關(guān)于“科學(xué)探究”中幾個(gè)要素的處理

徐成華

（上海市育才中學(xué)，上海 201801）

探究性學(xué)習(xí)是一種學(xué)習(xí)方式，它能夠有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，而且還有利于提高學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣.在近幾年的教改實(shí)踐中，我們以科學(xué)探究為物理課堂教學(xué)的突破口，通過探究式教學(xué)的實(shí)施，取得了較好的教學(xué)效果.本文介紹在課堂教學(xué)實(shí)踐的過程中，對(duì)“提出問題、作出假設(shè)、制定計(jì)劃、使用工具和搜集證據(jù)、處理數(shù)據(jù)和解釋問題、表達(dá)與交流”等要素所做的一些處理方法.

1 元問題理念下的“問題的提出”

愛因斯坦說過，發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更重要.發(fā)現(xiàn)并形成探究問題是實(shí)施探究的第一步.為了培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)，提高提出問題的能力，我們提出了“元問題”的理念，所謂“元問題”是指，在學(xué)生已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)提出的能提高學(xué)生的求知欲并在學(xué)生積極地思考后發(fā)現(xiàn)和提出問題的問題，簡而言之，元問題即為能引起問題的問題.由于教學(xué)過程中需要解決的問題是由學(xué)生自己經(jīng)過思考、分析后發(fā)現(xiàn)并提出的，所以也必將提高學(xué)生解決實(shí)際問題的興趣與動(dòng)力，從而提高物理課堂教學(xué)的有效性.

例如，在“電場”的教學(xué)過程中，我們不是直接介紹電場強(qiáng)度、電勢(shì)能等概念以及電勢(shì)能的變化及其與電場力做功的關(guān)系等，而是先回顧重力、重新解讀重力加速度的物理意義，重溫重力勢(shì)能以及重力勢(shì)能變化與重力做功的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上教師提出元問題：電場與重力場都屬于場的范疇，它們應(yīng)該具有場的共同特點(diǎn)，遵守場的共同規(guī)律，那么，在研究電場時(shí)我們需要研究和解決哪些問題呢？在此元問題引導(dǎo)下，學(xué)生通過分析、討論，提出了在電場中需要研究的問題有：電場力、電場強(qiáng)度、電勢(shì)能等，雖然學(xué)生沒有系統(tǒng)的提出“電場”一章中所要研究的所有問題，但能將熟悉的重力場知識(shí)與其研究方法遷移到“電場”的學(xué)習(xí)之中，從筆者設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)目標(biāo)來看，已經(jīng)是成功了.

2 思維引領(lǐng)下的“猜想與假設(shè)”

探究式教學(xué)就是要讓學(xué)生經(jīng)歷與科學(xué)家相似的研究過程，培養(yǎng)學(xué)生大膽地質(zhì)疑并進(jìn)行猜想假設(shè)的精神.科學(xué)的猜想應(yīng)該是建立在學(xué)生已有的日常生活中的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)以前所學(xué)知識(shí)的深刻理解基礎(chǔ)上的，而非毫無思辨過程的信口開河.在物理教學(xué)過程中，應(yīng)該規(guī)范學(xué)生的猜想，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的猜想.通常認(rèn)為，能夠講出理由的猜想或假設(shè)都認(rèn)為是科學(xué)的猜想或假設(shè).

例如，在高中物理“勻加速直線運(yùn)動(dòng)位移公式”的教學(xué)中，考慮到學(xué)生在學(xué)習(xí)此知識(shí)點(diǎn)之前，已具有了一定的研究物體運(yùn)動(dòng)的知識(shí)、方法和能力，所以我們采用了探究式的教學(xué)方式.在“猜想與假設(shè)”的環(huán)節(jié)中，學(xué)生們首先得到這樣一個(gè)共識(shí)：通過現(xiàn)有的公式是不能推導(dǎo)出勻加速直線運(yùn)動(dòng)位移公式的，只能借助于其他工具.那么用什么可以表示勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移呢？教師讓學(xué)生猜測(cè)，學(xué)生很快就想到了v-t圖像，并猜想該圖線與橫軸所圍的面積就表示物體運(yùn)動(dòng)的位移.當(dāng)然，不同的學(xué)生有不同的理由：因?yàn)関-t圖像圖線與橫軸所圍的面積的單位與位移的單位相同；因?yàn)樵趧蛩僦本€運(yùn)動(dòng)中，v-t圖像圖線與橫軸所圍的面積是表示位移的；因?yàn)閳D像是表示物理規(guī)律的一種形式等等.我們認(rèn)為，凡是能夠講出理由的猜想都是值得肯定的.

3 全面且科學(xué)地“收集證據(jù)”

在學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生們只關(guān)心自己小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，甚至教師也只是孤立地分析各個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而常常忽略對(duì)各個(gè)小組數(shù)據(jù)全面的、相關(guān)聯(lián)的分析.有時(shí)對(duì)不同條件下的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析，可以讓學(xué)生對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)論更可信、更科學(xué).

例如，在“力的合成”的教學(xué)中，很多教師通常的做法是：先讓學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生得出兩個(gè)分力和一個(gè)合力的大小和方向后，再比較以兩個(gè)分力為邊作出的平行四邊形的對(duì)角線F′和合力的圖示F，最后得出在誤差范圍內(nèi)，合力和分力的關(guān)系滿足平行四邊形法則的結(jié)論.

其實(shí)，僅僅從學(xué)生自己一組的實(shí)驗(yàn)就得出這樣的結(jié)論，是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模踩狈茖W(xué)性.我們的做法是，對(duì)全班18組學(xué)生從實(shí)驗(yàn)得到的F和F′關(guān)系，分別進(jìn)行大小和方向上的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1、表2所示.

表1

表2

在表1中，F(xiàn)的大小與F′的大小統(tǒng)計(jì)：“大于”的有7組，“等于”的有4組，“小于”的有7組；在表2中，F(xiàn)的方向與F′的方向統(tǒng)計(jì)：偏左的有7組，相同的有3組，偏右的有8組.

根據(jù)誤差分析理論可知，在對(duì)全班學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、比較和分析基礎(chǔ)上，再得出力的合成遵循平行四邊形法則的結(jié)論具有更高的可信度.通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的全面收集與共享，可使我們探究的結(jié)論更為科學(xué).

4 信息技術(shù)輔助下的“分析論證”

將信息技術(shù)運(yùn)用于“科學(xué)探究”中，可以使我們的結(jié)論更加嚴(yán)謹(jǐn).目前，將傳感器和計(jì)算機(jī)等先進(jìn)的技術(shù)手段運(yùn)用于物理實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)是一種普遍現(xiàn)象.在“牛頓第三定律”的教學(xué)中，就可以將DIS系統(tǒng)用于探究作用力和反作用力的關(guān)系，通過兩個(gè)力傳感器對(duì)拉，得出兩個(gè)力隨時(shí)間變化的一幅對(duì)稱的圖形，學(xué)生通常從對(duì)稱的圖形中，就可以得出作用力和反作用力大小相等的結(jié)論，但僅僅從計(jì)算機(jī)屏幕上的觀看，就說圖形是對(duì)稱的，筆者認(rèn)為，還是不妥的，至少是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?

上課時(shí)，我們先將通過DIS得出的實(shí)驗(yàn)圖像復(fù)制成兩幅，然后借助于Photoshop將兩幅圖像中的一幅旋轉(zhuǎn)180°，再放于一起進(jìn)行比較.這時(shí)學(xué)生可以非常清晰地看到，兩條力與時(shí)間的圖線是完全重合的.

通過上述處理，學(xué)生不僅獲得了如何判斷對(duì)稱圖線的一種方法，而且從中可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到分析數(shù)據(jù)應(yīng)注意嚴(yán)謹(jǐn)性.

5 讓學(xué)生充分的“表達(dá)與交流”

交流、討論的時(shí)機(jī)要選擇確當(dāng).不要一遇到問題就讓學(xué)生進(jìn)行討論.有時(shí)“轟轟烈烈、暢所欲言”的場面往往會(huì)掩蓋“無深度、無內(nèi)涵”的淺層次的思維活動(dòng).或者，“潛意識(shí)”的東西剛要暴露，就被“正確的”觀點(diǎn)壓下了，表面上，學(xué)生懂了，實(shí)質(zhì)上模糊或錯(cuò)誤的“前概念”卻得不到糾正.所以，為了不讓學(xué)生的思路跟著他人走，給學(xué)生一個(gè)深層次的思維撞擊，有時(shí)要推遲交流討論的時(shí)機(jī).

例如，在“布朗運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)過程中，我們將少量顏料溶于水中，讓學(xué)生用滴管取少量有顏料的液滴放于載玻片上，然后通過數(shù)碼顯微鏡觀察現(xiàn)象.對(duì)于觀察到的現(xiàn)象的處理，筆者的做法是，先讓學(xué)生將觀察到的現(xiàn)象寫出來，然后請(qǐng)課代表將學(xué)生的想法收集起來后再一一公布出來，學(xué)生描述觀察到的現(xiàn)象大致有如下幾點(diǎn)：分子在振動(dòng)、微粒在運(yùn)動(dòng)、黑點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)，分子在運(yùn)動(dòng)、顆粒在運(yùn)動(dòng)、微粒在抖動(dòng)等.課代表公布一個(gè)現(xiàn)象，學(xué)生分析、點(diǎn)評(píng)一個(gè)現(xiàn)象，最后學(xué)生不僅知道了哪些現(xiàn)象是合理的，哪些現(xiàn)象是不合理的，知道了如何觀察以及如何用物理學(xué)的語言來描述現(xiàn)象，并且對(duì)自己錯(cuò)誤的想法也有了深層次的反思與糾正的機(jī)會(huì).

6 重視對(duì)結(jié)論的“反思與評(píng)估”

在探究結(jié)論的獲得中，現(xiàn)在教師有一種傾向，就是一定要讓學(xué)生總結(jié)出同課本中一樣的科學(xué)結(jié)論，否則，一定要引導(dǎo)和啟發(fā)甚至于親自包辦.這樣做的后果就是，在學(xué)生的心目中，一個(gè)物理規(guī)律的獲得也太容易了，從而形成了一種浮躁的，不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度.

以高一物理“作用力和反作用力 牛頓第三定律”的教學(xué)為例，我們的學(xué)生僅僅通過兩個(gè)彈簧秤相互對(duì)拉一次，看一看兩彈簧秤的示數(shù)，或者通過兩個(gè)力傳感器對(duì)拉，看一看兩力與時(shí)間的圖像關(guān)系，就得出了“作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在兩個(gè)物體上”的結(jié)論，然后就認(rèn)為，這就是牛頓第三定律了.在實(shí)際的教學(xué)中，筆者在學(xué)生總結(jié)出他們的結(jié)論后，讓他們將自己的結(jié)論與牛頓第三定律的內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)的比較，找出兩種結(jié)論表述的不同之處：牛頓第三定律的內(nèi)容比我們得到的結(jié)論多了“總是”、“作用在一條直線上”，少了“作用在兩個(gè)物體上”.在此基礎(chǔ)上，再引導(dǎo)學(xué)生分析兩種結(jié)論差異的原因.原來，“總是”，就是普遍性，指出的是對(duì)任何性質(zhì)的力，在任何時(shí)候、任何情況下都成立，說明了牛頓做了大量的實(shí)驗(yàn)，反映了他科學(xué)的精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度.“一條直線”是對(duì)方向相反的補(bǔ)充說明，可以看出，牛頓的研究更細(xì)致、更深刻；沒有“作用在兩個(gè)物體上”一句，是因?yàn)樽饔昧头醋饔昧Ρ旧砭褪轻槍?duì)兩個(gè)物體而言的，所以可以省略，同時(shí)還可以使規(guī)律的表述更加簡潔.

通過比較、評(píng)價(jià)、反思，學(xué)生知道了牛頓研究的“嚴(yán)謹(jǐn)性”和“深刻性”，知道了我們的探究只是體驗(yàn)科學(xué)家研究的一段經(jīng)歷，僅僅還是一種學(xué)習(xí)的方式.科學(xué)家深層次的思想，我們還需要進(jìn)一步挖掘.從而通過探究對(duì)學(xué)生進(jìn)行了一次科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度的教育，較好地完成情感、態(tài)度和價(jià)值觀教學(xué)目標(biāo)的真正達(dá)成.

通過近多年以“科學(xué)探究”為抓手的物理課堂教學(xué)改革的研究，不僅有效地提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，還很好地促進(jìn)了教師自身的專業(yè)成長.我們將不斷實(shí)踐，不斷總結(jié)，努力為物理課堂教學(xué)的改革做出更大的努力.