學術(shù)研討式學習方式的構(gòu)建與實施
——“基于創(chuàng)新素養(yǎng)培育創(chuàng)新學習方式的探索”子課題研究總結(jié)

黃國龍

(鎮(zhèn)海中學　浙江 寧波　315200)

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學術(shù)研討式學習方式的構(gòu)建與實施
——“基于創(chuàng)新素養(yǎng)培育創(chuàng)新學習方式的探索”子課題研究總結(jié)

黃國龍

(鎮(zhèn)海中學浙江 寧波315200)

本文是子課題“基于創(chuàng)新素養(yǎng)培育創(chuàng)新學習方式的探索”研究概要總結(jié)．首先，揭示現(xiàn)行中學物理創(chuàng)新教育中存在問題，提出基于拔尖創(chuàng)新人才培育的學術(shù)研討式學習方式的重要性；其次，根據(jù)學術(shù)研討的一般性結(jié)合中學物理教學實際，構(gòu)建學術(shù)研討式學習方式；最后，結(jié)合具體物理競賽教學實例，運用學術(shù)研討式學習方式實施創(chuàng)新學習的實踐探索．

物理教學創(chuàng)新教育創(chuàng)新學習方式學術(shù)研討式

1　學術(shù)研討式學習方式的提出

探索實施基于拔尖創(chuàng)新人才培育的創(chuàng)新學習方式，對于構(gòu)建創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)途徑和策略具有十分重要的意義．然而，我們發(fā)現(xiàn)當今中學物理創(chuàng)新教育大多集中在物理競賽教學，且存在如下問題.

注重物理競賽中具體問題解答，缺乏學術(shù)層面深度研究．物理競賽教學中教師注重對學生進行大量高難度具體問題的訓(xùn)練，而缺乏創(chuàng)新人才需要的創(chuàng)新性、批判性、深刻性的學術(shù)性探究，導(dǎo)致學生物理學術(shù)研究意識淡薄，科學探究動機不強，缺乏學術(shù)研究能力，不利于培養(yǎng)高素質(zhì)拔尖創(chuàng)新人才．

注重創(chuàng)新教學方式研究與實踐，缺乏創(chuàng)新學習方式的探索．當今中學物理創(chuàng)新教育注重從教的角度實施創(chuàng)新教學，以教師引導(dǎo)為主，以科學家或教師的創(chuàng)新代替學生的創(chuàng)新，缺乏從學生學的角度實施創(chuàng)新學習，這對于培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才而言是遠遠不夠的．因而，需要探索適合拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的學習方式．

注重問題解答角度評價學生的創(chuàng)新成果，缺乏開放性學術(shù)展示角度評價創(chuàng)新成果．傳統(tǒng)中學物理創(chuàng)新教學對學生創(chuàng)新成果的評價往往注重對具體問題的解答上(例如，對具體問題解答的是否成功、是否正確、是否創(chuàng)新、是否深刻等)，缺乏從學術(shù)論文、科技創(chuàng)新制作成果等角度來評價學生的創(chuàng)新成果．這種創(chuàng)新成果的評價比較狹窄，不能從更高的角度激發(fā)和培養(yǎng)學生探究物理的內(nèi)在創(chuàng)新動機．因而需要從開放性、學術(shù)性、創(chuàng)新性的角度來評價學生的創(chuàng)新成果．

物理競賽中創(chuàng)新教學不僅需要教學方式和學習內(nèi)容的變革，更需要學習主體獲取知識和方法的學習方式的變革，特別要探索拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的創(chuàng)新學習方式；不僅要求學生解答具體物理競賽疑難問題，而且需要引導(dǎo)學生開展類科學研究的學術(shù)研討活動．課題組正視創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重大背景，針對當今中學物理創(chuàng)新教育中存在問題，嘗試探索新型的基于拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的學習方式，提出“學術(shù)研討式學習方式構(gòu)建與實施”的研究子課題．

2　學術(shù)研討式學習方式的構(gòu)建

2.1學術(shù)研討式學習方式含義及操作流程

學術(shù)研討式學習方式的操作流程如圖1所示．這種學習方式是根據(jù)學術(shù)研討的一般流程結(jié)合中學物理教學實際，學生根據(jù)學習中問題情景，提出學術(shù)探究問題，檢索以多種方式提供的研討材料進行自主探究，教師根據(jù)學生自主探究情況組織學生進行階段性協(xié)作交流，在交流匯報中揭示探究中存在的問題，進行深化探究．最后展示和發(fā)表學術(shù)成果，從而培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的創(chuàng)新意識，激發(fā)學生持續(xù)的創(chuàng)新動機，磨練學生的創(chuàng)新意志，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維．

圖1　學術(shù)研討式學習方式的操作流程

2.2學術(shù)研討式學習的特點

學術(shù)研討式學習是一種從學習者個體發(fā)展的需要和認識規(guī)律出發(fā)的學習方式．其主要特點是學習內(nèi)容和學習方式的開放性與學生相對獨立而又協(xié)作研究，其實質(zhì)是教學與科研相融合的學習方法，是學習者對科學研究的思維方式和研究方法的學習運用．具體表現(xiàn)為：

自主性．學生經(jīng)歷自主學習過程，自主尋求相關(guān)信息、自主經(jīng)歷探究，自主構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)和方法結(jié)構(gòu)，自主反思和自主評價．

創(chuàng)新性．在探究過程中體現(xiàn)創(chuàng)新性，運用創(chuàng)新的思路和方法來發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，尋求解決問題的思路和方法；在探究結(jié)果上體現(xiàn)創(chuàng)新性，伴隨著問題的解決，探究出新的知識和方法，深化對物理問題、知識和方法的認識，創(chuàng)新構(gòu)建認知結(jié)構(gòu)．

學術(shù)性．學習過程中模擬科學家的探究過程，運用科學的研究方法和思維方法，體驗探究過程艱辛和喜悅；學習結(jié)果體現(xiàn)價值性，探究出概括水平更高、適用范圍更廣的知識和方法，探究出更加簡潔解題方法和實驗設(shè)計方法，享受物理理論和方法的科學價值、應(yīng)用價值和認識價值．

協(xié)作性．當今科學研究往往依靠科學團隊的協(xié)同創(chuàng)新，根據(jù)當今科學研究的新特點，學術(shù)研討式學習中學生對知識和方法的探究不僅需要學生自主性，更需要學生之間的團隊協(xié)作；不僅需要教師的正確引導(dǎo)，更需要師生之間的團隊協(xié)作，通過協(xié)作探究提高整體的探究功能．

2.3學術(shù)研討式學習方式實施策略

(1)提出學術(shù)探究問題

學術(shù)研究的首要環(huán)節(jié)是發(fā)現(xiàn)和提出問題，提出有價值的探究問題需要有較強的創(chuàng)新意識和敏銳的科學洞察力以及對某領(lǐng)域豐富的科學研究的積累．基于創(chuàng)新人才培養(yǎng)研討式學習中提出學術(shù)探究問題是學術(shù)研討的開端，教師的作用是創(chuàng)設(shè)具體的問題情境，教育學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的方法．學生根據(jù)探究問題情境，發(fā)現(xiàn)問題和提出有價值的探究問題．發(fā)現(xiàn)和提出問題的策略有：運用導(dǎo)致悖論方法發(fā)現(xiàn)問題，運用創(chuàng)新思維方法提出問題，運用批判性思維提出問題．

(2)教師指導(dǎo)研究方案

教師參與學生探究過程中指導(dǎo)，提供多元開放學術(shù)研討資源，質(zhì)疑學生探究中存在問題，引導(dǎo)學生探究的思路，啟發(fā)學生思維，指導(dǎo)學生學術(shù)論文的撰寫規(guī)范和方法，評價學術(shù)論文和探究成果的科學價值，幫助學生克服整個探究中遇到的困難等．

(3)學生自主探究問題

學生自主搜尋相關(guān)個性的學術(shù)研討資源，根據(jù)探究問題的特點自主從網(wǎng)上、圖書館、學術(shù)刊物、相關(guān)文本資料上搜尋個性化的文本信息和圖片、視頻等信息，通過實驗獲取和檢索與學術(shù)研討相關(guān)的數(shù)據(jù)等．

(4)學生協(xié)作交流匯報

教師通過選修課程等途徑組織學生對階段性探究成果進行相互交流，相互質(zhì)疑，相互補充．通過學生間和師生間協(xié)作交流，從不同側(cè)面、不同角度進行相互啟發(fā)，整合階段性的研究成果，明確原有研究中存在的問題，明確下階段探究的任務(wù)和方向．

(5)學生深化探究

針對前期交流中存在的問題，進一步明確探究目標，學生通過理論探究、實驗探究等方式開展針對性的深化探究活動，攻克前期探究中的難點．

(6)學術(shù)成果交流展示和發(fā)表

根據(jù)學術(shù)交流的規(guī)范和過程，教師組織學生開展學術(shù)交流活動，學生模擬科學研究中學術(shù)交流活動，展示交流探究取得成果以及探究過程中的心得和經(jīng)驗，使學生體驗探究過程中的艱辛和取得成果后帶來的喜悅，進一步激發(fā)學生的創(chuàng)新熱情．

3　學術(shù)研討式學習方式實施創(chuàng)新教學的實踐探索

3.1運用學術(shù)研討式學習實施創(chuàng)新性學習

在物理競賽輔導(dǎo)教學中，可根據(jù)科學創(chuàng)新的一般性結(jié)合中學物理教學和學生學習物理的特點，運用學術(shù)研討學習方式實施創(chuàng)新性學習，即學生運用這種學習方式提出新的探究問題，探究新的知識，探究新的方法，實施知識和方法的創(chuàng)新．

案例分析1：運用“學術(shù)研討式”學習方式探究“鏡像電荷規(guī)律”．

(1)運用類比思維提出探究問題

在物理競賽課程學習中，學生做了較多靜電場中鏡像電荷問題．甲同學、乙同學運用類比思維方法提出如下探究問題：

問題1：從幾何角度考慮，平面和球面具有特殊和一般關(guān)系，那么平面鏡像電荷模型與球面鏡像電荷模型是否也存在特殊與一般關(guān)系呢？

(2)確定探究思路，提供研究材料

學生提出的上述問題很有創(chuàng)新性，教師指導(dǎo)學生從凸面鏡像和凹面鏡像電荷角度進行探究．

(3)運用等效、逆向思維、近似等方法進行探究

平面與凸面鏡像電荷關(guān)系探究：甲、乙同學探究如下：如圖2所示，接地導(dǎo)體球外有一帶電荷量為Q的點電荷，導(dǎo)體球面上感應(yīng)電荷的等效鏡像電荷Q′離球心距離為a，離球面距離為x′，根據(jù)球面鏡像法得

當x?R時，得

圖2

凸面鏡像電荷模型近似為平面鏡像電荷模型，平面鏡像與凸面鏡像電荷存在特殊與一般關(guān)系．

平面鏡像與凹面鏡像電荷關(guān)系探究：丙同學探究如下：如圖3所示，當點電荷Q放在接地導(dǎo)體球內(nèi)時，內(nèi)球面上非均勻分布的感應(yīng)電荷等效為球外的鏡像電荷Q′,運用鏡像方法同理可得

化簡得

當x?R時

x′≈xQ′≈-Q

凹球面鏡像電荷模型近似為平面鏡像電荷模型，平面鏡像與凹面鏡像電荷也為特殊與一般關(guān)系.

圖3

上式表明當點電荷在球面外側(cè)時，成虛像，像距和焦距為負，f=-R，但與光學面鏡成像不同的是，光學中凸面鏡成像的焦距為

運用類比方法可得電荷量放大率為

鏡像電荷電荷量大小為

與實際求得結(jié)果一致．

如圖3所示，對于凹球面鏡像電荷令u=x,v=x′，得

通過上述論證過程，不僅猜想1和猜想2得到證實，成為鏡像電荷兩個規(guī)律(這兩個規(guī)律在解答相關(guān)靜電問題時得到廣泛應(yīng)用，簡化了解題過程)，而且學生的求證創(chuàng)新意識得到很好的培養(yǎng)．

(4)深化探究，撰寫展示學術(shù)論文

【例1】如圖4所示，兩塊無限大的接地導(dǎo)體平面相距為L，在兩板之間距離A板為d處放置一帶電荷量為+q的點電荷．試求：每塊板上感應(yīng)電荷．

圖4

解析：直接運用平面鏡像電荷法解答這個問題需要構(gòu)建無數(shù)個鏡像電荷，求解比較復(fù)雜和困難．相關(guān)物理競賽參考資料上常構(gòu)建平面電容模型運用電容器知識求解這個問題．甲同學通過構(gòu)建一般化電荷模型來求解這個問題．

構(gòu)建如圖5所示的一般化雙球面模型：將左側(cè)的導(dǎo)體面等效為在內(nèi)球接地導(dǎo)體球，半徑為R(R?d)，將右側(cè)的導(dǎo)體面等效為包裹內(nèi)球的接地球殼，且表面與內(nèi)球面距離為L，而點電荷被夾在中間．設(shè)外側(cè)感應(yīng)電荷總量為Q1，內(nèi)側(cè)感應(yīng)電荷總量為Q2，由外球面接地可得

Q2+Q1+Q=0

由于內(nèi)球接地，因此在球心處的電勢為零，即

圖5

解得

當d?R,L?R時，雙球面接地電荷模型近似為雙平面接地電荷模型，由上解得

在上述探究的基礎(chǔ)上，3位同學協(xié)作撰寫學術(shù)了“電學鏡像電荷幾何規(guī)律探究及應(yīng)用”的論文．該論文結(jié)構(gòu)為：

(1)運用類比方法提出探究問題；

(2) 電學鏡像電荷規(guī)律探究；

(3)電學鏡像電荷規(guī)律的應(yīng)用．

該論文在鎮(zhèn)海中學2014年科技創(chuàng)新節(jié)中得到展示，得到教師和同學高度認同．

3.2運用學術(shù)研討學習方式實施批判性學習

物理學發(fā)展中人們對有關(guān)物理現(xiàn)象和過程、物理理論曾經(jīng)產(chǎn)生錯誤、片面的認識，對某些物理問題時常發(fā)生錯誤解答，通過學術(shù)研討從錯誤到正確、從片面到全面，使物理學得到發(fā)展．在中學物理參考書中、教師和學生解答問題過程中常會出現(xiàn)一些錯誤的認識和解答，這些錯誤物理課程資源往往是學生開展學術(shù)研討的重要的資源．學生通過學術(shù)研討學習實施批判性學習，不僅發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，而且訓(xùn)練了學生思維的深刻性，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維．

案例分析2：運用學術(shù)研討學習方式對2013年高考題標準解答批判性挑戰(zhàn)．

(1)運用導(dǎo)致悖論方法發(fā)現(xiàn)提出問題

【例2】(2013年高考浙江卷第25題)．為了降低潛艇噪音，提高其前進速度，可用電磁推進器替代螺旋槳．潛艇下方有左、右兩組推進器，每組由6個相同的用絕緣材料制成的直線通道推進器構(gòu)成，其原理示意圖如圖6所示．在直線通道內(nèi)充滿電阻率ρ1=0.2Ω·m的海水，在通道中a×b×c=0.3m×0.4m×0.3m的空間內(nèi)，存在由超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的勻強磁場，其磁感應(yīng)強度B=6.4T，方向垂直通道側(cè)面向外．磁場區(qū)域上、下方各有a×b=0.3m×0.4m的金屬板M和N，當其與推進器專用直流電源相連后，在兩板之間的海水中產(chǎn)生了從N到M，大小恒為I=1.0×103A的電流，設(shè)電流只存在于磁場區(qū)域．不計電源內(nèi)阻及導(dǎo)線電阻，海水密度ρ2=1.0×103kg/m3．當潛艇以恒定速度v0=30m/s前進時，海水在出口處相對于推進器的速度vr=34m/s，求專用直流電源所提供的電功率大小．

圖6

標準解答:在地面參照系中，對每個推進器而言，安倍力推動潛艇功率為

P電1=BIcv0=P電1=5.76×104W

電阻上消耗的熱功率為

Pr=I2R=5×105W

安倍力推動水做功消耗電功率為

m=ρS3vdΔt

解得

P電2=3.84×103W

每個推進器直流電源所做功為

P電=Pr+P電1+P電2=5.614 4×105W

解得

每個推進器直流電源消耗總電功率為

根據(jù)相對性原理，在不同參照系中消耗電能應(yīng)相同，上述兩種解答中得出結(jié)果不同，導(dǎo)致悖論．這個悖論表明，高考標準解答有問題，值得探討．

提出探究問題：潛水艇專用直流電源所提供的電功率正確求解方法如何？

(2)教師指導(dǎo)，提供研究資料

由于本問題屬于流體動力學問題，為此教師向?qū)W生提供流體力學相關(guān)教材(《力學》鄭永令，復(fù)旦大學出版社；《力學》舒優(yōu)生，北京大學出版社)，要求學生從網(wǎng)上搜尋潛水潛艇結(jié)構(gòu)原理相關(guān)資料．

(3)學生自主探究，協(xié)作交流

針對上述高考標準答案中存在問題，物理創(chuàng)新素養(yǎng)培育小組學生紛紛進行探究，下面介紹幾種典型的探究情況．

如圖7所示，在潛艇參照系中，水相對潛艇在3個橫截面上速度分別v1r=30m/s，v2r，v3r=34m/s，壓強分別為p1r，p2r，p3r．根據(jù)伯努利方程和連續(xù)性原理得p1r，p2r關(guān)系為

v1rS1=v2rS2=v3rS3

結(jié)合S2=S3=0.12m2，解得

v2r=34m/s

p1r=p2r+1.28×105Pa

根據(jù)直道內(nèi)水流勻速運動得

p2rS2+BIc=p3rS3

解得

p2r=p3r-1.6×104Pa

p1r=p3r-1.12×105Pa

Δm=ρS3v3rΔt

解得

消耗的總的電功率為

圖7

地面參照系中分析：甲同學和戊同學的探究詳見《物理通報》2014年第10期，第93頁．

創(chuàng)新解法1：己同學探究解答(地面參照系功率法)：

在地面參照系中，根據(jù)連續(xù)性原理v2S2=v3S3，水在長方體管道內(nèi)應(yīng)做速度為vd=4m/s的勻速運動．安倍力做功消耗電功率即為安倍力對流進潛艇內(nèi)水所做功功率和反作用力對潛艇做功功率之和，滿足

P安=BIcv0+BIcvd

結(jié)合v0=30m/s,vd=4m/s，解得

P安=6.528×104W

消耗總的電功率為

P電=5.652 8×105W

創(chuàng)新解法2：庚同學探究解答(潛艇參照系功率法)

潛艇參照系中，根據(jù)連續(xù)性原理，水在長方體管道內(nèi)應(yīng)做速度為vr=34m/s的勻速運動，安倍力對流進管道內(nèi)水所做功消耗的電功率滿足

P安=BIcvr

解得

P安=6.528×104W

消耗總的電功率為

P電=5.652 8×105W

結(jié)果與地面參照系解答結(jié)果相同，符合相對性原理．

(4)撰寫發(fā)表學術(shù)論文

在上述研討的基礎(chǔ)上，教師鼓勵學生積極撰寫學術(shù)論文．在教師的指導(dǎo)幫助下，由甲同學執(zhí)筆，撰寫了“對一道物理高考題錯解分析及創(chuàng)新解答”學術(shù)論文，該論文被《物理通報》雜志社錄用發(fā)表，在鎮(zhèn)海中學2014年科技節(jié)上展示匯報，得到物理同行的高度肯定．

2016-01-11)