學習科學方法 體驗探究過程 掌握物理結論

摘要：作者在進行高中物理（粵教版）共同必修模塊的教學過程中，對“科學探究及物理實驗能力要求”進行了思考與實踐。文章通過大量的實例說明了“研究教材，用好教材，使‘科學探究及物理實驗能力要求’落到實處”的具體做法，并提出了自己的思考。

關鍵詞：高中物理；教學；物理實驗；科學探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)10(S)-0029-3

《普通高中物理課程標準(實驗)》(以下簡稱《標準》)對物理課程的諸方面都做了清晰的定位。在內容標準部分，《標準》把“科學探究及物理實驗能力要求”和“必修模塊”、“選修模塊”并列，而且明確指出了高中學生應該在科學探究和物理實驗中達到的要求。這不但確定了高中物理課程中科學探究、物理實驗的重要地位，而且對高中物理教學也指出了明確的方向。以《標準》為依據編寫的粵教版高中物理教科書，就是為了對高中物理課程總目標的達成所進行的具體實踐。本文是作者在粵教版高中物理共同必修模塊的教學中，對“科學探究及物理實驗能力要求”進行的思考與實踐。 

1 學習《基礎教育課程改革綱要(試行)》和《標準》，強化科學探究理念

以前的教學由教學大綱規范。然而，沿用了幾十年的教學大綱現在逐漸悄然隱退了，取而代之的是國家課程標準。教學大綱的重點是對教學工作做出規定，主要表現的是基本的教學目標、內容、要求及若干教學建議，使教師更加關注知識點，關注學習的效果。與教學大綱相比，課程標準最顯著的變化是課程目標發生了根本改變，使課程的功能由過去單純強調知識和技能轉向同時關注學生學習的過程和方法，情感、態度與價值觀。

眾所周知，科學探究和物理實驗始終是物理教學的重要內容。教師在教學中發現，粵教版教科書很有特色：將實驗做為貫穿在整個教學過程中創造物理情景、探索物理規律的主要手段，由過去教材中的獨立設置部份，轉變為新教科書中的有機嵌入部份，將實驗與理論融為一體，使實驗的過程即為學習探索的過程。除幾節專門的完

整探究課外，好幾節教科書的內容中都有《實驗與探究》的設置，讓學生可以隨堂動手實驗，手腦并重，實施起來效果很好。這種做法，盡量考慮從學生的角度提出探究的課題，保證了實驗探究的可行性。此外，該教材所涉及探究的內容滲透在各章節中，并將完整探究與簡單探究在形式上統一了起來，保證了學生形成探究的習慣和興趣的有效性。

科學探究和物理實驗是物理學的研究方法，也是高中學生重要的學習方式之一。學生在物理課程和現實生活的情境中，通過提出問題、猜想與假設、制定計劃或設計實驗、進行實驗和收集證據、分析和論證、評估、交流與合作等探究性活動，獲得了知識、技能、方法。科學探究關注的目標是讓學生經歷探究過程、獲得理智和情感體驗、積累科學知識和方法等，是一種能將三維目標有機融合的很好的學習方式。與傳統的接受性學習和訓練性學習相比較，探究性學習具有更強的問題性、實踐性和開放性。學生在科學探究過程中，既學習了科學知識，又可以學到各種技能。同時，學生在學習時通過過程和方法的有機結合，還學習了科學的方法，培養了科學的精神和科學的態度。

通過對《標準》的領悟，我們認識到了科學探究及物理實驗不僅是一個教學內容，也是一種研究方法，還是一種學習方式，更是一種理念、一種精神。

2 研究教材，用好教材，使對科學探究及物理實驗能力的要求落到實處

一個完整的探究過程，從提出問題到得出結論，要在一節課完成不容易，有時要兩節課才行。這就要求教師在指導學生開展探究活動時，要根據教學內容、學生的知識背景、訓練目標和思維的深度來靈活調控，重點應放在要訓練的主要目標和探究的問題上。在進行難度較大的探究活動時，采用由淺及深、逐步深入的方式，使探究具有層次性。具體而言，教科書中的《實驗與探究》內容可以簡單處理，而對于《探究外力做功與物體動能變化的關系》等內容時就需要注重探究要素，力求過程完整。

探究學習強調學生的自主性，但并不忽視教師的引導作用。在實際教學中存在的現象是，教師對學生了解不夠，對科學探究的環節研究不夠，對探究性實驗的細節雕琢不夠，教師為實驗而實驗，學生只是看熱鬧或者玩玩而已。

如，必修1第二章第一節《探究自由落體運動》的教學，曾見到這樣的課堂：1．老師讓同學撕兩張大小不等的紙，然后將其揉成團，接著從同一高度釋放，學生發現重的先落地。2．老師問原因，學生說是阻力。3.老師用牛頓管演示，說明學生猜測正確。

實際上，這個現象的研究有很多細節可雕琢：1．發現問題：老師讓同學撕兩張大小不等的紙并揉成團，然后從同一高度釋放，學生發現重的先落地。2．分析問題：影響物體下落快慢的原因可能有哪些？在學生回答、辯論的基礎上，老師引導學生將原因分類：外部原因和內部原因(物體自身的原因，如重量、形狀、體積等）。3．研究問題(體現變量控制的思想)：同重量的物體，下落快慢與體積(形狀)有關，學生自行實驗，然后讓學生分析原因，猜測導致該現象的原因是空氣阻力引起。4．實驗探究(突出實驗地位)：用實驗驗證(牛頓管法)，演示抽去少量空氣到抽去大量空氣時物體下落的快慢，發現同樣重量物體下落快慢與形狀(體積)無關，確認是空氣阻力引起的。5．解決問題：演示不同質量的物體在牛頓管中的下落過程并得出結論。6．驗證結論：1971年，阿波羅飛船登上無大氣的月球后，宇航員斯科特所做的羽毛和重錘從同一高度同時釋放的實驗。

這是學生在學習高中物理后遇到的第一個科學探究實驗，也許學生情況的不同會使探究的過程有所差異，但只要我們以良好的物理教學素養和科學探究理念啟發、引導學生積極參與、有意培養、強化科學思維，就能使《標準》的要求落到實處。

又如，必修1第四章《力和運動》中，從對F、m、a之間關系的探究到牛頓第二定律的確立，教科書用了3節的版面。如果按傳統的思路，按部就班就很難施教，甚至會陷入以前教材上的那個實驗到底做不做、考不考的苦惱之中。實際上，對《標準》和教科書加以研究后，這些問題就會迎刃而解。《標準》對實驗方案并沒有具體界定，只要能達到探究目的且對中學生可行的實驗過程都可以。教科書的安排為：第二節定性探究，第三節定量探究，第四節利用高科技設備進行精確探究，直至引出最后的結果。可見，教材不但為教師對其的使用留出了很大的空間，而且針對不同的實驗手段以及對數據的處理也采用了不同的方法，特別是利用數據采集器(位移傳感器)輔助實驗，不僅提高了實驗精度，更重要的是讓學生感受到了新技術對基礎實驗的影響，開拓了學生思維的空間。在具體教學中，老師完全可以根據學生的情況和實驗設施來選取(設計)一種可行的最佳方案進行探究，進而將其它方案的要素(特色)通過一些措施逐漸貫穿到探究活動中，讓學生領會掌握。如，我們在教學中安排學生采用的是“利用氣墊導軌和數字計時器”探究F、m、a之間的關系(教科書第三節)。“利用氣墊導軌和數據采集器”的方案，由于受到設備的限制，只能在演示的基礎上讓學生理解其原理，學習數據的處理。“利用斜面、小車、沙袋和打點計時器”探究的方案，則可以在以單元考試題的方式呈現：

某同學在學習了本章內容后，提出了另一種在保持物體質量m不變的條件下，研究物體加速度與合外力之間關系的實驗方案：在一塊水平放置的平整木板上放一個小木塊，對小木塊施加不同的水平外力F，使小木塊獲得不同的加速度a，通過記錄數據、處理數據確定出a與F間的關系。他在經過一系列步驟后，得到小車的加速度a和水平拉力F的數據如下表1所示。

請你根據以上數據繼續以下工作：

1．根據表1中數據，在圖示坐標（圖1）上做出圖線。

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2．根據所做出的圖線，發現實驗中存在的主要問題是。

3．針對存在的問題你對他的實驗方案的修改建議。

4．根據表中數據及所做出的圖線，可推出小車的質量為kg左右。

研究教材，還要求教師必須對具體的科學探究及物理實驗的要素進行系統研究，然后根據具體的教學環境系統地、有計劃地在課堂中進行落實。完成一節一節孤立的實驗，不是《標準》的要求，也會使物理課程失去應有的光澤。如，中學物理實驗中許多地方利用了物體的重力，為什么?因為物體的重力是中學實驗中最好用的恒力。有了這個意識，恒力作用下物體運動的研究，學生自然會想到利用重力進行自由落體運動的研究；F一定時，物體的a、m關系的研究；外力做功和物體動能變化關系的研究；機械能守恒定律的驗證等。又如，“利用圖象處理數據、根據圖象得出結論”是重要的物理方法，教科書明確寫出的有：用s-t圖象研究勻速直線運動的速度；用m一定時，物體的a-F圖象確定a、F間的關系；用F一定時物體的a-1/m圖象確定a、m間的關系。教學中可以根據實際選用的有：將落體法得到的紙帶數據，用s-t圖象研究，得出自由落體運動的規律；將落體法得到的紙帶數據，用v-t圖象研究，得出自由落體運動的規律；用F-x圖處理“探究形變與彈力的關系”的數據，得出結論；用落體法驗證機械能守恒實驗中，繪出物體下落過程中多點的1/2mv²-mgh圖象，得出結論等。

3 進行科學探究和物理實驗更有利于掌握物理知識

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科學探究和物理實驗要占用較多的教學時間，如果我們以傳統的思維來對待，好像會影響物理概念的理解、結論的掌握、規律的應用。其實不然，《標準》對科學探究和物理實驗的重視，其實是還原了物理課程的本來面目。

在胡克定律的學習中，學生對形變量x的理解較易出錯，但是通過實驗數據的采集、作圖、分析，就會大大減少這種錯誤；在摩擦力的教學中，靜摩擦力是一個難點，但通過對靜摩擦力和滑動摩擦力的決定因素探究，就可突破這個難點。牛頓運動定律、平拋運動規律、動能定理、機械能守恒定律這些高中物理共同必修模塊的重點，在新教材中展示了科學探究的全過程。科學探究過程的展現和讓學生親歷探究過程，改變著學生的學習方式。學生在學習中的主動發展，對物理課程的熱情和興趣的增強，更有利于物理知識的掌握，物理方法的獲得，物理態度的形成。

(欄目編輯鄧 磊)