从物理课程看科学探究.doc

1从物理课程看科学探究张大昌（人民教育出版社北京100081）这次课程改革中，无论在初中还是在高中，科学领域的各门课程都十分强调学习中的科学探究，研究文章很多，许多教师在实践中做了各种形式的探索和尝试，取得了令人瞩目的成果，也出现了一些问题。今天，我们反思几年来的研究和实践，对科学课程中的科学探究有了更深刻的认识。本文以中学物理课程为例，对科学探究谈些看法。一、课程中的科学探究有三重意义第一，它是一种学习方法，强调学生自己不断发现问题、解决问题，在这个过程中获取知识、体会科学方法、受到情感态度价值观的熏陶。目前对这点已经取得共识。第二，科学探究本身也是学习的内容。平常所说的知识包括了陈述性知识和程序性知识，怎样进行科学探究是一种程序性知识，以前我们对这类知识的学习不够重视。在科学课程的学习中，学生要通过对探究过程的反复体验，学会怎样进行科学探究。这在过去强调得不够，应该引起重视。第三，科学探究还是一种精神。要用这种精神探索和研究自然规律，也要用这种精神学习整个课程中的所有内容。这点尤为重要。例如，实验仪器的使用规则，虽然不是自然规律，但也可以通过科学探究来学习。有一种说法，认为学习这类内容时不能进行探究，只能严格要求，即使不明白其中的道理也要记住这些规则，否则这些重要的要求在学生头脑中就不清晰，还可能损坏器材。其实，仪器的使用规则都是有道理的，学生应该通过自己的探究来学习这些道理。天平的学习就是一例。在过去的教学中，教师生硬地告诉学生使用托盘天平的三个步骤和要注意的两点，可以不讲任何道理，学生只要记住了、照着做，就算达到要求了。按照新课程的理念，学生完全可以通过科学探究学习这些内容。例1：想想做做天平的使用方法我们通过称量橡皮、铅笔的质量来学习天平的使用方法。学习过程中要一边操作一边思考下面几个问题。天平应水平放置。你所用的天平有没有检查天平底座是否水平的装置？应怎样调平？天平使用前要使横梁平衡。每台天平都有平衡螺母，用来调整横梁的平衡。你的天平的平衡螺母安装在什么位置？如果横梁的左臂偏高，应该向哪个方向旋动平衡螺母？你的砝码盒中最小砝码的质量是多少？实际上，天平还能够分辨出比它更小的质量，这时就要靠游码了。游码相当于一个“秤砣”，它每向右移动一格，就等于在右盘中增加一个很小的砝码。在你的天平上，一个这样的小格相当于多大质量的砝码？使用天平之前，应该使游码停留在什么位置？使用天平时，要求把待称的物体放到左盘，在右盘中增减砝码。为什么要这样做？关于天平的使用，你认为还应该注意什么问题？2当然，涉及人身和器材安全的问题应该作为强制性要求，但即使对于这些要求，学生也要明白它的道理。二、探究形式是多种多样的物理课程标准指出了科学探究的几个要素。“要素”不同于“环节”。一个过程缺少必要的环节就会中断；而课程标准指出的要素是科学探究的标志，一个具体的教学过程只要具有一两个这样的要素，它就有了探究性。也就是就，学习时的科学探究不一定是“完整”的。例如，在引入强相互作用时，下面的思考与讨论就是一种科学探究。例2：质子带正电，但质子（与中子一起）却能聚在一起构成原子核。根据你的推测，原因可能是什么？教师提出这个问题，学生自然会想：“对呀，同性相斥啊可能除了库仑力之外还存在另一种力，使得质子相互吸引，不然怎么会”这小段教学过程也许只有一两分钟，但它包含了提出问题、猜想与假设以及极其简单的分析。尽管学生不可能得出可靠的结论，但它具有科学探究的典型要素，这种互动就是一段科学探究。又如，在学过匀速圆周运动之后，学生对以下问题的研究也是科学探究。例3：思考与讨论地球可以看做一个巨大的拱形桥，桥面的半径就是地球半径。地面上有一辆汽车沿着赤道行驶。根据前面的分析，汽车速度越大，地面对它的支持力就越小。会不会出现这样的情况：速度大到一定程度时，地面对车的支持力是零？这时驾驶员与座椅之间的压力是多少？他这时可能有什么感觉？学生在拱形桥的问题中已经知道，半径越小时车对桥的压力与重力之差越大，地球的半径很大，这种效应应该不明显；但学生还知道，速度越大两力之差越大，所以要在地球上产生明显的效应，车就要开得很快。要多快呢？其实学生已经掌握解决问题的工具了这个问题是教师提出来的，学生根据解决拱形桥问题的经验，可以做出有很大把握的猜想，然后沿这个方向进行数学推理和分析，得出准确的结论。这是一个很好的科学探究过程。实际教学中最难把握的是提出问题这个要素。学生提的问题五花八门，有的虽然有意义，但未必与教学发展方向一致。因此，多数课题恐怕还是要由教师提出。这样做还是科学探究吗？还是。根据现象或过去的知识找出矛盾或疑问，把它清晰地表述出来，这是一个很好的教学习惯。教师经常这样做，时间久了学生也就自然而然地这样做，遇到相似的场景时会不自觉地在心里产生疑问，于是就形成了提出问题的习惯，也就逐渐学会了怎样提出问题。我们强调这样的教学过程，就是在“播种一种行为，收获一种习惯”，我们这样做是在引导“批判性的思维”，是在培养“怀疑精神”。三、不同问题中的猜想与假设，它们的不确定性并不一样科学的猜想与假设在本质上不同于不负责任的乱说，它是根据不充分的事实3或不严格的推理得出的不太可靠的结论。在上面例1中，我们得出一个猜想存在着另外一种相互作用，根据的是库仑力的性质和二力平衡的知识。但是，它仍然只是一个猜想，不是科学的结论，因为我们不能排除另外的许多可能：两个质子之间只有库仑力的作用，但库仑定律在很小的距离上不适用；或者不同探究过程中做出的猜想与假设，它们的不确定性并不一样。上面例2中的猜想与假设实际上已经是对问题的定性分析，不确定性很小；而例1中的猜想与假设则有极大的不确定性，特别是中学生做出这样的猜想，更是如此。可以说，中学教学中的科学探究最应该注意的就是猜想与假设这个要素，猜想与假设是创造性思维中最活跃的因素。这样说，是基于我们对科学过程的理解：科学定律不是根据有限的（尽管可能是大量的）事实归纳出来的，新知识的建立常常不在于实验证据的多寡，而在于研究者的洞察力。科学中的重大发现是这样，日常生活与工作中的新认识、新见解也是这样。新的高中物理课程包括了狭义相对论的少量内容。这样做的主要目的是使学生在狭义相对论的学习中再一次体会科学探究的过程，即人们认识世界的下述过程。学生在大致了解几个关于“光速不变”的实验后发现了矛盾（提出问题），在此基础上提出了“光速不变”原理和狭义相对性原理（猜想与假设）。尽管麦克耳孙实验和其他几个实验及天文观测表明，光速不依赖于观察者与光源之间的相对速度，但这只是有限的几件事实，难以得出一般性的规律，因此我们只能把它叫做猜想与假设；至于狭义相对性原理，也只是因为“没有发现违背这个原理的事实”，也属于猜想与假设的范畴。在这两个猜想与假设的基础上，经过逻辑推理得出了同时的相对性，进而得出长度的相对性和时间间隔的相对性（分析与论证）。最后介绍对宇宙射线中子计数的解释、狭义相对论的宏观验证，并简单提到它在粒子物理中的应用。这段教学要使学生体会认识世界的如下过程。实验或观测事实（或直接经验）猜想与假设（两个基本原理）逻辑分析（数学推理）可检验的结论在这个案例中，两个原理具有很大的不确定性，只有得出的大量结论都与事实一致时，才能说当初的猜想与假设在一定的条件下是正确的。新高中课程还要求极简单地介绍广义相对论。广义相对论的猜想与假设的不确定性就更大了。与它们相比，课堂实验中关于导体中的电流与它两端电压关系的实验结论，其不确定性就小得多，但仍是个假设，因为后来发现它对半导体导电和气体导电并不适用。我们只能说，对于金属导体，这个猜想与假设发展成了欧姆定律。以上分析有助于打破我们对于科学探究的狭隘认识。学习中无论是极不确定的想法，还是似乎板上钉钉的实验结果，其实都是科学探究中的猜想与假设。中学物理中几乎所有内容都应该按科学探究的方式学习。四、科学探究不一定都要动手做实验实验是物理学的基础，这是从整体上说实验推动了物理学的发展，而绝不是说，物理学中的每一个规律都“应该”或者“可以”直接由实验总结出来。明确了这个认识以后，在学习过程中我们就敢于确认：包含了科学探究的若干要素，但不包含学生实验或演示实验的教学过程，也是科学探究。例如，在学过了功和能的关系，经历了动能、重力势能的定量表述过程之后，学生可以探究弹性势能4的表达式。在这个探究过程中，学生可以根据过去研究动能和重力势能的经验来确定探究的方向，即通过弹力做功来探讨弹性势能的表达式；然后分析弹力与重力的相似点和不同点，初步猜想弹性势能应该随弹簧伸长的增加而增加，还应该随劲度系数的增加而增加；最后通过定量的分析与论证得到所求的表达式。这个过程包含了提出问题、猜想与假设、分析论证等要素，还可以包含评估、交流与合作等要素，因此，尽管没有设计实验、进行实验等要素，它也是一个科学探究的过程。实际上，前面例2、例3也是不包含实验的科学探究过程。没有实验的教学过程也可以是科学探究，明确了这一点能使我们解放思想、放开眼界，克服教学时科学探究中的形式主义。有些学科、有些教师所做的“做中学（handson）”的尝试有助于改变我国科学教育中轻视实践、轻视操作的倾向，但像任何教学方式一样，它也有一定的适用范围。不分学科、不分学段地一味强调在操作中学习，并不是这次课程改革的理念。五、科学探究的形式可以多种多样学习中可以通过多种形式体验科学探究过程。对于某些内容，教师可以按历史的发展展开教学，使学生从前辈大师的工作中体会科学探究。例如，能量子概念的教学，可以沿这样的线索展开：冶金工业促进了黑体辐射问题的研究用经典电磁理论解释实验规律难以解决的矛盾普朗克能量子的假设数学推理与实验事实的对照在这个例子中，提出问题、猜想与假设、分析论证的要素都是十分突出的，实验所起的作用也十分明显。伽利略对自由落体运动的研究11是另一个好例子。科学探究的过程还可以是师生讨论的过程。例4：课堂实例为公式x=v0t+21at2的导出做准备12老师拿来了一位往届同学所做的“探究小车的运动规律”的测量记录（见下表），表中“速度v”一行是这位同学用某种方法（方法不详）得到的物体在0、1、25几个位置的瞬时速度。原始的纸带没有保存。位置编号012345时间t/s00.10.20.30.40.5速度v/(ms-1)0.380.630.881.111.381.62以下是关于这个问题的讨论。老师：能不能根据表中的数据，用最简便的方法估算实验中小车从位置0到位置5的5位移？学生A：能。可以用下面的办法估算x0.380.10.630.10.880.11.110.11.380.1学生B：这个办法不好。从表中看出，小车的速度在不断增加，0.38只是0时刻的瞬时速度，以后的速度比这个数值大。用这个数值乘以0.1s，得到的位移比实际位移要小。后面的几项也有同样的问题。学生A：老师要求的是“估算”，这样做是可以的。老师：你们两个人说得都有道理。这样做的确会带来一定误差，但在时间间隔比较小、精确程度要求比较低的时候，可以这样估算。要提高估算的精确程度，可以有多种方法。其中一个方法请大家考虑：如果当初实验时时间间隔不是取0.1s，而是取得更小些，比如0.06s，同样用这个方法计算，误差是不是会小一些？如果取0.04s、0.02s误差会怎样？欢迎大家发表意见。这段教学过程包含了科学探究的多个要素，学生参与了讨论（不论是否有发言的机会），就是参与了科学探究。综上所述，科学探究是一种精神，它应该贯穿于整个学习过程，教师要想尽一切方法调动学生探求新知识的积极性，而不是让学生被动地吸收知识，这样就体现了新课程的探究精神。我们不宜说某节课是科学探究课，某节不是；也不宜说某个教学活动是，某个不是。科学探究要渗透到全部教学活动中。不同的学习条件下都能进行科学探究，但探究的形式可能不同。实验设备少，难以进行学生分组实验时，可以用演示实验代替，只要教师示范性地提出问题、启发学生猜想这样也能体现探究的精神。班上学生太多而难以讨论，也能体现探究精神极端情况下，即使是教师一个人演独角戏，也能让学生对科学探究有所体会。关键是教师要把自己扮成学习者的角色，并且要剖析自己，把自己的思维过程展示给学生。这就要求教师研究学习时的思维特点。怎样研究？当然应该多和学生谈话，但更重要的方式是教师自己要不断学习，不断学习新的物理知识、新的数学方法。这样做的目的不在于增加了多少新知识，而是要教师不断地体验、重温和享受学习的过程，保持对未知事物的新鲜感和激动的心情。新课程的理念不是凭空而来的，科学探究活动也不是这次课改才出现的，它是多年来投身课程改革的同志一直追求的东西。科学过程、情感态度价值观方面的教育，启发学生积极参与，以及探究精神、实践意识，正是多年来中国教育学会物理教学专业委员会和中国物理学会教学指导委员会所倡导的。两个学会各种竞赛中获奖的成果，都是与新课程的精神一致的。可以说，这些年来投身改革的同志们走在了课程改革的前面，是他们的思考和实践催生了新课程！皮连生著：智育心理学，人民教育出版社1996年4月第1版。九年义务教育三年制初级中学教科书物理（第一册），人民教育出版社2001年3月第1版第103页。义务教育课程标准实验教科书物理（九年级），人民教育出版社2001年12月第1版第10页。义务教育课程标准实验教科书物理（九年级），人民教育出版社2001年12月第1版第10页。全日制义务教育物理课程标准（实验稿），北京师范大学出版社2001年7月第1版第1011页；普通高中物理课程标准（实验），人民教育出版社2003年4月第1版第1011页。6普通高中课程标准实验