有效探究情境的創(chuàng)設策略

朱喜香 王鐘緹 文 偉

(懷化學院機械與光電物理學院,湖南 懷化 418008)

·初中園地·

有效探究情境的創(chuàng)設策略

朱喜香 王鐘緹 文 偉

(懷化學院機械與光電物理學院,湖南 懷化 418008)

組織有效的課堂探究活動,真正改善學生的課堂學習環(huán)境和學習方式,是一線教師在新課程改革中面臨的一個巨大的難題和挑戰(zhàn)．教師在理解探究活動的本質(zhì)特點,熟悉探究活動的過程及其可能實現(xiàn)的功能的基礎上,充分利用教材提供的探究實驗,挖掘其中的探究題材,掌握創(chuàng)設有效探究問題情境的技巧,是有效變革課堂教、學模式,培養(yǎng)學生科學思維方式和科學探究能力的重要策略．

有效探究;問題情境;技巧

提高學生的科學素養(yǎng)是物理課程改革的核心．讓學生積極主動地參與學習過程,通過特定的問題情境,發(fā)現(xiàn)問題、提出猜想、形成假設、設計驗證假設方案、動手實驗、驗證假設,在以具體知識為平臺的探究過程中,形成以實驗為基礎的理性思維方法和探究能力,培養(yǎng)事實求是、求真務實的科學態(tài)度和質(zhì)疑、求索的科學精神,并形成科學的行為習慣,是物理教學的終極目標．

新教材增加了一系列的探究實驗和小實驗,希望能增加學生在課堂上動手操作的時間,以此來改變學生的學習．但教師們反映,在教學的過程中,這些實驗大多并不具有可探究性,通常只是把原來的驗證型實驗改名叫探究實驗而已．有的看起來像是探究的實驗,讓學生在課堂上探究起來,探究效果也并不理想．究其原因在于:探究活動的本質(zhì)就是要體現(xiàn)學生的自主意識,就是要讓學生的思維活躍起來、能夠動起手來,尤其是探究活動中的一些關鍵環(huán)節(jié),如猜想、假設和設計方案等,如果都是照書本上現(xiàn)成的步驟或教師提供的方法,而不是學生自己一步一步地去嘗試、去探究、去完成,學生就體驗不到發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的樂趣,積極性調(diào)動不起來,課堂自然也就無法活躍起來．教師要想學生在課堂上進行真正的探究,就必須突破已有的課題和現(xiàn)成的實驗方案的束縛,創(chuàng)設引起學生探究動機、欲望和興趣的問題情境,激發(fā)學生猜想、假設和驗證假設的熱情,從而有效地設計、引導和實施探究活動．

1 問題情境要聯(lián)系學生的經(jīng)驗和前概念,能激發(fā)學生提出有效的猜想

有效(科學)的猜想是指人們根據(jù)已知的事實材料和科學知識,對未知的事實及其規(guī)律性提出的一種推測性的看法．通?？梢酝ㄟ^直覺、靈感、想象和抽象等方法提出猜想.[1]有效的猜想為問題的探究提供可能的方向,是解決問題的前提條件,也是學生思維活動必不可少的一個重要環(huán)節(jié)．

探究實驗與驗證實驗的區(qū)別在于,驗證實驗結果是已知的,實驗儀器和實驗方案是現(xiàn)成的,學生只要按部就班地去做就可以了．而探究實驗結果是未知的或不確定的,而實驗儀器和實驗方案,都需要學生動腦動手去解決的,因此,對學生來說,更具有挑戰(zhàn)性,更能激發(fā)學生的學習欲望和興趣．而學生基于自己的生活經(jīng)驗、根據(jù)已有的知識、類比相似的情境做出的猜想都是有效的猜想．因此,教師創(chuàng)設一個學生很熟悉的情境,讓學生從已知開始,提出猜想,開始探究未知之旅．

大氣壓強對于初二學生來說,已不是一個陌生的名詞,但對于大氣壓形成的原因、大氣壓強的大小卻缺乏準確的理解,因此,教師創(chuàng)設圍繞學生原始概念的情境,讓學生進行猜想,驗證或否定猜想,在理解大氣壓確實存在的基礎上,再測量大氣壓強的大小,符合中學生的認知特點,有助于學生理解大氣壓強．

首先,教師拿出裝水的水盆,用玻璃杯裝水給大家看,并提出問題:大家知道,玻璃杯可以裝水,但如果杯底是用紙做的,還能裝水嗎?

圖1

接下來,教師做用紙片做杯底裝水的實驗1(如圖1).雖然有的學生聽說過,但真的見過這種現(xiàn)象的學生還是少數(shù)．所以,學生的注意力一下子就被紙能托起一杯水的現(xiàn)象吸引住了,教師提出問題:“大家都想一想,為什么紙也能裝水呢?”學生很快就會提出各種猜想:有的說是水把紙粘住了、有的說水有表面張力把紙吸住了、有的說是大氣壓……

為了防止學生們胡亂猜測,教師要求他們必須說出各自猜想的理由,只要他們的解釋有一定的合理性,猜想就是有效的,教師就不能夠否定．例如，粘住的理由:紙不會掉下來是由于水有粘性,例如在玻璃上抹一層水,可以把紙貼上去(類比)．水有張力的理由:我們知道試管里的水會呈一個凹面,現(xiàn)在紙也是凹進去的,應該是水的表面張力(知識遷移)．大氣壓的理由:由于水很重,紙不會給水一個那么大的力,一定是別的作用力通過紙傳遞給水的,而紙接觸的只有空氣,所以就是空氣給的大氣壓(抽象思維、創(chuàng)新思維)．

“如果杯子里的水不裝滿的話,紙還能夠把水托住嗎?”有的說能夠、有的說不能夠．同樣的,教師要求他們說出理由．例如，可以托住的理由:因為如果水的粘力能讓紙托住一杯水的話,也能夠托住半杯水(推理)； 不可以托住的理由:如果進了空氣的話,漏氣就會托不住(經(jīng)驗)，像這樣的理由也是有效的.

圖2

教師做用紙裝水的實驗2(如圖2).對于猜想是由于水有粘力或表面張力的學生,這個實驗,對他們不會形成沖擊,因為只要有水就有力,有力就可以吸住或粘住．而猜想是大氣壓的學生,則有可能否定自己原來的猜想,因為里面也有空氣,也有大氣壓,里面和外面都有大氣壓強的話,水怎么能托住的呢．

圖3

教師繼續(xù)做實驗3(如圖3).教師把整個裝置放入水中,手握杯子,紙片掉下來,但杯子里的水還是比外面的水面要高．這時候,水沒有了他們想象具有膠水一樣粘性的作用,那些猜想是由于水的粘力和表面張力學生,就不得不放棄自己的猜想．而大部分的學生都認為是大氣壓強的原因,杯子里的水面高出外面的水平面,是由于外面的大氣壓強大于杯子里面的大氣壓,因此,也可以解釋實驗2的現(xiàn)象．

當學生們都認為他們已經(jīng)找到了問題的答案時,教師又提出新的問題:“現(xiàn)在大家都認為是杯子里氣壓比外面的氣壓低,可剛才教師只是用紙片蓋住杯子把水倒過來,僅僅是倒過來,怎么會讓杯子里空氣的壓強減小呢？”這樣問題就越來越接近大氣壓強產(chǎn)生的原因:整個大氣層由于受到重力作用而產(chǎn)生的對處于其中的物體產(chǎn)生壓力的作用．與液體的壓強類似．

有的學生猜想是有部分空氣跑到水里去了，有的猜想是少量的水填滿了紙和杯子口的空間，有的猜想是毛細現(xiàn)象，有的猜想是杯子里的空氣被水隔成一個獨立的空間……如何證實或驗證你們的猜想呢?接下來,大家去查找相關的知識,也可以設計實驗方案,來檢驗你們的假設．

2 問題情境要突出物理現(xiàn)象的本質(zhì)特征,有利于學生形成科學的假設

科學的假設與猜想相同點是指在觀察和實驗的基礎上,根據(jù)已有的事實和理論,提出關于未知事實的假定性說明.猜想主要是針對問題的成因,假設主要是針對問題解決的方式、可能呈現(xiàn)的實驗結果及問題的答案．如果說猜想是為問題的解決尋找可能的方向,假設就要提供可能實施的解決方案,假設更接近問題解決的核心．因此,問題情境一定要突出物理概念或物理規(guī)律的關鍵要素或本質(zhì)特征,能讓學生圍繞主要因素而形成有效假設．

串、并聯(lián)電路的特點是初中物理電學部分的重點和難點,是初中物理人教版教材中兩個重要的探究實驗．但由于缺少有效的問題情境,缺少必要的猜想和假設,缺少驗證假設的設計實驗方案環(huán)節(jié),無論是教師的演示實驗,還是學生的探究實驗,其實質(zhì)都只是驗證串、并聯(lián)電路的特點而已,并不具有真正的探究功能．如何讓學生利用已有的電流、電壓、電阻和歐姆定律的知識,形成科學的假設,設計驗證假設的方案,更能讓學生發(fā)揮能動性,也更能接近和理解電路問題的本質(zhì)．

圖4

教師可以選擇同樣的兩個規(guī)格的小燈泡L1和L2,組裝成簡單的串聯(lián)電路,如圖4所示．閉合開關后,學生們發(fā)現(xiàn)L1比L2明顯要亮很多．這時,教師可以要求學生在猜想的基礎上,提出具體的假設:如L1的電流比L2要大、L1的電壓比L2高、 L1的電阻比L2大,除了這些學生還可能提出, L1的功率比L2大、L1消耗的電能比L2多等等……由于這些假設都可以由學生們設計相應的方案進行驗證．接下來,教師將學生分組,分配各組不同的假設驗證任務.最后,由小組提交實驗結果進行論證．與直接去測量電路中的電流、兩個燈泡的電壓相比,這樣的問題情境和假設,更能激發(fā)學生的思維,也更接近學生的認知方式．

同樣的,教師把兩個燈泡連接成并聯(lián)電路,也會發(fā)現(xiàn)L1和L2的亮度不一樣,學生們就一樣的需要提出假設和驗證假設,這兩個實驗因此就有了探究的過程,讓學生們自己動腦動手解決問題,實現(xiàn)真正的探究．

3 問題情境要有層次,能夠引導和啟發(fā)學生由易到難逐漸形成探究方案

有研究表明,我國理科生的科學探究能力較差,而現(xiàn)行的物理教學方式也無助于學生科學探究能力的獲得．[2]科學探究能力是學習者在科學探究過程中逐步形成和發(fā)展起來的,是對探究活動進程及方式起穩(wěn)定調(diào)節(jié)作用的個性心理特征．[3]而學生形成有效地探究方案是整個探究活動的核心,需要學生抓住問題的主要矛盾和特點,形成假設,并能將假設通過實驗加以驗證,對大多數(shù)被動學習的學生來說,都具有較大的困難．但教師如果能夠創(chuàng)設有層次的問題情境,引導學生逐層深入,由易到難,引導和啟發(fā)學生透過事物和現(xiàn)象,抓住影響事物及規(guī)律的主要矛盾和主要因素,形成具有可行性的探究方案．

平拋運動是中學物理里一個重要的運動模型,是教學的重點,也是學生學習的難點．學生難以理解質(zhì)點水平方向的運動和豎直方向的運動同時、又獨立地進行.如果通過實驗探究,把平拋運動的這種特點簡單明了地展示出來,從現(xiàn)象中理解運動的合成與分解,困難也就迎刃而解,還有助于分析解決更復雜的力學綜合問題．

圖5

第1個層次:觀察現(xiàn)象,歸納總結．教師第1次水平輕拋出一小節(jié)粉筆,讓學生觀察,并讓學生回答他們觀察到了什么?大家都知道,這是一條拋物線．教師撿起粉筆,第2次手放在同樣的高度、相同的方向,水平稍用力再拋出,讓學生觀察,并讓學生回答他們觀察到了什么?大家都會發(fā)現(xiàn),教師用力較大,粉筆拋得更遠了．于是,教師鼓勵學生形成假設:用力越大,粉筆會拋得更遠．然后再拋第3次來驗證大家的假設是對的，如圖5所示．而且通過繼續(xù)提問:“為什么用力越大的粉筆會被拋得越遠呢?”讓學生小組討論,形成初步的結論:用力越大的粉筆速度更大,能夠運動得更遠．

第2個層次:抽象思維,形成假設．在學生們的精力集中起來,思維也慢慢活躍起來的時候,教師就拋出一個需要他們發(fā)揮想象、形成假設、想辦法去驗證假設的問題:“剛才的實驗,有誰注意3種情況下,粉筆在空間運動的時間了嗎”.由于大家的注意力都集中觀察粉筆運動的遠近,及拋物線的形狀等,幾乎沒人注意時間．“發(fā)揮你們的想象,哪種情況下粉筆在空中運動的時間最長?”有人說,第3次走得最遠時間最長,也有人說第3次路程最大但速度也是最大的,因此,時間是一樣的．

第3個層次:用現(xiàn)成的實驗,驗證假設．“你們想如何來驗證你們的假設呢?”有人提出在教師實驗的基礎上,一個學生拋粉筆,另一個學生測量粉筆在空中運動的時間,比較3次的時間,就可以驗證假設．接下來,教師讓學生分組實驗．很快大家會發(fā)現(xiàn)時間基本上相同,但由于在拋粉筆的時候存在很多不穩(wěn)定的因素:拋粉筆的高度不精確、方向很難控制在水平方向或同一方向、落地的時間不精確．

第4個層次:改進實驗,形成精確的探究方案．如何把實驗改進,讓實驗結果更精確呢?通過實驗、討論、改進、再實驗,最終形成一個理想的方案,讓小鋼球從斜面槽上,不同高度釋放,可以確保水平拋出且是同一方向.為了準確測量落地時間,學生還想出一個辦法,在地面上放一塊鐵塊,以便更清楚地聽到鋼球落地的聲音.為了消除測量者的誤差,可以幾個學生同時按秒表,可以取平均值,也可以取幾個學生測量相差不大的一次實驗結果作為測量值．

圖6

第5個層次:實驗拓展,突出現(xiàn)象的本質(zhì)特征．在大家實驗得出落地時間相同的基礎上,教師可以引導學生重點關注,3次實驗具有不同的初速度,不同的水平方向位移,卻具有相同的高度,即豎直方向具有相同的位移.為了突出這一本質(zhì)特征,教師可以提問:“你們能利用兩塊橡皮,設計一個實驗,讓它們同時做自由落體運動和平拋運動嗎”,引導學生設計如圖6所示的實驗:拿兩塊大小不同的橡皮,小橡皮塊疊放在大橡皮塊的上面,輕輕地放在桌子的邊沿,注意讓小橡皮的位置一定要懸空,用鋼尺用力敲擊下面的大橡皮塊,下面的大橡皮塊會做平拋運動,上面的小橡皮塊會做自由落體,觀察兩塊橡皮同時落地的現(xiàn)象．如圖7所示．

圖7

第6個層次:圍繞實驗的關鍵特征進行討論,形成結論．最后組織學生們討論:“為什么從同一高度拋出的鋼球,在空中運動的時間會相等呢”,“為什么,兩塊同時運動的橡皮塊,會同時落地呢”.讓各組學生展開討論,并提交每一組討論的結果,同時,也就將學生們的探究學習推向一個高潮．這樣的一個過程,不僅讓學生經(jīng)歷了一個完整的探究過程,而且設計圍繞:兩個運動的同時性、獨立性、可疊加性,抓住了現(xiàn)象的本質(zhì)特征,簡單明了．

教師創(chuàng)設有效的問題情境,能夠讓學生提出猜想,形成假設、形成驗證假設的實驗方案、改進和拓展實驗、小組討論、交流實驗結果,得出結論．每一個環(huán)節(jié),學生們都有問題可想,有事可做,且樂在其中．只有這樣,教師才能在課堂教學中,有效實現(xiàn)知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀的教學目標．

1 李奇云.關于中學生猜想與假設思維活動的初步研究.[D].廣西師范大學，2005：4.

2 張軍鵬.理科學生探究能力現(xiàn)狀的調(diào)查與思考[J].課程·教材·教法，2003(11)：43-46.

3 姚蕾等.關于高一學生化學探究能力的調(diào)查及思考[J].化學教育，2004(7)：45-48.

2017-04-12)