提升學生科學探究能力教學策略的探討

徐衛兵

(西安交通大學蘇州附屬中學，江蘇 蘇州 215021)

物理學科核心素養是物理學科育人價值的集中體現,是學生通過物理學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力．物理學科核心素養主要包括“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態度與責任”4個方面．“科學探究”是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力．體現“科學探究”本質的四要素為問題、證據、解釋、交流等要素．

1 喚醒學生問題意識

“問題”是指學生具有科學探究意識,能在學習和日常生活中發現問題,提出合理的猜測與假設．

1.1 少疑鈍化思維,質疑創新思維

愛因斯坦曾經說過:“提出問題比解決問題更重要”.那是因為解決問題是被動行為只需要學習或實驗上的技能,而提出“新”的問題,是主動行為,需要的是創造性的想象力． 在這里我們把能提出問題簡稱為學生的“問題意識”,“問題意識”是創新精神的基石,強化學生的“問題意識”可以說是培養學生創新精神的起點． 但在目前的教學中不少教師怕影響教學進度,基本是由教師提出問題讓學生去回答,學生幾乎不主動提出問題,即使提問題也只是問的哪個知識點沒理解或哪道題不會做等． 從長遠來看,這種教學方法將催眠學生的“問題意識”,并使學生的思維鈍化． 這樣的課堂,實際上剝奪學生提問的機會,禁錮學生思維的翅膀,僵化教師的教學方式． 形成被動接受狀態的學生,幾乎沒有疑問,他們確信任何結論,他們缺乏懷疑． 思維總被教師牽著走,哪里說得上“主動地發展”,更談不上創新． 質疑是創新的基石,歷史上有很多這方面的事例,比如伽利略在學習的過程中養成了愛質疑的習慣,對學校的教學方法和教學內容也會產生質疑．甚至對哲學家們所崇奉的那些“絕對真理”,他也探明它們究竟包含什么意義,最典型的事例就是對古希臘偉大的哲學家亞里士多德的物體下落快慢的主張也提出了質疑,這才有了自由落體定律．[2]再比如在湖北電視臺的一檔“童聲朗朗”欄目中,有一期節目小學生質疑電影《侏羅紀世界》漏洞:一是穿高跟鞋的女主角竟然贏了霸王龍(據科學家研究它的奔跑速度可達72 km/h),二是電影里的恐龍大部分是來自白堊紀,電影偏偏叫《朱羅紀世界》． 這種挑戰權威的精神、挑剔性的思維是科學家必備的素質之一,沒有挑剔就沒有批判,沒有批判就沒有創新．

所以在物理教學中培養學生提出問題、發現問題的能力,不但能增加學生的學習物理的興趣和效率,而且能開發學生的創造潛能．

1.2 利用演示實驗,提供問題情境

在物理教學中我們采取什么措施去培養學生的“問題意識”,并讓他們通過物理教學做到敢于提問、學會提問、善于提問呢?

1.2.1 設疑激趣

車爾尼雪夫斯基說: “只有人們自愿做的事才做得好．”因此教師在教學中就應千方百計地讓學生對要做的事成為自愿做的事． “激趣”就是要求教師千方百計激發出學生“自愿做”的熱情,按照中國的漢字“趣”也可以釋義為在行“走”中“取”． 激趣最有效的方式就是教師從生產、生活、科技等多個角度創設物理情境,引導學生提出與物理相關的問題,并進行討論． 在創設情景時我們應盡可能地通過演示實驗來展示情景,無法用實驗展示的,也可以通過實物、模型或動畫模擬等來激起學生強烈的好奇心,可以讓學生產生困惑、質疑、探索的創造性學習動機, 從而喚起學生的問題意識.例如《高中物理課程標準》必修3第13頁提到“在實驗探究金屬導體的電阻與材料、長度和橫截面積的定量關系,以及閉合電路歐姆定律等內容的學習中,努力創設激發學生探究欲望的問題情境, 引導學生進行科學探究”．

圖1

“激趣”還涉及時機的選擇,或行課初(即課堂引入),或行課末(即課堂結束時留給學生課后探究),或行課中(課堂進行中), 但我們要特別重視在行課的初始時刻,因為涉及課堂的目標和學生積極性的調動． 表1是對課堂引入法喜歡方式的調查表,可以看出占比比較高的幾種方法使學生在課堂上的積極性的確得到提高,其中利用實驗引入是最受學生歡迎的,因為實驗可以激起學生的好奇心、激發學生的求知欲、激活學生的思維, 從而形成學生主動學習的氛圍,課堂上就會帶著問題去思考、討論、探索.例如，在探索產生感應電流的條件時：用線圈繞制,連接發光二極管(如圖1),放在電磁爐上方,如果電磁爐不通電,二極管不亮,電磁爐通電后二極管亮了,學生自然會提出一些問題．

表1 不同液體密度與浸入深度的關系

1.2.2 刨根問底

中國科學院高能物理研究所粒子天體物理重點實驗室主任,中國科學院國家天文臺空間科學部首席科學家張雙南在專欄文章中說中國人缺少“刨根問底”的精神,并列舉事例說明,其中一個事例: “兩小兒辯日”,……一個小孩說,是早晨的太陽大,那時候太陽離我們近,為什么呢?早晨看起來太陽很大,那大嘛表明太陽離我們近,另外一個小孩說,早晨的時候特別涼,中午的時候很熱,那熱很顯然是離我們近嘛,但是看起來小一些,早晨說那個又大又涼,中午說這個又熱又小,孔子說不知道這個答案是什么? 所以這個故事就在這里,怎么會結束,這兩個孩子嘲笑孔子,哈哈,你不知道的比我們多． 但事實上,無論是早上離我們很近還是中午離我們很近,一定只有一個答案． 為什么中午看起來很小,但它很熱? 我們沒有回答問題的根源,問題背后的真相是什么? 這是典型的使用詭辯而不是突破性的問題來贏得辯論,更沒有追求真理．

比如,上面的二極管為什么會亮,學生得“刨根問底”,先提出猜想, 猜想是對實驗結果的預測,能培養學生的發散思維能力,為后面的實驗設計做準備． 教學中有時要引導學生結合已有知識和生活經驗展開豐富的猜想,學生的猜想可能千奇百怪,但教師應尊重每個學生的猜想,不要輕易地否定他們的猜想, 這樣學生才會繼續探索他們的猜想是否正確．

2 加強學生證據意識

“證據”是學生具有設計探究方案,證據收集和數據處理的能力．能正確實施探究方案,使用各種手段和方法收集信息．

2.1 設計實驗

學生對于觀察到的實驗現象,一定會根據已有的知識進行猜想,為什么會是這樣的現象,猜想后就要檢驗提出的猜想是否正確, 那就要寫探究的實驗方案,包括實驗目的、原理、器材、步驟等.這樣做能培養學生實驗技能和科學方法、科學態度和探究精神以及提高分析能力.這也是科學探究過程中關鍵的一步． 但目前的教學中往往是教師直接提供給學生實驗方案,這樣做不利于學生探究的主動性和積極性的培養． 其實應讓學生利用教師平時滲透的實驗設計思想,進行充分的討論,探索實驗方法、選擇實驗器材、設計實驗操作步驟． 如: 探究自由落體運動性質時,需要測下落物體的速度,學生會利用前面所學知識進行設計,有的是用打點計時器、有的是光電門、有的是頻閃照片． 在課堂上到底用哪一種,要看實驗室條件,最好不要選擇學生不能動手,只有教師演示的實驗． 只要條件許可就應該是學生自己設計、自己操作,不是教師完成探究學生當觀眾． 也就是教師的任務是做好充分的準備,準備足夠的實驗器材,讓學生自主選擇．

2.2 搜集證據

做實驗不只是觀察現象,還要進行數據的搜集,這一步是科學探究中的一個重要環節,這個環節要讓學生自己去操作、觀察、體驗、思考, 獲得自己所需要的實驗數據,并記錄在自己設計的表格里．收集證據可以培養學生的觀察能力和信息收集能力.

2.3 處理證據

得到了實驗數據之后,一定要趁熱打鐵,讓學生對數據及時處理． 但教學中往往出現不少學生不重視數據的處理,有的是就感覺實驗的任務完成了,往往只重視現象,有的是怕麻煩, 也有的是教師怕耽誤教學進程,讓學生課后處理,事實會不了了之． 比如探究彈簧彈力大小與形變量的關系時,處理的方法可以是公式、圖像等方法分析處理數據,只有這樣才能得出正確的結論,從而透過現象找本質．

3 重視學生解釋意識

“解釋”是指學生具有分析論證的能力,會使用各種方法和手段分析、處理信息,描述、解釋探究結果和變化趨勢,基于證據得出合理的結論．

解釋是在觀察的基礎上思考,合理地解釋事物變化的原因,事物之間的聯系,或事物發展的規律,許多科學結論都是令人信服的解釋． 著名科學家錢學森先生曾經要求過本科以上的學生除了有優秀的論文外還要能夠寫出通俗易懂的科普類論文,科普類論文寫得好與差就是看一個人解釋的能力,他的意圖就是想通過此舉實現普及本科生解釋的能力．愛因斯坦可以給普通家庭婦女解釋相對論, 當然這也體現了他們個人的非凡智慧．

探究過程結束后,教師要求學生基于數據,分析相關的現象或原因,然后讓每組學生匯報探究結果和得出實驗的結論, 同時對得出的實驗結論進行解釋,并為自己的正確觀點進行答辯,以及回報實驗中是否發現了新的問題? 想不想繼續進行探究? 然后進行頭腦風暴,學生總結并得出統一的結論． 如果每個實驗都堅持這樣做,學生對實驗結論的解釋不但能達到“切磋”的目的,實現思維的碰撞,而且還能培養學生語言表達能力和邏輯思維能力． 在平時聽課中,發現有的班級學生表述非常清楚,有的班級學生不善于表達,其實與教師平時的培養有很大的關系．

4 培養交流合作意識

“交流”是指具有交流與合作的意愿和能力,能準確表述、評估和反思探究過程與結果．

心理學理論表明: 良好的同學關系應該改善學生在不同認知,情感和行為水平上的學習心理狀態． 在科學探究過程中教師要提供學生良好的“合作交流”氛圍,讓學生通過實驗合作,動手實踐,在實驗中發現,探究科學的奧秘; 在探究活動中,教師應引導學生進行討論和交流活動,讓學生充分表達自己的探究問題、過程和結果, 選擇和使用適當的媒介與他人有效溝通,傾聽他人的詢問并對他人探究的過程和結果提出建設性的評論．這些感受和經歷中的許多是理解科學本質以及科學精神的意義和價值的基礎. 即使有些實驗探究，學生走了彎路，遭遇挫折和艱辛，甚至有可能找不到問題的答案，但學生仍能從這一親歷過程中學到科學探究的方法.

興趣是學生最好的老師,老師的作用是引導． 居里夫人曾經說: 好奇心是人類最寶貴的品質． 好奇心是科學研究背后的驅動力,也是科學夢想的新起點． 在教學中,我們就盡力讓學生永葆好奇之心,學習知識,打下堅實的基礎,勇于追求科學的心靈夢想,開辟一條美好的科學人生道路． 學生無限的想象力、夢想就像是天上的繁星那么璀璨、那么的多彩,但是只有仰望天空的同時腳踏實地才能向自己的夢想越來越靠近,帶著批判性帶著思辨性還要帶著創造力來看待身邊的事物,來觀察發生的實驗現象.這就使得中學物理教學中的科學探究既具有多樣性和綜合性,又具有學生學習方式的主動性和獨立性,還具有學習過程的開放性和民主性． 在探究過程中,學生是否掌握某個具體知識并不是最重要的,重要的是要善于引導學生發現問題、提出問題,并學會通過收集資料、提出假設、實驗探究、驗證假設、交流討論等探究步驟, 最終實現培養學生科學探究能力的目標．