概念來預測新實驗的結(jié)果，并完成實驗.如果實驗結(jié)果和預期的結(jié)果不符合，就修正他們的解釋.最后，在應用性實驗階段，他們用這些修正后的科學解釋去解決實際問題.

3 探究性科學學習過程

下面結(jié)合圓周運動這一具體例子來講述ISLE中探究性科學學習的過程.

在探究性科學學習環(huán)境中，要求教師要對學生知識情況要有一個調(diào)查了解.例如教師要知道學生在學習圓周運動之前，已經(jīng)學習了線性運動學、動力學、受力分析圖.在圓周運動這一單元的一開始，有三個觀察性實驗.實驗1是一個人用錘子敲擊一個大球讓它滾動，同時以某固定點為圓點，使得大球做圓周運動.實驗2是一個人用木棒打擊一個小球讓它滾動，以自己為圓心，使得小球做圓周運動.實驗3是一個溜冰者兩腳平行滑行，不管她身體怎么傾斜都無法做圓周運動.接著讓另一個人站住不動用繩子拉著她，她就可以做圓周運動.還有當她不斷地用一只腳往外用力輕輕滑動，也可以使得她做圓周運動.這三個觀察性實驗可以教師可以在課堂中現(xiàn)場演示，這三個實驗比較容易演示同時現(xiàn)象非常直觀.同時也是直接采用ISLE中的實驗視頻.在觀察性實驗中要求學生做一些思考和猜想如：觀察前兩個實驗中的人是如何敲擊球？敲擊球的力方向是怎么樣的？溜冰者怎么一開始做不了圓周運動？當她拉著繩子做圓周運動時，繩子的作用是什么？當她沒有繩子時想做圓周運動時她需要做一些什么？在每個實驗中，與做圓周運動物體相互作用的物體是什么？繪制圓周物體在這些實驗中的受力分析圖？當一個物體做圓周運動時它的速度有變化嗎？它作用力的方向是如何？要求學生對這些問題的思考寫在報告中并在課堂中和同學們交流.

在這個過程中，學生很直觀地感受一個物體做圓周運動需要有一個力的作用，同時很直觀地感受到物體做圓周運動速度的變化情況.根據(jù)以上的觀察和思考，學生尋找這些物理現(xiàn)象中的模型，這時學生可以提出假定性規(guī)律，這些規(guī)律可以是：一個物體以恒定的速度做圓周運動的時候，合力方向是水平并且總是指向圓心（猜想1）.物體做圓周運動，合外力的方向是沿著圓心向外（猜想2）.物體做圓周運動，合外力沿著運動的方向（猜想3）.

根據(jù)物理學家的思維過程，在提出猜想后，必須尋找證據(jù)來驗證猜想.同樣，在探究性科學學習環(huán)境中，學生也要對自己的猜想進行驗證.這個驗證的過程要求學生設(shè)計實驗來驗證，也可以根據(jù)教師提供的驗證性實驗來尋找證據(jù).在圓周運動這個單元中的有幾個驗證性實驗，這里簡單介紹兩個.實驗1，一個大的金屬環(huán)，一個小球，給小球一個力，讓它在環(huán)中滾動.讓學生根據(jù)前面提出的猜想預測小球運動的軌跡.實驗2，一個大的金屬環(huán)，一個小球，給小球一個力，讓它在環(huán)中滾動.然后將金屬環(huán)的一小部分拿開，讓學生根據(jù)自己猜想，預測小球的運動的軌跡.學生通過小球的受力圖，可以知道圓環(huán)對小球有一個作用力，且這個力的方向是指向圓心的.首先是預測小球在金屬環(huán)中的運動軌跡，根據(jù)猜想1，如果球開始運動，那么在圓環(huán)中應該是做圓周運動.根據(jù)猜想3，那么球不應該做圓周運動，因為沿著圓環(huán)沒有力的作用.他們通過自己演示實驗并觀察現(xiàn)象，小球在金屬環(huán)中是沿是做圓周運動的，那么就可以將猜想3可以推翻.接下來預測如果金屬環(huán)的一部分被拿開會有什么現(xiàn)象發(fā)生？當學生使用猜想1，他們認為如果環(huán)的一部分被拿開那么將沒有合外力作用在小球上，所以根據(jù)牛頓第一定律，小球?qū)鲋本€運動.如果他們使用猜想2，那么球?qū)w到外面去.這樣通過檢驗性實驗的現(xiàn)象，可以很直觀地看到小球是沿著切線的方向飛出來的.猜想2也被推翻，就這樣可以的到一個修正后的解釋那就是物體以恒定速度做圓周運動的合外力方向是沿著圓心向外的.

探究科學學習環(huán)境還有一個重要的探究科學學習過程，就是將所獲得的科學規(guī)律、概念應用于實際生活中.因而，學生必須在熟悉一個特定的概念之后設(shè)計、操作這類實驗，或者把幾個概念聯(lián)合起來解決實際問題.ISLE鼓勵學生用多種陳述去推理，鼓勵學生提出多種設(shè)計實驗方案，然后根據(jù)所選儀器選擇最好的實驗方案.在圓周運動這個單元中主要是提供幾個實驗情景，要求學生運用所學到的科學去解決提到的問題.下面簡單介紹兩個應用性實驗.實驗1有一個彈簧，被固定.下面用繩子吊著一個小球，當下面的小球做單擺運動時，彈簧的讀數(shù)會發(fā)生變化.在演示實驗之前，要求學生思考當小球做單擺運動時，彈簧上的讀數(shù)是怎么變化的？實驗2兩個滑輪固定在一個桿子上，懸掛在支架上.兩個重物分別系在一根繩子的兩端.將系著重物的繩子放在滑輪上，平衡后讓一個重物擺動，這時擺動的重物慢慢下降，另外一個重物慢慢上升.在演示實驗之前，要求學生思考當其中一個重物做單擺運動時，另外一個重物會有什么樣的變化？這連個應用性實驗的要求，對學生來說有點難度，這要比學生之前遇到的情況要復雜一些，因為運動的速度發(fā)生了改變.一般來說，對于實驗1來講，學生會覺得小球靜止時和擺動時，彈簧讀數(shù)不會有什么變化.對于實驗2來說，學生會覺得另外一個重物不會有什么變化.實際上，在小球擺動的過程中，彈簧的讀書變大了，另外一個重物會被往上移動.這是因為物體靜止時，拉力等于重力，物體在擺動時，由于有個指向圓心向心力，繩子拉力大于重力.這個實驗現(xiàn)象是違反學生直覺的預測，因此給學生的認知帶來很大的沖擊，加深了學生圓周運動這個物理模型的理解[7,8,9].

在科學探究性學習環(huán)境中，除了以上介紹的三種實驗，還有另一個重要的方面就是科學家們經(jīng)常使用的一種策略——引導學生用多種陳述去推理.這個過程開始于觀察實驗，他們學會用各種各樣的方法描繪物理現(xiàn)象，學生學會描繪實驗圖，在表格上記錄數(shù)據(jù)，接著繪制圖表和尋找模型.學會將一種表述轉(zhuǎn)化另外一種，幫助他們在現(xiàn)象和假設(shè)的解釋中確定模型.使用具體的陳述來幫助他們建構(gòu)精確的物理數(shù)學模型，他們使用數(shù)學描述來做關(guān)于檢驗實驗的預測.在概念建構(gòu)和檢驗之后，學生定性和定量作出關(guān)于物理過程的推論[10].例如圓周運動這一單元中使用具體的圖表法來幫助學生獲得關(guān)于在平面中做加速運動的定性理解.還使用一種速度減法推理來尋找一個做圓周運動物體的加速度，幫助學生進一步相信理解圓周運動的加速度.

4 小結(jié)

探究科學學習環(huán)境中的學習思維過程是學生通過選擇性的現(xiàn)象和描述觀察，收集數(shù)據(jù)并分析，并從中尋找物理模型.使用歸納、類比、演繹等不同的推理方法做出科學解釋.并對物理模型通過檢驗性實驗做出預測，根據(jù)檢驗性實驗對理論和解釋做出修正.將修正后的解釋和規(guī)律應用于生活中的現(xiàn)象.在這種科學學習過程中，鍛煉了學生觀察能力、信息搜集和整理能力、實驗數(shù)據(jù)處理能力、實驗設(shè)計能力、分享交流能力等.特別是從已有數(shù)據(jù)中提出猜想，對猜想進行預測，設(shè)計實驗找證據(jù)來支持自己觀點，將修正后解釋在新的情景中預測等這些科學探究的能力在物理教學中是特別重要的.

〔1〕E.Etkina and A.Van Heuvelen,Investigative Science Learning Environment -A Science Process Approach to Learning Physics.[J]n Research Based Reform of University Physics,E.F.Redish and P.Cooney,(Eds.)2007.

〔2〕龍文靜.探究性學習環(huán)境的設(shè)計及其在科學概念學習中的應用[D].上海：華東師范大學，2004.

〔3〕何美.基于模型的科學學習及其學習環(huán)境設(shè)計[D].上海：華東師范大學，2009.

〔4〕E.Etkina and A.Van Heuvelen,Investigative Science Learning Environment -A Science Process Approach to Learning Physics.[J]n Research Based Reform of University Physics,E.F.Redish and P.Cooney,(Eds.)2007.

〔5〕http://www.islephysics.net/.

〔6〕E.Etkina,A.Van Heuvelen,S.W hite-Brahm ia,D.T.Brookes,M.Gentile,S.Murthy,D.Rosengrant,and A.Warren,Scientific abilities and their assessment,[J].Phys.Rev.ST Phys.Educ.Re s.2006.

〔7〕E.Etkina and A.Van Heuvelen,Investigative Science Learning Environment:us-ing the processes of science and cognitive strategies to learn physics,[J].in Proceedings of the 2001 Physics Education Research Conference.2001.

〔8〕E.Etkina and A.Van Heuvelen,Investigative Science Learning Environment -A Science Process Approach to Learning Physics.[J]n Research Based Reform of University Physics,E.F.Redish and P.Cooney,(Eds.)2007.

〔9〕A.Van Heuvelen and E.Etkina,The Physics Active Learning Guide,Pearson Ad-dison Wesley,[J].San Francisco,CA,2006.

〔10〕Anna Karelina and Eugenia Etkina，Acting like a physicist:Student approach study to experimental design,[J]The American Physical Society，2007.