探究式教学的要求

第二节　探究式教学的要求

根据本章第一节中我们对科学探究和探究式教学的理解，这里的科学探究指的应该是探究式教学。关于科学探究的要求，在《物理课程标准》及其解读读本中都有比较详尽的说明，这里就不再重复了，只是根据高中物理教学的具体实际，就理论探究以及如何在课堂教学中培养学生提出问题和经历假设过程，提出参考性建议。

一、不能忽视理论探究

探究的内容是丰富的，形式也是多种多样的，在物理课程中虽然大多数探究活动需要用实验进行，但也有不少探究活动属于理论探究，这种探究活动与数学课中的大多数探究活动十分相似。理论探究在高中物理课程中也具有重要的意义，应予以重视。

【案例1】在研究重力势能时，我们可设计出如下的探究活动：

（1）提出问题。

教师提出问题：重力势能的大小与什么因素有关？

（2）建立假说。

教师：同学们可以根据已有的知识和经验，大胆地进行假设。

在教师的引导下，学生通过相互讨论，自己建立假说。

学生A：与物体所处的高度有关。因为：①物体由于被举高而具有的能叫做重力势能（学生原有知识）。②放在地面上的石块没有杀伤力，而放在高处的石块，如果掉下来是很危险的（学生凭生活经验和生活感受）。

学生B：与物体的质量有关。同体积的棉花团和小石块从同一高度落下，小石块的杀伤力大。因为石块密度比棉花大，在相同体积的情况下，石块的质量大（学生经验和原有知识）。

学生C：与物体的质量和高度都有关。因为同一物体从不同高度落下时，物体从越高的地方落下，其杀伤力越大；物体从同一高度落下时，质量越大的物体，其杀伤力越大（学生经验）。

学生D：……

（3）检验假说。

教师对学生的猜测进行评价，并对学生的探究方向进行引导。

教师：大家的猜测都有一定的道理，但缺乏足够的依据。我们需要更充分的理由和更可靠的依据，同时也希望得到更精确的结论。如果我们能够推导出重力势能与它的质量和高度的定量关系式，这个问题就一目了然了。

功是能的转化量度，做了多少功就有多少能发生转化。教师要很好地引导让学生充分利用这个已知知识，设计推导方法。学生推导如下：

质量为m的物体放在水平地面上，现将其匀速举高到距地面高为h处。

根据二力平衡知，这个向上举物体的力的大小应等于物体的重力大小，即F＝mg。

根据功的定义，力F对物体做的功是W_F＝F·h＝mgh。

由于物体匀速被举高，所以动能不变，力F对物体所做的功全部用于增加物体的重力势能，如果假定地面的重力势能为零，则离地面高为h处的重力势能为W_P＝W_F＝mgh。

（4）得到结论。

教师：由上面的表达式可以看出，物体的质量越大，高度越高，它的重力势能就越大。上述过程虽然没有实验设计和实验检验等环节，但学生同样经历了提出问题、建立假说、检验假说、得到结论等过程，在学习过程中，学生始终处于自主探究和积极思维之中，这样的学习也属于探究式学习的范畴。在高中物理中：①将物体抛出后，抛射距离与什么有关？②物体的动能与什么有关？③推铅球时，为什么要滑步？④两个电阻并联后，其总电阻与分电阻之间的关系如何？⑤用电高峰时，为什么照明灯一般会暗些？……这些问题都可以设计成这种理论探究的教学形式进行教学。

在探究式教学的具体实施中，应把重点放在提出问题、建立假设上。这是因为，一方面，传统的教学过于注重知识传授，对提出问题和建立假说重视不够：另一方面，问题是探究的起点。没有问题就没有探究，而发现问题是提出问题的前提，只有发现了问题，才可能提出问题。而假设可以启发我们应当设计怎样的实验和获取哪些信息，它是连接探究问题和实验的一座桥梁。我们可以将探究问题、原有知识和经验、现有知识、实验设计之间的关系表述为一个循环的过程，在其中，假设虽然不是结果，但它却是探究的中心。

二、创设问题情境

《物理课程标准》对提出问题的能力列出了两点要求：一是“能发现与物理学有关的问题”；二是“从物理学的角度明确地表述这些问题”。所以，在高中的物理教学中，为了充分发展学生提出问题的能力，一方面要让学生养成仔细观察的习惯，善于捕捉新现象；另一方面要让学生不断地把新现象和自己的认知相联系，增强质疑意识。

发现问题、提出问题并不是那么神秘，尤其是对于高中学生，我们不要求他们提出的问题像科学家们提出的那样有预见性和前瞻性，甚至推动人类社会进步和发展，在高中阶段倡导探究式教学的目的是要让学生养成探究的习惯。只要学生有体验、有实践，就会提出相应的问题。例如，学生骑自行车上学，当快速行驶时，明显感觉到有空气阻力（学生发现问题）；进而会想：为什么会这样呢？（提出问题）虽然这个问题提得很简单，但毕竟提出了问题。他也可能更进一步地提出：物体运动时所受到的空气阻力与哪些因素有关呢？

在基于课堂的探究式教学中，教师根据具体的教学内容、预先设定的教学目标，创设合理的物理情境，是学生发现问题和提出问题的关键。一个好的情境，能引发学生发现、提出一系列有价值的问题。有价值的问题常常来自于问题背景中的有关质疑。

那么，在基于课堂的探究式教学中，怎样引导学生发现和提出问题呢？在创设的问题情境中有什么样的要求呢？

1.提出的问题要明确。

问题的提出可以是由教科书直接提出，也可以由教师提出、学生提出，或师生共同讨论后提出。但不管是谁提出，都要保证提出的问题明确，不能模棱两可、含糊其辞、不着边际地随便提一个“为什么”、“是什么”或“有什么”当作提出问题。例如，在介绍光的反射定律时，有教师这样进行教学：光在反射时遵循什么样的规律呢？（让学生丈二和尚摸不着头脑）或者提问：反射角与入射角有什么样的关系呢？（是大小关系、因果关系还是其他？问题并不明确）其实，在教学中我们可以这样处理：

（1）请同学们动手做一个小实验，用激光手电筒将光线斜射到平面镜上，观察光线从什么方向射出。（动手实验，观察实验现象，创设具体的问题情境）

（2）将观察到的光路大致地在纸上画出（如下图中的光线①）。（用作图的方法描述实验现象，使问题更加具体）

（3）教师在这时向学生提出问题：对于同一束入射光线来说，反射光线可以是上图中的光线②、③或其他吗？光在反射时有没有规律可循？

在上述例子中，现象是由学生发现的，问题是由教师提出来的，但教师在提出问题时创设了一个并不难的物理情境，使问题更加贴近学生的认知水平，问题的提出也顺其自然，能引起学生的思考，激发探究兴趣，而且问题非常明确，即同一束入射光线斜射到平面上，其反射光线的走向如何？有无规律可循？

2.给出的实验现象要明显。

探究源于问题，而问题源于观察。所以，在高中阶段，教师有必要对一些探究的物理问题，提供必要的问题情境，创设合理的、具体的物理情境，展示出明显的物理现象，让学生想有所想、思有所思、说有所说、做有所做，在观察和体验后有所发现、有所联想，萌发出科学问题。在创设问题情境时，必须保证给出的实验现象明显，否则学生像看魔术一样，热闹过后一无所获，这不利于学生发现并提出问题，阻碍探究教学的顺利进行。

例如，为了研究轻、重物体下落的快慢与什么因素有关，教师创设了情境，让表面积相同的一枚硬币和一张纸片从同一高度无初速度地释放（必要时可以重复实验）。请同学们仔细观察，看看有什么发现并提出相应的问题。

这个情境要创设得非常好，要求纸片要薄、柔软，不能太硬，另外纸片要平放，不能竖放，否则现象不明显，不利于学生观察，进而影响问题的提出。解决了这样一个小问题，学生观察到的不仅仅是下落快慢问题，还有另外两个问题。观察后学生们发现：①物体都向下落到地面。②硬币先着地，纸片后着地。③硬币直线落下，纸片落下的路径是弯弯曲曲的。

在现象的基础上，学生可以提出三个相应的问题：①为什么松手后物体总是向下运动而不会向上运动？②为什么硬币下落得快，而纸片下落得慢？③为什么硬币做直线运动，而纸片做曲线运动？更进一步还可以提出：物体下落快慢与哪些因素有关？物体做直线运动和曲线运动有相应的条件吗？

由此可见，在课堂教学中，提供明显的实验现象，对发现问题、提出问题，尤其是提出高质量的问题，是非常重要的。

3.学生的观察要引导。

《物理课程标准》要求让学生养成仔细观察的习惯，善于捕捉新现象。在同一个问题情境中，有些现象是隐藏的，有些是显现的，有时只有一个现象发生，有时有多个现象同时发生。所以在教学中，我们要有耐心引导学生进行观察，由单一的观察到全面的观察，由表层的观察到深层的观察。例如，在研究共振时，我们经常会让学生进行下面的观察：在一根张紧的绳上挂上几个单摆，其中A、B、G的摆长相等。当A摆振动时，问学生观察到什么现象。学生观察到较浅显的现象，即其他各摆随着A摆的振动也慢慢地摆动起来了。还有其他多个现象虽然明显。但学生往往容易忽略。此时，教师要有针对性地作些提示和引导，如：①各个摆的振动快慢与A摆的振动快慢有什么关系？②哪几个摆的振幅最大？这几个摆与A摆的摆长有什么关系？③能否观察到某一时刻，各个摆同时向一个方向摆动的情况？（这里涉及动量守恒问题，可以为以后动量守恒的教学提供一个实例分析）

对于理论探究，教师要为学生提供丰富的背景材料，使材料内容尽可能与学生的原有知识发生作用，让学生从中发现并提出问题。

探究的内容是丰富的，形式是多样的，创设的问题情境也要与之相适应。

三、经历假设过程

牛顿第一定律是在伽利略假设的理想实验的基础上，经过抽象思维归纳出来的；爱因斯坦在提出光子假说的基础上，圆满地解释了光电效应：玻尔在提出三条假设的基础上，成功地解释了氢光谱的规律……纵观物理学发展史，许多物理学家在研究物理现象，探索未知世界时。往往科学地提出一些假设，然后利用已知的物理规律进行分析推理，从而获得对未知世界的正确认识。由此可见，假设是研究物理学的一种重要的思想方法。

假设不仅是科学思维的一种方式，而且也是人们在日常生活中经常使用的一种思维方式。请看下面日常生活中的例子。

某天中午，你在房间看书时，突然电风扇不转了。你的头脑里肯定会出现这样一个问题：是什么原因导致电风扇不转了呢？

你可能会看看家中的电源总闸情况。你做出这个行动其实是基于这样一个假设：可能是家里的电源总闸跳了。当你发现电源总闸没有跳时，你否定了刚才的假设。

然后，你可能将与电风扇连接的插头插到另一个插座上去试试看。你做出这个行动其实基于另一个假设：可能电风扇的电线插头与插座接触不良。当你发现把插头插到另一个插座时，电风扇也不转，你会否定这个假设，而另寻其他的原因。

这种根据一定的事实和已有知识对事物或现象之间的因果性、规律性作出的尝试性解释就是假设。其基本思维过程就是根据所观察、发现的事实，调动原有的知识和经验，对该事实的成因或结果作出推测，进行解释的过程。

假设是一种思维方式，由于它的产生，可以直接从探究的问题陈述中产生，也可以从大量的观察、资料的搜集和分析材料中推断产生，所以在高中物理教学中。教师在组织、引导学生进行探究式教学的过程中，要重点考虑：①选取恰当的事例，充分调动学生原有的知识和经验，对新事物作出相应的假设，掌握假设的基本方法。②提供必要的辅助资料，让学生经历依据一定的事实进行假设的过程，进而明白“假设”不是毫无根据的“瞎猜”。下面通过下表中的几个例子来了解假设的一般过程与方法。

上面的几个例子虽然简单，但都具备了假设的基本特征。在教学过程中，教师要让学生明白假设是依据一定的事实而进行的一种思维活动，不是凭空想像、胡乱猜测。

科学家的假设往往需要实验的检验或能解释一些现象，而中学物理教学中的假设，其结论往往是已知的，教师的主要任务和目的是让学生经历假设的过程，掌握假设的方法，培养假设的能力。在高中物理教学中，教师要根据具体教学内容，有意识地引导学生进行假设思维的训练和形成，并注意假设能力的形成要循序渐进，逐步培养。