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，無論在初中還是在高中，科學(xué)領(lǐng)域的各門課程都十分強調(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)了一些問題。今天，我們反思幾年來的研究和實踐，對科學(xué)課程中的科學(xué)探究有了更深刻的認識。本文以中學(xué)物理課程為例，對科學(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，強調(diào)學(xué)生自己不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，在這個過程中獲取知識、體會科學(xué)方法、受到情感態(tài)度價值觀的熏陶。目前對這點已經(jīng)取得共識。第二，科學(xué)探究本身也是學(xué)習(xí)的內(nèi)容。平常所說的知識包括了陳述性知識和程序性知識，怎樣進行科學(xué)探究是一種程序性知識，以前我們對這類知識的學(xué)習(xí)不夠重視。在科學(xué)課程的學(xué)習(xí)中，學(xué)生要通過對探究過程的反復(fù)體驗，學(xué)會怎樣進行科學(xué)探究。這在過去強調(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)整個課程中的所有內(nèi)容。這點尤為重要。例如，實驗儀器的使用規(guī)則，雖然不是自然規(guī)律，但也可以通過科學(xué)探究來學(xué)習(xí)。有一種說法，認為學(xué)習(xí)這類內(nèi)容時不能進行探究，只能嚴格要求，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，儀器的使用規(guī)則都是有道理的，學(xué)生應(yīng)該通過自己的探究來學(xué)習(xí)這些道理。天平的學(xué)習(xí)就是一例。在過去的教學(xué)中，教師生硬地告訴學(xué)生使用托盤天平的三個步驟和要注意的兩點，可以不講任何道理，學(xué)生只要記住了、照著做，就算達到要求了。按照新課程的理念，學(xué)生完全可以通過科學(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稱量橡皮、鉛筆的質(zhì)量來學(xué)習(xí)天平的使用方法。學(xué)習(xí)過程中要一邊操作一邊思考下面幾個問題。天平應(yīng)水平放置。你所用的天平有沒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。每臺天平都有平衡螺母，用來調(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)該向哪個方向旋動平衡螺母？你的砝碼盒中最小砝碼的質(zhì)量是多少？實際上，天平還能夠分辨出比它更小的質(zhì)量，這時就要靠游碼了。游碼相當于一個“秤砣”，它每向右移動一格，就等于在右盤中增加一個很小的砝碼。在你的天平上，一個這樣的小格相當于多大質(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，要求把待稱的物體放到左盤，在右盤中增減砝碼。為什么要這樣做？關(guān)于天平的使用，你認為還應(yīng)該注意什么問題？2當然，涉及人身和器材安全的問題應(yīng)該作為強制性要求，但即使對于這些要求，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準指出了科學(xué)探究的幾個要素?！耙亍辈煌凇碍h(huán)節(jié)”。一個過程缺少必要的環(huán)節(jié)就會中斷；而課程標準指出的要素是科學(xué)探究的標志，一個具體的教學(xué)過程只要具有一兩個這樣的要素，它就有了探究性。也就是就，學(xué)習(xí)時的科學(xué)探究不一定是“完整”的。例如，在引入強相互作用時，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，原因可能是什么？教師提出這個問題，學(xué)生自然會想：“對呀，同性相斥啊可能除了庫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”這小段教學(xué)過程也許只有一兩分鐘，但它包含了提出問題、猜想與假設(shè)以及極其簡單的分析。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，這種互動就是一段科學(xué)探究。又如，在學(xué)過勻速圓周運動之后，學(xué)生對以下問題的研究也是科學(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。地面上有一輛汽車沿著赤道行駛。根據(jù)前面的分析，汽車速度越大，地面對它的支持力就越小。會不會出現(xiàn)這樣的情況：速度大到一定程度時，地面對車的支持力是零？這時駕駛員與座椅之間的壓力是多少？他這時可能有什么感覺？學(xué)生在拱形橋的問題中已經(jīng)知道，半徑越小時車對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)，車就要開得很快。要多快呢？其實學(xué)生已經(jīng)掌握解決問題的工具了這個問題是教師提出來的，學(xué)生根據(jù)解決拱形橋問題的經(jīng)驗，可以做出有很大把握的猜想，然后沿這個方向進行數(shù)學(xué)推理和分析，得出準確的結(jié)論。這是一個很好的科學(xué)探究過程。實際教學(xué)中最難把握的是提出問題這個要素。學(xué)生提的問題五花八門，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)象或過去的知識找出矛盾或疑問，把它清晰地表述出來，這是一個很好的教學(xué)習(xí)慣。教師經(jīng)常這樣做，時間久了學(xué)生也就自然而然地這樣做，遇到相似的場景時會不自覺地在心里產(chǎn)生疑問，于是就形成了提出問題的習(xí)慣，也就逐漸學(xué)會了怎樣提出問題。我們強調(diào)這樣的教學(xué)過程，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)上不同于不負責(zé)任的亂說，它是根據(jù)不充分的事實3或不嚴格的推理得出的不太可靠的結(jié)論。在上面例1中，我們得出一個猜想存在著另外一種相互作用，根據(jù)的是庫侖力的性質(zhì)和二力平衡的知識。但是，它仍然只是一個猜想，不是科學(xué)的結(jié)論，因為我們不能排除另外的許多可能：兩個質(zhì)子之間只有庫侖力的作用，但庫侖定律在很小的距離上不適用；或者不同探究過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)實際上已經(jīng)是對問題的定性分析，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?？梢哉f，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，是基于我們對科學(xué)過程的理解：科學(xué)定律不是根據(jù)有限的（盡管可能是大量的）事實歸納出來的，新知識的建立常常不在于實驗證據(jù)的多寡，而在于研究者的洞察力。科學(xué)中的重大發(fā)現(xiàn)是這樣，日常生活與工作中的新認識、新見解也是這樣。新的高中物理課程包括了狹義相對論的少量內(nèi)容。這樣做的主要目的是使學(xué)生在狹義相對論的學(xué)習(xí)中再一次體會科學(xué)探究的過程，即人們認識世界的下述過程。學(xué)生在大致了解幾個關(guān)于“光速不變”的實驗后發(fā)現(xiàn)了矛盾（提出問題），在此基礎(chǔ)上提出了“光速不變”原理和狹義相對性原理（猜想與假設(shè)）。盡管麥克耳孫實驗和其他幾個實驗及天文觀測表明，光速不依賴于觀察者與光源之間的相對速度，但這只是有限的幾件事實，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)；至于狹義相對性原理，也只是因為“沒有發(fā)現(xiàn)違背這個原理的事實”，也屬于猜想與假設(shè)的范疇。在這兩個猜想與假設(shè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過邏輯推理得出了同時的相對性，進而得出長度的相對性和時間間隔的相對性（分析與論證）。最后介紹對宇宙射線中子計數(shù)的解釋、狹義相對論的宏觀驗證，并簡單提到它在粒子物理中的應(yīng)用。這段教學(xué)要使學(xué)生體會認識世界的如下過程。實驗或觀測事實（或直接經(jīng)驗）猜想與假設(shè)（兩個基本原理）邏輯分析（數(shù)學(xué)推理）可檢驗的結(jié)論在這個案例中，兩個原理具有很大的不確定性，只有得出的大量結(jié)論都與事實一致時，才能說當初的猜想與假設(shè)在一定的條件下是正確的。新高中課程還要求極簡單地介紹廣義相對論。廣義相對論的猜想與假設(shè)的不確定性就更大了。與它們相比，課堂實驗中關(guān)于導(dǎo)體中的電流與它兩端電壓關(guān)系的實驗結(jié)論，其不確定性就小得多，但仍是個假設(shè)，因為后來發(fā)現(xiàn)它對半導(dǎo)體導(dǎo)電和氣體導(dǎo)電并不適用。我們只能說，對于金屬導(dǎo)體，這個猜想與假設(shè)發(fā)展成了歐姆定律。以上分析有助于打破我們對于科學(xué)探究的狹隘認識。學(xué)習(xí)中無論是極不確定的想法，還是似乎板上釘釘?shù)膶嶒灲Y(jié)果，其實都是科學(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)探究不一定都要動手做實驗實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ)，這是從整體上說實驗推動了物理學(xué)的發(fā)展，而絕不是說，物理學(xué)中的每一個規(guī)律都“應(yīng)該”或者“可以”直接由實驗總結(jié)出來。明確了這個認識以后，在學(xué)習(xí)過程中我們就敢于確認：包含了科學(xué)探究的若干要素，但不包含學(xué)生實驗或演示實驗的教學(xué)過程，也是科學(xué)探究。例如，在學(xué)過了功和能的關(guān)系，經(jīng)歷了動能、重力勢能的定量表述過程之后，學(xué)生可以探究彈性勢能4的表達式。在這個探究過程中，學(xué)生可以根據(jù)過去研究動能和重力勢能的經(jīng)驗來確定探究的方向，即通過彈力做功來探討彈性勢能的表達式；然后分析彈力與重力的相似點和不同點，初步猜想彈性勢能應(yīng)該隨彈簧伸長的增加而增加，還應(yīng)該隨勁度系數(shù)的增加而增加；最后通過定量的分析與論證得到所求的表達式。這個過程包含了提出問題、猜想與假設(shè)、分析論證等要素，還可以包含評估、交流與合作等要素，因此，盡管沒有設(shè)計實驗、進行實驗等要素，它也是一個科學(xué)探究的過程。實際上，前面例2、例3也是不包含實驗的科學(xué)探究過程。沒有實驗的教學(xué)過程也可以是科學(xué)探究，明確了這一點能使我們解放思想、放開眼界，克服教學(xué)時科學(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科學(xué)教育中輕視實踐、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)中可以通過多種形式體驗科學(xué)探究過程。對于某些內(nèi)容，教師可以按歷史的發(fā)展展開教學(xué)，使學(xué)生從前輩大師的工作中體會科學(xué)探究。例如，能量子概念的教學(xué)，可以沿這樣的線索展開：冶金工業(yè)促進了黑體輻射問題的研究用經(jīng)典電磁理論解釋實驗規(guī)律難以解決的矛盾普朗克能量子的假設(shè)數(shù)學(xué)推理與實驗事實的對照在這個例子中，提出問題、猜想與假設(shè)、分析論證的要素都是十分突出的，實驗所起的作用也十分明顯。伽利略對自由落體運動的研究11是另一個好例子?？茖W(xué)探究的過程還可以是師生討論的過程。例4：課堂實例為公式x=v0t+21at2的導(dǎo)出做準備12老師拿來了一位往屆同學(xué)所做的“探究小車的運動規(guī)律”的測量記錄（見下表），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幾個位置的瞬時速度。原始的紙帶沒有保存。位置編號012345時間t/s00.10.20.30.40.5速度v/(ms-1)0.380.630.881.111.381.62以下是關(guān)于這個問題的討論。老師：能不能根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，用最簡便的方法估算實驗中小車從位置0到位置5的5位移？學(xué)生A：能?？梢杂孟旅娴霓k法估算x0.380.10.630.10.880.11.110.11.380.1學(xué)生B：這個辦法不好。從表中看出，小車的速度在不斷增加，0.38只是0時刻的瞬時速度，以后的速度比這個數(shù)值大。用這個數(shù)值乘以0.1s，得到的位移比實際位移要小。后面的幾項也有同樣的問題。學(xué)生A：老師要求的是“估算”，這樣做是可以的。老師：你們兩個人說得都有道理。這樣做的確會帶來一定誤差，但在時間間隔比較小、精確程度要求比較低的時候，可以這樣估算。要提高估算的精確程度，可以有多種方法。其中一個方法請大家考慮：如果當初實驗時時間間隔不是取0.1s，而是取得更小些，比如0.06s，同樣用這個方法計算，誤差是不是會小一些？如果取0.04s、0.02s誤差會怎樣？歡迎大家發(fā)表意見。這段教學(xué)過程包含了科學(xué)探究的多個要素，學(xué)生參與了討論（不論是否有發(fā)言的機會），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)該貫穿于整個學(xué)習(xí)過程，教師要想盡一切方法調(diào)動學(xué)生探求新知識的積極性，而不是讓學(xué)生被動地吸收知識，這樣就體現(xiàn)了新課程的探究精神。我們不宜說某節(jié)課是科學(xué)探究課，某節(jié)不是；也不宜說某個教學(xué)活動是，某個不是?？茖W(xué)探究要滲透到全部教學(xué)活動中。不同的學(xué)習(xí)條件下都能進行科學(xué)探究，但探究的形式可能不同。實驗設(shè)備少，難以進行學(xué)生分組實驗時，可以用演示實驗代替，只要教師示范性地提出問題、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，即使是教師一個人演獨角戲，也能讓學(xué)生對科學(xué)探究有所體會。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，把自己的思維過程展示給學(xué)生。這就要求教師研究學(xué)習(xí)時的思維特點。怎樣研究？當然應(yīng)該多和學(xué)生談話，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、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，而是要教師不斷地體驗、重溫和享受學(xué)習(xí)的過程，保持對未知事物的新鮮感和激動的心情。新課程的理念不是憑空而來的，科學(xué)探究活動也不是這次課改才出現(xiàn)的，它是多年來投身課程改革的同志一直追求的東西?？茖W(xué)過程、情感態(tài)度價值觀方面的教育，啟發(fā)學(xué)生積極參與，以及探究精神、實踐意識，正是多年來中國教育學(xué)會物理教學(xué)專業(yè)委員會和中國物理學(xué)會教學(xué)指導(dǎo)委員會所倡導(dǎo)的。兩個學(xué)會各種競賽中獲獎的成果，都是與新課程的精神一致的?？梢哉f，這些年來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)教育三年制初級中學(xué)教科書物理（第一冊），人民教育出版社2001年3月第1版第103頁。義務(wù)教育課程標準實驗教科書物理（九年級），人民教育出版社2001年12月第1版第10頁。義務(wù)教育課程標準實驗教科書物理（九年級），人民教育出版社2001年12月第1版第10頁。全日制義務(wù)教育物理課程標準（實驗稿），北京師范大學(xué)出版社2001年7月第1版第1011頁；普通高中物理課程標準（實驗），人民教育出版社2003年4月第1版第1011頁。6普通高中課程標準實驗