初中科學探究點滴談

符東生

(廣州市教育局教學研究室 廣東 廣州 510080)

《全日制義務教育物理課程標準(實驗稿)》提出的課程總目標：“使學生經歷基本的科學探究過程，具有初步的科學探究能力，樂于參與和科學技術有關的社會活動具有創新意識，能獨立思考，勇于有根據地懷疑”美國的《國家科學教育標準》明確提出：“科學探究是指科學家們用來研究自然界并根據研究所獲事實證據做出解釋的各種方式.同時，它也指學生構建科學知識、形成科學觀念、領悟科學研究方法的各種活動.”這都明確指出學生要經歷科學探究過程的目的是：以“創造力”的培養為目的，以“問題解決”為學習核心，以“科學探究”為學習方式.

但科學教育領域的研究表明，學生很難在“做中學”和探究活動中理解科學本質和科學探究.廣州市新課程實施也有六年，教師總感覺不少的探究課，課堂上學生熱熱鬧鬧，但課后學生并沒有更多掌握物理知識和實驗技能，能力也提高不大.如何設計探究問題，如何引導學生進行科學探究，如何幫助學生反思他們的探究活動，使其理性思考、批判、創造、解決問題的能力得到提高，是教師不斷探索的問題.本文希望通過下述的一些案例帶出一個信息：只有當教師有先進的教學理念，才能引領學生進行有效的科學探究.

1 明確而具體的問題是有效探究的起點

以下是“探究平面鏡成像的特點” 探究實驗活動引入時三個案例.

案例1

老師：你們猜想平面鏡成像有什么特點？你們猜想像與物之間有什么關系？

學生：我猜想物和像等大.物與像的大小關系與物到鏡的距離有關.

老師：你們猜想像是正立還是倒立的？像是實像還是虛像？

學生：我猜想像是虛像，像是正立的.

老師：關于平面鏡成像你們還有什么猜想？

學生：像的大小與視角有關.有些像我們看不到.

案例2

老師：今天我們要探究平面鏡成像的特點，你們按課本要求操作，然后把觀察得到的實驗數據記錄在表1中.

表1

案例3

老師：今天我們實驗的目的是：“為了確定平面鏡所成的像所在的位置，及準確畫出像形狀.”請你們寫出為了達到這實驗目的，需要研究平面鏡所成的像哪些特點？并要說明理由.

老師：請說說你想研究的內容.

學生甲：因為我們要確定像所在的位置，而這位置好像與物、平面鏡的位置有關，所以我們要畫出平面鏡、物、像的位置.

學生乙：因為我們要準確畫出像的形狀，而根據我們平時照鏡子，我們發現像與物是相似的.所以我們要找出物與像的大小關系.還要知道其上下左右有沒有顛倒.

老師：上下左右有沒有顛倒的意思是什么?

學生乙：像對于物是正立還是倒立，像的左邊，是不是物的右邊.

學生丙：實驗目的是描出像的形狀，如果我們用白紙在平面鏡的后面承接像，再按它的樣子描下就可以知道像的形狀，白紙所在的位置就是像的位置.

探究是個體圍繞著問題或任務進行的一種探索活動.探究是解決問題的過程，確定問題的焦點所在，把問題具體化是探究的第一步.案例1中學生只是根據日常生活的經驗，沒有目的進行猜想，他們根本不知道為什么要探究像與物到平面鏡距離，為什么要比較像與物的大小.而且這種只有發散思維，沒有要求學生對發散思維得到的猜想進行理性思考，學生的猜想可能脫離“主題”.而且因為沒有明確、具體的探究問題，完成此實驗后學生的能力不會有多大的提高.案例2,學生只是按課本所列的實驗步驟重復一次學生得到的只是表層的知識.他們不清楚每一個實驗步驟目的，不明白得到實驗數據有什么關聯性，如實驗為什么要進行四次，這四次實驗物是否都放在同一位置，還是物要放在不同的位置.完成實驗后，科學探究的方法學生沒有掌握多少，學生獨立解決問題的能力并沒有得到多大的提高.案例3教師開門見山先給出一個明確而具體的探究問題，讓學生能聚焦問題的最重要的元素，考慮自己要知道、想知道、已知道的事項，這樣學生的思考、探究都會有一主方向.老師與學生一起討論可以細化其發散思考得到的一些猜想進行，學生會明確要解決的問題，而且能根據問題思考探究的步驟(如案例3中，學生提出用白紙在平面鏡后面承接像，我們通過對他提出的方案進行分析就很容易引導學生知道實驗為什么要用玻璃代替平面鏡，為什么要選用兩根相同的蠟燭做實驗).

案例3經過上述的教學活動后，師生就有以下一段對話：

學生：老師實驗器材不應用蠟燭，應選用兩個一樣的不規則物體.

老師：為什么不用蠟燭？

學生：物的形狀不能是規則的，不然無法判斷物與像是否有左右顛倒.選用正方體更不行，因為那樣就無法判斷像是正立還是倒立.

從學生與老師這段對話我們可以感受到，一個明確而具體的探究問題，對探究活動的順利進行，對培養學生科學探究能力是何其重要.

2 科學探究的設計要有利于學生發現、總結物理知識的探究“情景”

老師要設計有效的科學探究活動不僅幫助學生知道物理知識，更重要的讓學生能夠運用觀察、推理、解釋資料等科學探究的基本技能解決問題.

筆者在觀課過程就出現過以下的場面.

老師先讓學生看到試管底部有固態的碘，然后把試管放在酒精燈上加熱，當試管出現紫色的蒸氣時，老師直接給出升華的定義.

當時就有學生在下面說：“老師你把試管拿過來給我看看，可能是碘從固態變為液態，然后再變為氣態，這過程時間太短了，你在講臺上做實驗，我看不清.”

若我們的實驗作用只是引起學生的短暫的興趣，只是為了活躍氣氛，實驗現象無法讓學生用物理規律進行解釋，實驗過程沒有要求學生對觀察的現象進行分析和歸納，就直接給出概念，時間長了，學生不單沒有學會解決問題的科學方法，而且會不經思考地接收知識，養成人云我也云的習慣.其實課堂上學生的質疑是很好的.設計幫助學生建構物理知識的教學活動不僅有助于學生了解物理本質，還讓學生學會運用物理規律解決問題.在上述的案例中，我們如何讓學生知道加熱固態碘時，試管內出現的碘蒸氣，是直接從固態碘來的，而不是固態的碘先變為液態然后再變為氣態呢？

以下是有關這實驗的兩個教學設計.

設計1

用酒精燈加熱裝了碘的試管(圖1).學生看到試管上方出現碘蒸氣，然后再把另一支裝了碘的試管放到熱水中(圖2)， 學生也看到試管上方出現了碘蒸氣.老師給出以下的資料：碘的熔點是114℃，沸點是184.35℃，水的沸點是100℃，酒精燈火焰溫度約為400℃.

圖1 圖2

讓學生思考以下問題：你認為哪一個實驗更能說明碘吸熱后是直接從固態變為氣態，而不是由固態變為液態再變為氣態的呢？

根據所給的資料，學生運用學過的相關知識分析得知酒精燈直接加熱，溫度很容易超過碘的熔點、沸點.而水的沸點是100℃，因此碘在水中加熱，其溫度不會超過100℃，說明碘不會出現熔化現象；所以用熱水加熱的實驗更能說明試管中出現的碘蒸氣是直接從固態碘而來的.

設計2

若學生的基礎比較好，可以給出“碘的熔點是114℃，沸點是184.35℃，水的沸點是100℃，酒精燈火焰溫度約為400℃”的資料，讓學生設計實驗證明碘吸熱后直接從固態變為氣態，而不是由固態變為液態再變為氣態.

教師應多設計有利于學生按其邏輯思維掌握物理概念的教學活動.學生通過設計實驗或根據資料做出合理的推導等活動，不僅僅用理解替代記憶掌握物理概念，而且學會如何設計實驗解決自己心中的疑惑，更重要的是學生的物理思維能力能得到提高，學生學會了批判性思考.

3 科學探究要培養學生抽象思維能力

美國教育家杜威曾經指出，探究是“對任何一種信念或假設的知識進行積極、持續、審慎的思考”.其實除了實驗探究，還可以設計一些理論探究，以培養學生的抽象思維能力.如浮力一課，課本是希望得出阿基米德原理的表達式F浮=G排，而不是F浮=ρgV排.但這節課常看到以下的引入實驗：把一空的飲料罐放入水中，然后用力下壓，讓學生感受飲料罐所受浮力變化，并觀察水位的變化.經過此實驗，學生總是猜想物體所受浮力與所排的液體體積有關，可能與液體的密度有關，很少有學生可以猜想物體所受浮力與所排開的液體所受重力有關.

本節課可以嘗試采用理論探究.例如，“想象在一大池靜水中用薄膜把一團水包圍起來，這一團水在水里同其他部分處于平衡狀態，因此它受到周圍的水給它一個力，這個力的大小和重力一樣，只是方向朝上，周圍的液體所施加的力叫做浮力.浮力等于被包圍的水的重量，其方向向上.若薄膜外圍的水‘并不知道’薄膜里包的是什么，它可以是一個乒乓球，或一個玻璃球，無論你放進任何密度大小只要與薄膜內原來水一樣體積的物體，它都會受到大小等于同體積的液體的重力，方向永遠向上的浮力”.參考此資料引導學生理論探究得出阿基米德原理.學生經歷了理性思考和嚴謹的邏輯推理，其解決問題的能力一樣能得到提高.

4 學生應用科學概念、科學方法解決實際問題就是一種科學探究

現在課堂上的探究一般只是新授課.其實無論是那種課型，哪一個教學環節教師都可以根據需要，依問題解決的歷程設計教學活動，或在任何教學環節中運用能促進能力提高的活動.如人教版的初二教材中有一習題：將耳朵貼在長鐵管的一端，讓另外一個人敲一下鐵管的另一端，你會聽到幾個敲打的聲音？親自試一試，并說出其中的道理.

若我們只是簡單地告訴學生，因為此時有兩種傳播介質，聲音在兩種不同的介質中傳播速度不同，所以會聽到兩次響聲，學生只是簡單知道一些現象，但沒有學會應用物理知識解決問題.其實這是一個很好的探究的素材，我們可以從下述的問題引導學生進行探究.

(1)人耳怎樣才能接收到聲音？

(2)人耳分辨兩個聲音所需要的時間間隔是多少？

經過這樣的引導學生就不會簡單地認為聽到二個敲打聲.以下是一學生經過上述點撥后寫出的答案.

在這一題中,我們要考慮聲音的三方面:聲源、傳播過程、人耳.而聲源只有一個，人耳也是考慮健全的耳朵，而我們要知道兩種聲音間隔0.1 s才可分辨出兩種聲音.所以要考慮長鐵管的長度，還要考慮有多少種介質傳播聲音，最后我們把聲音的能量考慮為無限大.

(1)當長鐵管內沒有水的時候，有兩種介質傳播聲音，即空氣和鐵管，而兩者的速度分別是340 m/s和5 200 m/s.當長鐵管長于36.37 m時，鐵管傳的聲音比空氣快0.1 s以上，則能聽到兩種聲音.

(2)當長鐵管裝滿水時，則有三種介質傳播聲音， 即空氣、 水和鐵管， 傳播速度分別為340 m/s、

1 500 m/s和5 200 m/s.當長鐵管長于44 m時，水傳的聲音比空氣快0.1 s以上， 鐵管比水傳的聲音快

0.1 s以上，則能聽到三種聲音；長鐵管長于36.37 m短于44 m，則聽到兩種聲音；短于36.37 m，則只能聽到一個聲音.

探究完本習題后，可以接著讓學生閱讀本章書的“科學世界”欄目給出的資料：站在天壇圜丘天心石上說話會感覺聲音比較洪亮.此時學生很容易就能運用物理知識解釋，站在圜丘天心石說話時為什么不是聽到回聲而是感覺聲音比較洪亮的現象.

從學生答案可以知道，只要教師理解科學探究的本質，則能利用好各種素材，設計探究問題，讓學生先發散性思考，提出他們的想法和解決問題的方案及方法；隨后通過討論和分析，讓學生運用所學的知識評價他們提出的各種方案及方法.這種先發散后收斂的思維模式可以在探究的各階段循環使用，經過長時間地培養，學生解決問題的能力會得到提高的.

上述的案例不一定可以在其他課堂重復，但它們可以引起我們的思考.我們是要掌握前人留下的物理知識，但在學習前人留下的知識時更重要學會像前人一樣會思考，卻不是簡單地重復前人思維過程.所以教師引導學生進行科學探究時，要在思考的關鍵點做好示范和引導.只有這樣，不斷地讓學生運用所學的知識探究和解決問題，學生才會習慣用科學的方法進行探討和論證，養成科學思考的習慣，學會應用所學的物理知識解決問題，學生的理性思考、獨立解決問題的能力、創造力才能得到較大的提高.