把握科學(xué)探究要素 提升發(fā)展核心素養(yǎng)

王聿奎

摘 要：科學(xué)探究的各要素之間緊密聯(lián)系、相輔相成.探究時(shí)要從對(duì)要素的理解和把握中培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)和反思意識(shí)，同時(shí)優(yōu)化學(xué)生思維品質(zhì)，使學(xué)生能夠感悟探究的本質(zhì)，增強(qiáng)探究意識(shí)，提升探究能力.

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；探究意識(shí)；核心素養(yǎng)

科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分.科學(xué)探究的要素包括：提出科學(xué)問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋、對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力.在科學(xué)探究的實(shí)際實(shí)施中，不是將以上要素機(jī)械的包括進(jìn)來，而是要依據(jù)課程設(shè)置和探究目標(biāo)的需求，[1]通過其中的某幾個(gè)要素來提升學(xué)生的探究意識(shí)和能力，使學(xué)生在科學(xué)探究中不斷完善學(xué)習(xí)策略，增強(qiáng)學(xué)習(xí)能力，從而促進(jìn)發(fā)展核心素養(yǎng)的提升.

筆者以《對(duì)輪胎上“一點(diǎn)”運(yùn)動(dòng)軌跡的研究》為例，談?wù)勅绾卧诳茖W(xué)探究中落實(shí)探究要素，培養(yǎng)探究意識(shí).

一、形成猜想與假設(shè)

（一）從觀察中提出問題，確定研究方向

有些汽車輪胎氣嘴處安裝的胎壓監(jiān)測(cè)裝置行車時(shí)會(huì)發(fā)光，這些光點(diǎn)會(huì)隨汽車的行駛顯示美麗的光弧；自行車輪胎上安裝的輪胎燈夜晚騎行時(shí)也會(huì)展現(xiàn)出絢麗的光帶.對(duì)于觀察到的現(xiàn)象，學(xué)生提出以下問題：①輪胎上的光點(diǎn)在行進(jìn)過程中參與了哪些運(yùn)動(dòng)？②行進(jìn)中這些光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如何？③這個(gè)軌跡與哪些因素有關(guān)，如行進(jìn)速度、輪胎大小、是否打滑、加速減速等.基于以上問題，學(xué)生確定了探究目標(biāo)：探究行進(jìn)中輪胎上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡.由于實(shí)際運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，學(xué)生結(jié)合探究目標(biāo)對(duì)所研究問題進(jìn)行了提煉和簡(jiǎn)化：自行車沿平直路面勻速前進(jìn)且不打滑，探究輪胎上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并確定影響運(yùn)動(dòng)軌跡的因素.

（二）基于已有知識(shí)形成猜想和假設(shè)

如果輪胎只在地面打滑，則光點(diǎn)將隨著輪胎一起做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；如果輪胎不轉(zhuǎn)動(dòng)而只在路面上滑動(dòng)，則光點(diǎn)將做勻速直線運(yùn)動(dòng)，因此光點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中同時(shí)參與了勻速圓周運(yùn)動(dòng)和勻速直線運(yùn)動(dòng)，光點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)應(yīng)該是以上兩種運(yùn)動(dòng)的合成.但是其運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀究竟如何，受哪些因素影響？學(xué)生有以下的幾種典型猜想：①由于分運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性，其軌跡是由向上凸起的圓弧構(gòu)成的；②光點(diǎn)在地面上的投影與半徑構(gòu)成三角函數(shù)關(guān)系，其軌跡應(yīng)該是正弦或者余弦曲線；③在兩種運(yùn)動(dòng)合成的條件下，軌跡是被拉長(zhǎng)的圓弧，而且軌跡可能會(huì)有相交重合的情況；④軌跡的形狀與輪胎的半徑和運(yùn)行速度有關(guān).

（三）在觀察現(xiàn)象中誘發(fā)學(xué)生的問題意識(shí)

科學(xué)探究中問題意識(shí)的培養(yǎng)離不開對(duì)現(xiàn)象的興趣和對(duì)觀察的思考，其中探究要素起到助推和引領(lǐng)的作用，它使學(xué)生對(duì)現(xiàn)象的思考逐步走向深入，新問題也就應(yīng)運(yùn)而生.

從對(duì)感興趣事物的觀察中發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而能提出問題；學(xué)生需要對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)象利用物理思維進(jìn)行提煉和簡(jiǎn)化，這是學(xué)生對(duì)探究問題進(jìn)行初步思考和分析的過程；在形成猜想和假設(shè)階段，學(xué)生從運(yùn)動(dòng)合成角度進(jìn)行分析，這是形成新問題和繼續(xù)深入探究的知識(shí)前提，幾種典型猜想就是基于對(duì)運(yùn)動(dòng)的分析，在新舊知識(shí)的沖突中產(chǎn)生新問題.其流程可表示為：觀察現(xiàn)象——誘發(fā)問題——提煉簡(jiǎn)化——分析思考——提出新問題（猜想假設(shè)）.

二、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，獲取和處理信息

（一）依據(jù)猜想假設(shè)合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1：用相機(jī)或手機(jī)在晚上直接對(duì)光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)拍攝照片和視頻，然后對(duì)照片和視頻進(jìn)行分析.拍攝的照片由于快門和曝光原因模糊不清，拍攝的視頻由于背景很暗而難以達(dá)到需要的效果，而且控制變量特別是控制速度有一定難度.

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2：在實(shí)驗(yàn)室對(duì)觀察的現(xiàn)象進(jìn)行模擬，設(shè)計(jì)為可操作的物理實(shí)驗(yàn)，不僅可以有效利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材，而且更容易進(jìn)行變量控制.

所需器材有不同半徑的150mm長(zhǎng)PVC圓管（外徑取[?]=50mm、110mm、160mm三種）、記號(hào)筆、PVC走線槽板（長(zhǎng)1500mm，寬200mm）、鐵架臺(tái)（帶鐵夾）、雙面膠、手機(jī)、透明玻璃紙.

實(shí)驗(yàn)步驟：①將PVC走線槽板一端用鐵夾固定，離固定端大約600mm處用雙面膠將其固定在水平桌面上，構(gòu)成斜面；②在不同圓管上標(biāo)記記號(hào)點(diǎn)和直徑標(biāo)記點(diǎn)；③將同一圓管（[?]=160mm）從不同高度自由釋放，用手機(jī)拍攝其運(yùn)動(dòng)的視頻；④將不同半徑圓管從同一圓心高度自由釋放，同樣拍攝其視頻；⑤將拍攝的視頻利用利用暴風(fēng)影音的逐幀播放功能，通過描點(diǎn)得到不同情況下記號(hào)點(diǎn)的軌跡（圖1）.

（二）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)所得軌跡進(jìn)行分析：①記號(hào)點(diǎn)軌跡為一段弧線，但不是圓?。虎谟浱?hào)點(diǎn)軌跡具有周期性，而且周期可以記為圖中A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的時(shí)間間隔；③相同半徑不同速度的記號(hào)點(diǎn)軌跡相同，即記號(hào)點(diǎn)軌跡的形狀與速度無關(guān)；④不同半徑相同速度的記號(hào)點(diǎn)軌跡，其周期和振幅（水平面到最高點(diǎn)高度）不同，說明記號(hào)點(diǎn)的軌跡形狀與圓管半徑有關(guān).

（三）在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

本探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)既是思維上的創(chuàng)新過程，也是操作上的創(chuàng)造過程.進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)實(shí)際現(xiàn)象進(jìn)行模擬并能選取合適方法和器材，在實(shí)驗(yàn)室中完成實(shí)驗(yàn)并獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整個(gè)過程都體現(xiàn)著學(xué)生思維上的創(chuàng)新和操作上的創(chuàng)造；后期對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理方法，是受打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出紙帶的啟發(fā)進(jìn)行的改進(jìn)，相對(duì)于拍攝成照片進(jìn)行合成處理，操作簡(jiǎn)便易行，效果直觀明顯.在這個(gè)階段，實(shí)驗(yàn)?zāi)M和器材選用、有效控制相關(guān)變量（速度、半徑）和對(duì)實(shí)驗(yàn)視頻進(jìn)行處理是學(xué)生創(chuàng)新思維的亮點(diǎn).

三、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出合理解釋

（一）從理論的角度進(jìn)行分析論證

標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是什么樣的曲線？這個(gè)曲線是否遵循什么規(guī)律？這些從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中都無法直接得出，因此要指導(dǎo)學(xué)生從理論上進(jìn)行分析論證.從運(yùn)動(dòng)合成與分解的角度，對(duì)標(biāo)記點(diǎn)軌跡規(guī)律的探討進(jìn)行模型構(gòu)建，將物理問題建構(gòu)為數(shù)學(xué)模型：半徑為r的圓周上有一點(diǎn)P，隨著圓周一起向前無摩擦滾動(dòng)前進(jìn)，且前進(jìn)的速度恒為v，求P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡方程.

以P為原點(diǎn)建立圖2所示直角坐標(biāo)系.

設(shè)圓心O經(jīng)過t時(shí)間運(yùn)動(dòng)到O1點(diǎn)，此時(shí)P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P1點(diǎn)，且設(shè)P1點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y）.

t時(shí)間內(nèi)P點(diǎn)純轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過的圓心角為[θ=vtr]，因此，P1點(diǎn)橫坐標(biāo)[x=vt-rsinvtr]，縱坐標(biāo)[y=r-rcosvtr]，故P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的參數(shù)方程為：[x=vt-rsinvtr]；[y=r-rcosvtr] .

學(xué)生對(duì)于這個(gè)參數(shù)方程所代表的軌跡，難以在大腦中形成直觀的形象，而且由這兩個(gè)關(guān)系式消去參數(shù)t得到P點(diǎn)的軌跡方程，在數(shù)學(xué)處理上也超出了學(xué)生的知識(shí)范圍，因此可以借助相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件（本例借助于幾何畫板軟件）描繪出P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，直觀形象地展示理論推導(dǎo)的結(jié)果，并且在軟件描繪點(diǎn)跡過程中可以改變相關(guān)參數(shù).

由表格可以看出，軌跡的形狀與速度無關(guān)，只與半徑有關(guān)，理論分析的結(jié)論與實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)果完全一致.圖4為同我校攝影專業(yè)的教師一起拍攝的輪胎上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡的照片.

（二）從分析論證中優(yōu)化學(xué)生的思維品質(zhì)

思維品質(zhì)是學(xué)生在進(jìn)行思維活動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出來的穩(wěn)定的心理特征和傾向，本探究中的數(shù)學(xué)推理論證，是抓住實(shí)際問題的本質(zhì)特性，既有助于學(xué)生掌握科學(xué)的研究方法，也有助于學(xué)生思維品質(zhì)的提高.分析論證中學(xué)生產(chǎn)生的問題，教師應(yīng)逐層析疑、縱深釋疑、耐心答疑，調(diào)動(dòng)和保持學(xué)生思維的積極性；同時(shí)要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的分析、綜合、判斷、推理以及比較、類比、歸納、演繹等多種邏輯思維方法，逐步提升學(xué)生的思維品質(zhì).[2]在此過程中，要防止出現(xiàn)思維的主觀性、片面性和無序性，同時(shí)要把握知識(shí)與思維的密切關(guān)系，知識(shí)結(jié)構(gòu)越完整，思維依據(jù)就越充分，思維過程也越完整，思維效果也就越好.

四、對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力

（一）對(duì)探究結(jié)果進(jìn)行交流探討

學(xué)生就實(shí)驗(yàn)得到的曲線查閱了大量資料，知道該曲線叫做滾輪線，然后就人們對(duì)滾輪線認(rèn)識(shí)歷程中的一些問題，結(jié)合科學(xué)探究過程進(jìn)行交流和討論.很久以前人們就開始注意到了滾輪線.惠更斯將其對(duì)滾輪線的研究成果寫進(jìn)他在1673年發(fā)表的《鐘表的振動(dòng)》一書中.滾輪線與物理學(xué)之間的聯(lián)系并不限于等時(shí)擺，瑞士數(shù)學(xué)家約翰·伯努利在1696年的《教師月報(bào)》上提出了當(dāng)時(shí)被稱為“最速降線”的問題，伽利略在1630年和1638年就研究過這個(gè)問題，并給出了“圓弧曲線”的結(jié)論（這個(gè)結(jié)論并不正確）.牛頓、萊布尼茨和雅克布·伯努利等在1697年《教師月報(bào)》上都發(fā)表了相關(guān)的研究成果.在雅克布·伯努利具有普遍意義的解釋的基礎(chǔ)上誕生了一門新的數(shù)學(xué)分之——變分法.

（二）對(duì)探究結(jié)果進(jìn)行遷移應(yīng)用

在高中物理課程中，也經(jīng)常有滾輪線的身影.下題是常見的題型：

如圖5所示，水平放置的兩個(gè)正對(duì)帶電金屬板MN、PQ間存在相互垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng).在a點(diǎn)由靜止釋放一質(zhì)量為m，電荷量為+q的微粒，微粒將沿曲線acb運(yùn)動(dòng)，到達(dá)b點(diǎn)時(shí)速度為零，所用時(shí)間為t，c點(diǎn)是曲線上離MN板最遠(yuǎn)的點(diǎn).已知重力加速度為g，不計(jì)微粒所受空氣阻力.則下列說法中正確的是（ ）

A.a、b兩點(diǎn)在同一水平線上

B.微粒到達(dá)b點(diǎn)后將沿bca的路徑返回

C.從b點(diǎn)開始到下一次速度為零的時(shí)間將小于t

D.微粒在c點(diǎn)的電勢(shì)能最低

該微粒的軌跡為向下的滾輪線，由滾輪線的特點(diǎn)可以很快得出：ab兩點(diǎn)等高，微粒達(dá)到b點(diǎn)后將繼續(xù)向右做周期性運(yùn)動(dòng)，因此B、C選項(xiàng)錯(cuò)誤，由a到c電場(chǎng)力做正功，電勢(shì)能減少，所以c點(diǎn)電勢(shì)能最低，故正確選項(xiàng)為AD.高考題中對(duì)滾輪線也屢有涉及，如福建2013年理科綜合試題（物理部分）第22題，江蘇省2008年物理試題第14題等.

（三）在評(píng)估交流中培養(yǎng)學(xué)生的反思意識(shí)

評(píng)估和反思是學(xué)生自我提升的最佳途徑，意味著學(xué)生在科學(xué)探究中的自我修正和強(qiáng)化、主動(dòng)應(yīng)對(duì)和自我調(diào)整，讓學(xué)生從舊有模式和固定思維中跳出來，從而實(shí)現(xiàn)自我教育與發(fā)展.在本探究中，假設(shè)猜想是否合理、探究數(shù)據(jù)是否合理準(zhǔn)確、結(jié)論能否與實(shí)際現(xiàn)象符合等，這些都需要學(xué)生具有一定的評(píng)估能力.評(píng)估也是對(duì)實(shí)驗(yàn)探究的反思過程，波斯納認(rèn)為，“沒有反思的經(jīng)驗(yàn)是狹隘的經(jīng)驗(yàn)，至多只能形成膚淺的知識(shí)”.培養(yǎng)良好的反思意識(shí)，養(yǎng)成良好的反思習(xí)慣，提升反思的能力和水平，可以使學(xué)生不斷地完善和優(yōu)化自我學(xué)習(xí)的策略，促進(jìn)發(fā)展核心素養(yǎng)的提升.[3]

總之，在實(shí)際探究過程中，探究的各個(gè)要素之間并沒有非此即彼的明確界限，某個(gè)要素可以促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行多方面的能力提升，某種能力可以在多個(gè)要素中進(jìn)行體現(xiàn)，究其目的，就是為了更好地幫助學(xué)生領(lǐng)悟探究本質(zhì)，增強(qiáng)探究意識(shí)，提升探究能力.

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐衛(wèi)華.高中物理教學(xué)中科學(xué)探究要素的發(fā)掘與滲透[J].物理教師，2017（10）：12-14.

[2]王慧君.科學(xué)探究的本質(zhì)特征[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（11）：81-84.

[3]田慧生.落實(shí)立德樹人根本任務(wù)全面深化課程教學(xué)改革[J].課程·教材·教法，2015（1）：3-8.