從物理課程看科學(xué)探究.doc

1從物理課程看科學(xué)探究張大昌（人民教育出版社北京100081）這次課程改革中，無(wú)論在初中還是在高中，科學(xué)領(lǐng)域的各門(mén)課程都十分強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)中的科學(xué)探究，研究文章很多，許多教師在實(shí)踐中做了各種形式的探索和嘗試，取得了令人矚目的成果，也出現(xiàn)了一些問(wèn)題。今天，我們反思幾年來(lái)的研究和實(shí)踐，對(duì)科學(xué)課程中的科學(xué)探究有了更深刻的認(rèn)識(shí)。本文以中學(xué)物理課程為例，對(duì)科學(xué)探究談些看法。一、課程中的科學(xué)探究有三重意義第一，它是一種學(xué)習(xí)方法，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自己不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，在這個(gè)過(guò)程中獲取知識(shí)、體會(huì)科學(xué)方法、受到情感態(tài)度價(jià)值觀的熏陶。目前對(duì)這點(diǎn)已經(jīng)取得共識(shí)。第二，科學(xué)探究本身也是學(xué)習(xí)的內(nèi)容。平常所說(shuō)的知識(shí)包括了陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)，怎樣進(jìn)行科學(xué)探究是一種程序性知識(shí)，以前我們對(duì)這類(lèi)知識(shí)的學(xué)習(xí)不夠重視。在科學(xué)課程的學(xué)習(xí)中，學(xué)生要通過(guò)對(duì)探究過(guò)程的反復(fù)體驗(yàn)，學(xué)會(huì)怎樣進(jìn)行科學(xué)探究。這在過(guò)去強(qiáng)調(diào)得不夠，應(yīng)該引起重視。第三，科學(xué)探究還是一種精神。要用這種精神探索和研究自然規(guī)律，也要用這種精神學(xué)習(xí)整個(gè)課程中的所有內(nèi)容。這點(diǎn)尤為重要。例如，實(shí)驗(yàn)儀器的使用規(guī)則，雖然不是自然規(guī)律，但也可以通過(guò)科學(xué)探究來(lái)學(xué)習(xí)。有一種說(shuō)法，認(rèn)為學(xué)習(xí)這類(lèi)內(nèi)容時(shí)不能進(jìn)行探究，只能?chē)?yán)格要求，即使不明白其中的道理也要記住這些規(guī)則，否則這些重要的要求在學(xué)生頭腦中就不清晰，還可能損壞器材。其實(shí)，儀器的使用規(guī)則都是有道理的，學(xué)生應(yīng)該通過(guò)自己的探究來(lái)學(xué)習(xí)這些道理。天平的學(xué)習(xí)就是一例。在過(guò)去的教學(xué)中，教師生硬地告訴學(xué)生使用托盤(pán)天平的三個(gè)步驟和要注意的兩點(diǎn)，可以不講任何道理，學(xué)生只要記住了、照著做，就算達(dá)到要求了。按照新課程的理念，學(xué)生完全可以通過(guò)科學(xué)探究學(xué)習(xí)這些內(nèi)容。例1：想想做做天平的使用方法我們通過(guò)稱(chēng)量橡皮、鉛筆的質(zhì)量來(lái)學(xué)習(xí)天平的使用方法。學(xué)習(xí)過(guò)程中要一邊操作一邊思考下面幾個(gè)問(wèn)題。天平應(yīng)水平放置。你所用的天平有沒(méi)有檢查天平底座是否水平的裝置？應(yīng)怎樣調(diào)平？天平使用前要使橫梁平衡。每臺(tái)天平都有平衡螺母，用來(lái)調(diào)整橫梁的平衡。你的天平的平衡螺母安裝在什么位置？如果橫梁的左臂偏高，應(yīng)該向哪個(gè)方向旋動(dòng)平衡螺母？你的砝碼盒中最小砝碼的質(zhì)量是多少？實(shí)際上，天平還能夠分辨出比它更小的質(zhì)量，這時(shí)就要靠游碼了。游碼相當(dāng)于一個(gè)“秤砣”，它每向右移動(dòng)一格，就等于在右盤(pán)中增加一個(gè)很小的砝碼。在你的天平上，一個(gè)這樣的小格相當(dāng)于多大質(zhì)量的砝碼？使用天平之前，應(yīng)該使游碼停留在什么位置？使用天平時(shí)，要求把待稱(chēng)的物體放到左盤(pán)，在右盤(pán)中增減砝碼。為什么要這樣做？關(guān)于天平的使用，你認(rèn)為還應(yīng)該注意什么問(wèn)題？2當(dāng)然，涉及人身和器材安全的問(wèn)題應(yīng)該作為強(qiáng)制性要求，但即使對(duì)于這些要求，學(xué)生也要明白它的道理。二、探究形式是多種多樣的物理課程標(biāo)準(zhǔn)指出了科學(xué)探究的幾個(gè)要素。“要素”不同于“環(huán)節(jié)”。一個(gè)過(guò)程缺少必要的環(huán)節(jié)就會(huì)中斷；而課程標(biāo)準(zhǔn)指出的要素是科學(xué)探究的標(biāo)志，一個(gè)具體的教學(xué)過(guò)程只要具有一兩個(gè)這樣的要素，它就有了探究性。也就是就，學(xué)習(xí)時(shí)的科學(xué)探究不一定是“完整”的。例如，在引入強(qiáng)相互作用時(shí)，下面的思考與討論就是一種科學(xué)探究。例2：質(zhì)子帶正電，但質(zhì)子（與中子一起）卻能聚在一起構(gòu)成原子核。根據(jù)你的推測(cè)，原因可能是什么？教師提出這個(gè)問(wèn)題，學(xué)生自然會(huì)想：“對(duì)呀，同性相斥啊可能除了庫(kù)侖力之外還存在另一種力，使得質(zhì)子相互吸引，不然怎么會(huì)”這小段教學(xué)過(guò)程也許只有一兩分鐘，但它包含了提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)以及極其簡(jiǎn)單的分析。盡管學(xué)生不可能得出可靠的結(jié)論，但它具有科學(xué)探究的典型要素，這種互動(dòng)就是一段科學(xué)探究。又如，在學(xué)過(guò)勻速圓周運(yùn)動(dòng)之后，學(xué)生對(duì)以下問(wèn)題的研究也是科學(xué)探究。例3：思考與討論地球可以看做一個(gè)巨大的拱形橋，橋面的半徑就是地球半徑。地面上有一輛汽車(chē)沿著赤道行駛。根據(jù)前面的分析，汽車(chē)速度越大，地面對(duì)它的支持力就越小。會(huì)不會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：速度大到一定程度時(shí)，地面對(duì)車(chē)的支持力是零？這時(shí)駕駛員與座椅之間的壓力是多少？他這時(shí)可能有什么感覺(jué)？學(xué)生在拱形橋的問(wèn)題中已經(jīng)知道，半徑越小時(shí)車(chē)對(duì)橋的壓力與重力之差越大，地球的半徑很大，這種效應(yīng)應(yīng)該不明顯；但學(xué)生還知道，速度越大兩力之差越大，所以要在地球上產(chǎn)生明顯的效應(yīng)，車(chē)就要開(kāi)得很快。要多快呢？其實(shí)學(xué)生已經(jīng)掌握解決問(wèn)題的工具了這個(gè)問(wèn)題是教師提出來(lái)的，學(xué)生根據(jù)解決拱形橋問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)，可以做出有很大把握的猜想，然后沿這個(gè)方向進(jìn)行數(shù)學(xué)推理和分析，得出準(zhǔn)確的結(jié)論。這是一個(gè)很好的科學(xué)探究過(guò)程。實(shí)際教學(xué)中最難把握的是提出問(wèn)題這個(gè)要素。學(xué)生提的問(wèn)題五花八門(mén)，有的雖然有意義，但未必與教學(xué)發(fā)展方向一致。因此，多數(shù)課題恐怕還是要由教師提出。這樣做還是科學(xué)探究嗎？還是。根據(jù)現(xiàn)象或過(guò)去的知識(shí)找出矛盾或疑問(wèn)，把它清晰地表述出來(lái)，這是一個(gè)很好的教學(xué)習(xí)慣。教師經(jīng)常這樣做，時(shí)間久了學(xué)生也就自然而然地這樣做，遇到相似的場(chǎng)景時(shí)會(huì)不自覺(jué)地在心里產(chǎn)生疑問(wèn)，于是就形成了提出問(wèn)題的習(xí)慣，也就逐漸學(xué)會(huì)了怎樣提出問(wèn)題。我們強(qiáng)調(diào)這樣的教學(xué)過(guò)程，就是在“播種一種行為，收獲一種習(xí)慣”，我們這樣做是在引導(dǎo)“批判性的思維”，是在培養(yǎng)“懷疑精神”。三、不同問(wèn)題中的猜想與假設(shè)，它們的不確定性并不一樣科學(xué)的猜想與假設(shè)在本質(zhì)上不同于不負(fù)責(zé)任的亂說(shuō)，它是根據(jù)不充分的事實(shí)3或不嚴(yán)格的推理得出的不太可靠的結(jié)論。在上面例1中，我們得出一個(gè)猜想存在著另外一種相互作用，根據(jù)的是庫(kù)侖力的性質(zhì)和二力平衡的知識(shí)。但是，它仍然只是一個(gè)猜想，不是科學(xué)的結(jié)論，因?yàn)槲覀儾荒芘懦硗獾脑S多可能：兩個(gè)質(zhì)子之間只有庫(kù)侖力的作用，但庫(kù)侖定律在很小的距離上不適用；或者不同探究過(guò)程中做出的猜想與假設(shè)，它們的不確定性并不一樣。上面例2中的猜想與假設(shè)實(shí)際上已經(jīng)是對(duì)問(wèn)題的定性分析，不確定性很??；而例1中的猜想與假設(shè)則有極大的不確定性，特別是中學(xué)生做出這樣的猜想，更是如此。可以說(shuō)，中學(xué)教學(xué)中的科學(xué)探究最應(yīng)該注意的就是猜想與假設(shè)這個(gè)要素，猜想與假設(shè)是創(chuàng)造性思維中最活躍的因素。這樣說(shuō)，是基于我們對(duì)科學(xué)過(guò)程的理解：科學(xué)定律不是根據(jù)有限的（盡管可能是大量的）事實(shí)歸納出來(lái)的，新知識(shí)的建立常常不在于實(shí)驗(yàn)證據(jù)的多寡，而在于研究者的洞察力?？茖W(xué)中的重大發(fā)現(xiàn)是這樣，日常生活與工作中的新認(rèn)識(shí)、新見(jiàn)解也是這樣。新的高中物理課程包括了狹義相對(duì)論的少量?jī)?nèi)容。這樣做的主要目的是使學(xué)生在狹義相對(duì)論的學(xué)習(xí)中再一次體會(huì)科學(xué)探究的過(guò)程，即人們認(rèn)識(shí)世界的下述過(guò)程。學(xué)生在大致了解幾個(gè)關(guān)于“光速不變”的實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)了矛盾（提出問(wèn)題），在此基礎(chǔ)上提出了“光速不變”原理和狹義相對(duì)性原理（猜想與假設(shè)）。盡管麥克耳孫實(shí)驗(yàn)和其他幾個(gè)實(shí)驗(yàn)及天文觀測(cè)表明，光速不依賴(lài)于觀察者與光源之間的相對(duì)速度，但這只是有限的幾件事實(shí)，難以得出一般性的規(guī)律，因此我們只能把它叫做猜想與假設(shè)；至于狹義相對(duì)性原理，也只是因?yàn)椤皼](méi)有發(fā)現(xiàn)違背這個(gè)原理的事實(shí)”，也屬于猜想與假設(shè)的范疇。在這兩個(gè)猜想與假設(shè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)邏輯推理得出了同時(shí)的相對(duì)性，進(jìn)而得出長(zhǎng)度的相對(duì)性和時(shí)間間隔的相對(duì)性（分析與論證）。最后介紹對(duì)宇宙射線(xiàn)中子計(jì)數(shù)的解釋、狹義相對(duì)論的宏觀驗(yàn)證，并簡(jiǎn)單提到它在粒子物理中的應(yīng)用。這段教學(xué)要使學(xué)生體會(huì)認(rèn)識(shí)世界的如下過(guò)程。實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)事實(shí)（或直接經(jīng)驗(yàn)）猜想與假設(shè)（兩個(gè)基本原理）邏輯分析（數(shù)學(xué)推理）可檢驗(yàn)的結(jié)論在這個(gè)案例中，兩個(gè)原理具有很大的不確定性，只有得出的大量結(jié)論都與事實(shí)一致時(shí)，才能說(shuō)當(dāng)初的猜想與假設(shè)在一定的條件下是正確的。新高中課程還要求極簡(jiǎn)單地介紹廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論的猜想與假設(shè)的不確定性就更大了。與它們相比，課堂實(shí)驗(yàn)中關(guān)于導(dǎo)體中的電流與它兩端電壓關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，其不確定性就小得多，但仍是個(gè)假設(shè)，因?yàn)楹髞?lái)發(fā)現(xiàn)它對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電和氣體導(dǎo)電并不適用。我們只能說(shuō)，對(duì)于金屬導(dǎo)體，這個(gè)猜想與假設(shè)發(fā)展成了歐姆定律。以上分析有助于打破我們對(duì)于科學(xué)探究的狹隘認(rèn)識(shí)。學(xué)習(xí)中無(wú)論是極不確定的想法，還是似乎板上釘釘?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果，其實(shí)都是科學(xué)探究中的猜想與假設(shè)。中學(xué)物理中幾乎所有內(nèi)容都應(yīng)該按科學(xué)探究的方式學(xué)習(xí)。四、科學(xué)探究不一定都要?jiǎng)邮肿鰧?shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，這是從整體上說(shuō)實(shí)驗(yàn)推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，而絕不是說(shuō)，物理學(xué)中的每一個(gè)規(guī)律都“應(yīng)該”或者“可以”直接由實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)。明確了這個(gè)認(rèn)識(shí)以后，在學(xué)習(xí)過(guò)程中我們就敢于確認(rèn)：包含了科學(xué)探究的若干要素，但不包含學(xué)生實(shí)驗(yàn)或演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程，也是科學(xué)探究。例如，在學(xué)過(guò)了功和能的關(guān)系，經(jīng)歷了動(dòng)能、重力勢(shì)能的定量表述過(guò)程之后，學(xué)生可以探究彈性勢(shì)能4的表達(dá)式。在這個(gè)探究過(guò)程中，學(xué)生可以根據(jù)過(guò)去研究動(dòng)能和重力勢(shì)能的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定探究的方向，即通過(guò)彈力做功來(lái)探討彈性勢(shì)能的表達(dá)式；然后分析彈力與重力的相似點(diǎn)和不同點(diǎn)，初步猜想彈性勢(shì)能應(yīng)該隨彈簧伸長(zhǎng)的增加而增加，還應(yīng)該隨勁度系數(shù)的增加而增加；最后通過(guò)定量的分析與論證得到所求的表達(dá)式。這個(gè)過(guò)程包含了提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)、分析論證等要素，還可以包含評(píng)估、交流與合作等要素，因此，盡管沒(méi)有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等要素，它也是一個(gè)科學(xué)探究的過(guò)程。實(shí)際上，前面例2、例3也是不包含實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究過(guò)程。沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程也可以是科學(xué)探究，明確了這一點(diǎn)能使我們解放思想、放開(kāi)眼界，克服教學(xué)時(shí)科學(xué)探究中的形式主義。有些學(xué)科、有些教師所做的“做中學(xué)（handson）”的嘗試有助于改變我國(guó)科學(xué)教育中輕視實(shí)踐、輕視操作的傾向，但像任何教學(xué)方式一樣，它也有一定的適用范圍。不分學(xué)科、不分學(xué)段地一味強(qiáng)調(diào)在操作中學(xué)習(xí)，并不是這次課程改革的理念。五、科學(xué)探究的形式可以多種多樣學(xué)習(xí)中可以通過(guò)多種形式體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程。對(duì)于某些內(nèi)容，教師可以按歷史的發(fā)展展開(kāi)教學(xué)，使學(xué)生從前輩大師的工作中體會(huì)科學(xué)探究。例如，能量子概念的教學(xué)，可以沿這樣的線(xiàn)索展開(kāi)：冶金工業(yè)促進(jìn)了黑體輻射問(wèn)題的研究用經(jīng)典電磁理論解釋實(shí)驗(yàn)規(guī)律難以解決的矛盾普朗克能量子的假設(shè)數(shù)學(xué)推理與實(shí)驗(yàn)事實(shí)的對(duì)照在這個(gè)例子中，提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)、分析論證的要素都是十分突出的，實(shí)驗(yàn)所起的作用也十分明顯。伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究11是另一個(gè)好例子?？茖W(xué)探究的過(guò)程還可以是師生討論的過(guò)程。例4：課堂實(shí)例為公式x=v0t+21at2的導(dǎo)出做準(zhǔn)備12老師拿來(lái)了一位往屆同學(xué)所做的“探究小車(chē)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律”的測(cè)量記錄（見(jiàn)下表），表中“速度v”一行是這位同學(xué)用某種方法（方法不詳）得到的物體在0、1、25幾個(gè)位置的瞬時(shí)速度。原始的紙帶沒(méi)有保存。位置編號(hào)012345時(shí)間t/s00.10.20.30.40.5速度v/(ms-1)0.380.630.881.111.381.62以下是關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的討論。老師：能不能根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，用最簡(jiǎn)便的方法估算實(shí)驗(yàn)中小車(chē)從位置0到位置5的5位移？學(xué)生A：能。可以用下面的辦法估算x0.380.10.630.10.880.11.110.11.380.1學(xué)生B：這個(gè)辦法不好。從表中看出，小車(chē)的速度在不斷增加，0.38只是0時(shí)刻的瞬時(shí)速度，以后的速度比這個(gè)數(shù)值大。用這個(gè)數(shù)值乘以0.1s，得到的位移比實(shí)際位移要小。后面的幾項(xiàng)也有同樣的問(wèn)題。學(xué)生A：老師要求的是“估算”，這樣做是可以的。老師：你們兩個(gè)人說(shuō)得都有道理。這樣做的確會(huì)帶來(lái)一定誤差，但在時(shí)間間隔比較小、精確程度要求比較低的時(shí)候，可以這樣估算。要提高估算的精確程度，可以有多種方法。其中一個(gè)方法請(qǐng)大家考慮：如果當(dāng)初實(shí)驗(yàn)時(shí)時(shí)間間隔不是取0.1s，而是取得更小些，比如0.06s，同樣用這個(gè)方法計(jì)算，誤差是不是會(huì)小一些？如果取0.04s、0.02s誤差會(huì)怎樣？歡迎大家發(fā)表意見(jiàn)。這段教學(xué)過(guò)程包含了科學(xué)探究的多個(gè)要素，學(xué)生參與了討論（不論是否有發(fā)言的機(jī)會(huì)），就是參與了科學(xué)探究。綜上所述，科學(xué)探究是一種精神，它應(yīng)該貫穿于整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，教師要想盡一切方法調(diào)動(dòng)學(xué)生探求新知識(shí)的積極性，而不是讓學(xué)生被動(dòng)地吸收知識(shí)，這樣就體現(xiàn)了新課程的探究精神。我們不宜說(shuō)某節(jié)課是科學(xué)探究課，某節(jié)不是；也不宜說(shuō)某個(gè)教學(xué)活動(dòng)是，某個(gè)不是。科學(xué)探究要滲透到全部教學(xué)活動(dòng)中。不同的學(xué)習(xí)條件下都能進(jìn)行科學(xué)探究，但探究的形式可能不同。實(shí)驗(yàn)設(shè)備少，難以進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以用演示實(shí)驗(yàn)代替，只要教師示范性地提出問(wèn)題、啟發(fā)學(xué)生猜想這樣也能體現(xiàn)探究的精神。班上學(xué)生太多而難以討論，也能體現(xiàn)探究精神極端情況下，即使是教師一個(gè)人演獨(dú)角戲，也能讓學(xué)生對(duì)科學(xué)探究有所體會(huì)。關(guān)鍵是教師要把自己扮成學(xué)習(xí)者的角色，并且要剖析自己，把自己的思維過(guò)程展示給學(xué)生。這就要求教師研究學(xué)習(xí)時(shí)的思維特點(diǎn)。怎樣研究？當(dāng)然應(yīng)該多和學(xué)生談話(huà)，但更重要的方式是教師自己要不斷學(xué)習(xí)，不斷學(xué)習(xí)新的物理知識(shí)、新的數(shù)學(xué)方法。這樣做的目的不在于增加了多少新知識(shí)，而是要教師不斷地體驗(yàn)、重溫和享受學(xué)習(xí)的過(guò)程，保持對(duì)未知事物的新鮮感和激動(dòng)的心情。新課程的理念不是憑空而來(lái)的，科學(xué)探究活動(dòng)也不是這次課改才出現(xiàn)的，它是多年來(lái)投身課程改革的同志一直追求的東西?？茖W(xué)過(guò)程、情感態(tài)度價(jià)值觀方面的教育，啟發(fā)學(xué)生積極參與，以及探究精神、實(shí)踐意識(shí)，正是多年來(lái)中國(guó)教育學(xué)會(huì)物理教學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)和中國(guó)物理學(xué)會(huì)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)所倡導(dǎo)的。兩個(gè)學(xué)會(huì)各種競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)的成果，都是與新課程的精神一致的?？梢哉f(shuō)，這些年來(lái)投身改革的同志們走在了課程改革的前面，是他們的思考和實(shí)踐催生了新課程！皮連生著：智育心理學(xué)，人民教育出版社1996年4月第1版。九年義務(wù)教育三年制初級(jí)中學(xué)教科書(shū)物理（第一冊(cè)），人民教育出版社2001年3月第1版第103頁(yè)。義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理（九年級(jí)），人民教育出版社2001年12月第1版第10頁(yè)。義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理（九年級(jí)），人民教育出版社2001年12月第1版第10頁(yè)。全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿），北京師范大學(xué)出版社2001年7月第1版第1011頁(yè)；普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)），人民教育出版社2003年4月第1版第1011頁(yè)。6普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)