從物理課程看科學(xué)探究

1、從物理課程看科學(xué)探究這次課程改革中 ,無論是在初中還是在高中 ,科學(xué)領(lǐng)域的各門課程都十分強(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)了一些問題。今天 ,我們反思幾年來的研究和實(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)問題、解決問題 ,在這個(gè)過程中獲取知識(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。平常所說的知識(shí)包括了陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)

2、,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)生要通過對(duì)探究過程的反復(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)那么 ,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(rèn)為學(xué)習(xí)這類內(nèi)容時(shí)不能進(jìn)行探究 ,只能嚴(yán)格要求 ,即使不明白其中的道理也要記住這些規(guī)那么 ,否那么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)那么都是有道理的 ,學(xué)生應(yīng)該

3、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(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 ,就算到達(dá)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(gè)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)節(jié)才能使天平底座水平？·天平使用前要使橫梁平衡。橫梁指針指在什么位置表示橫梁平衡了？每臺(tái)天平都有平衡螺母 ,用來調(diào)整橫梁的平衡。你的天平的平

4、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？·你的砝碼盒中最小的砝碼質(zhì)量是多少？總質(zhì)量是多少？天平用游碼還能夠分辨更小的質(zhì)量。游碼相當(dāng)于一個(gè)“秤砣 ,它在標(biāo)尺上每向右移動(dòng)一格 ,就等于在右盤中增加一個(gè)更小的砝碼。在你的天平標(biāo)尺上 ,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？關(guān)于天平的使用 ,你認(rèn)為還應(yīng)該注意什么問題？當(dāng)然 ,涉及人身和器材平安的問題應(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、課堂中的探究要素往往是不齊備的物理課程標(biāo)準(zhǔn)指出了科學(xué)探究的七個(gè)要素。“要素不同于“環(huán)節(jié)。一個(gè)過程缺少必要的

5、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)過程只要具有一兩個(gè)這樣的要素 ,它就有了探究性。也就是說 ,課堂學(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)問題 ,學(xué)生自然會(huì)想：“對(duì)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(huì)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、猜測(cè)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

6、一段科學(xué)探究。又如 ,在學(xué)過勻速圓周運(yùn)動(dòng)之后 ,學(xué)生對(duì)以下問題的研究也是科學(xué)探究。例3 思考與討論。地球可以看做是一個(gè)巨大的拱形橋 ,橋面的半徑就是地球半徑。地面上有一輛汽車沿著赤道行駛。汽車速度越大 ,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？學(xué)生在解決拱形橋的問題中已經(jīng)知道 ,當(dāng)汽車速度一定時(shí) ,拱形橋的半徑越小 ,車對(duì)橋的壓力與重力之差越大 ,而地球的半徑很大 ,這種效應(yīng)應(yīng)該不明顯；但學(xué)生還知道 ,當(dāng)拱形橋的半徑一定時(shí) ,汽車的速度越大 ,車對(duì)橋的壓力與車的重力之差就越大 ,所以要在地

7、球上產(chǎn)生明顯的效應(yīng) ,車就要開得很快。要多快呢？其實(shí)學(xué)生已經(jīng)掌握解決問題的工具了這個(gè)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(yàn) ,可以做出有很大把握的猜測(cè) ,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)探究過程。實(shí)際教學(xué)中最難把握的是提出問題這個(gè)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)開展方向一致。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(shí)找出矛盾或疑問 ,把它清晰地表述出來 ,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)生也就自然這樣做 ,遇到相似的場(chǎng)景時(shí)會(huì)不自覺地在心里產(chǎn)生疑問 ,于是就

8、形成了提出問題的習(xí)慣 ,也就逐漸學(xué)會(huì)了怎樣提出問題。我們強(qiáng)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)慣張維善語 ,我們這樣做是在引導(dǎo)“批判性的思維 ,是在培養(yǎng)“疑心精神。三、猜測(cè)與假設(shè)的不確定性并不一樣科學(xué)的猜測(cè)與假設(shè)在本質(zhì)上不同于不負(fù)責(zé)任的亂說 ,它是根據(jù)有限的事實(shí)或不嚴(yán)格的推理得出的不太可靠的結(jié)論。例2中 ,我們得出一個(gè)猜測(cè)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(shí)。但是 ,它仍然只是一個(gè)猜測(cè) ,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測(cè)與假設(shè) ,它們的不確定

9、性并不一樣。上面例3中的猜測(cè)與假設(shè)實(shí)際上已經(jīng)是對(duì)問題的定性分析 ,不確定性很小；而例2中的猜測(cè)與假設(shè)那么有極大的不確定性 ,特別是中學(xué)生做出這樣的猜測(cè) ,更是如此?？梢哉f ,中學(xué)教學(xué)中的科學(xué)探究最應(yīng)該注意的就是猜測(cè)與假設(shè)這個(gè)要素 ,猜測(cè)與假設(shè)是創(chuàng)造性思維中最活潑的因素。這樣說 ,是基于我們對(duì)科學(xué)過程的理解：自然規(guī)律不是根據(jù)有限的盡管可能是大量的事實(shí)歸納出來的 ,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

10、的過程 ,即人們認(rèn)識(shí)世界的下述過程。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)了矛盾提出問題 ,在此根底上提出了光速不變?cè)砗酮M義相對(duì)性原理猜測(cè)與假設(shè)。盡管麥克爾遜實(shí)驗(yàn)和其他幾個(gè)實(shí)驗(yàn)及天文觀測(cè)說明 ,光速不依賴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測(cè)與假設(shè)；至于狹義相對(duì)性原理 ,也只是因?yàn)椤皼]有發(fā)現(xiàn)違背這個(gè)原理的事實(shí) ,也屬于猜測(cè)與假設(shè)的范疇。在這兩個(gè)猜測(cè)與假設(shè)的根底上 ,經(jīng)過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

11、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)世界的如下過程。實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)事實(shí)或直接經(jīng)驗(yàn)猜測(cè)與假設(shè)兩個(gè)根本原理邏輯分析數(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 ,只有得出的所有結(jié)論都與事實(shí)一致時(shí) ,才能說當(dāng)初的猜測(cè)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)論的猜測(cè)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)楹髞戆l(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 ,對(duì)于金屬導(dǎo)體 ,這個(gè)猜測(cè)與假設(shè)開展成了歐姆定律。以上分析有助于打破我們對(duì)于科學(xué)探究的狹隘認(rèn)

12、識(shí)。學(xué)習(xí)中無論是極不確定的想法 ,還是似乎板上釘釘子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ,其實(shí)都是科學(xué)探究中的猜測(cè)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)的根底 ,這是從整體上說實(shí)驗(yàn)推動(dòng)了物理學(xué)的開展 ,而絕不是說 ,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。明確了這個(gè)認(rèn)識(shí)以后 ,在學(xué)習(xí)過程中我們就敢于確認(rèn)：包含了科學(xué)探究的假設(shè)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(dòng)能、重力勢(shì)能的定量表述過程之后 ,學(xué)生可以探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式。在這個(gè)探究過程中 ,學(xué)生可以根據(jù)過去研究動(dòng)能和重

13、力勢(shì)能的經(jīng)驗(yàn)來確定探究的方向 ,即通過彈力做功來探討彈性勢(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) ,初步猜測(cè)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；最后通過定量的分析與論證得到所求的表達(dá)式。這個(gè)過程包含了提出問題、猜測(cè)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)探究過程。沒有實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程也可以是科學(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)的嘗試有助于改變

14、我國(guó)科學(xué)教育中輕視實(shí)驗(yàn)、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)中可以通過多種形式體驗(yàn)科學(xué)探究過程。對(duì)于某些內(nèi)容 ,教師可以按歷史的開展展開教學(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) ,可以沿這樣的線索展開：冶金工業(yè)促進(jìn)了黑體輻射問題的研究用經(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 ,提出問題、猜測(cè)與假設(shè)、分析論證的要素都是十分突出的 ,實(shí)驗(yàn)所起的作用也十清楚顯。伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研

15、究是另一個(gè)好例子。科學(xué)探究的過程還可以是師生討論的過程。例4 課堂實(shí)例為公式的導(dǎo)出做準(zhǔn)備：老師拿來了一位往屆同學(xué)所做的“探究小車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的測(cè)量記錄見附表 ,表中“速度v一行是這位同學(xué)用某種方法方法不詳?shù)玫降奈矬w在0、1、2、3、4、5幾個(gè)位置的瞬時(shí)速度。原始的紙帶沒有保存。以下是關(guān)于這個(gè)問題的討論。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)中小車從位置0到位置5的位移？學(xué)生A：能 ,可以用下面的方法估算。學(xué)生B：這個(gè)方法不好。從表中看出 ,小車的速度在不斷增加 ,038ms只是零時(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01s ,得到的位移比實(shí)際位移要小。后面的幾項(xiàng)也

16、存在同樣的問題。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(gè)人說得都有道理。這樣做確實(shí)會(huì)帶來一定誤差 ,但在時(shí)間間隔比擬小、精確程度要求比擬低的時(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01s ,而是取得更小些 ,比方006S ,同樣用這個(gè)方法計(jì)算 ,誤差是不是會(huì)小一些？如果取004S ,002S誤差會(huì)怎樣？歡送大家發(fā)表意見。這段教學(xué)過程包含了科學(xué)探究的多個(gè)要素 ,學(xué)生參與了討論不管是否有發(fā)言的時(shí)機(jī) ,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)過程 ,教師要想盡一切方法調(diào)動(dòng)學(xué)生

17、探求新知識(shí)的積極性 ,而不是被動(dòng)地吸收知識(shí) ,這樣就表達(dá)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(gè)教學(xué)活動(dòng)是 ,某個(gè)不是?？茖W(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題 ,啟發(fā)學(xué)生猜測(cè)這樣也能表達(dá)探究的精神。班上學(xué)生太多而難以討論 ,也能表達(dá)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 ,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)、新的教學(xué)方法。這樣做