在中学物理教学中推进研究性学习的实践

1 / 17 在中学物理教学中推进研究性学习的实践 摘要：本文讨论了研究性学习的目的、目标及内容。详细地叙述了我们实施的在中学物理教学中研究性学习实践的模式及具体的操作方式。我们的实践证明，在中学物理课堂教学中实施研究性学习是完全可行的。 关键词：研究性学习模式课题教学改革 研究性学习的含义，可以有广义和狭义两种理解。从广义理解，它泛指学生探究问题的学习，可以贯穿在各科、各类学习中。从狭义理解，它是指学生在教师指导下，从自生生活及社会生活中选择和确定研究专题，以类似于科 研的方式获取知识、应用知识、解决问题。我们所指的 “ 研究性学习 ” 是广义的，是依附于高中教材知识体系进行的探究性学习活动。 杭二中从 99 年开始招收省创新教育实验班，本着培养学生创新能力的目的，在教学中，我们大胆突破原有教学模式，在课堂教学中采用研究性学习的方法，取得了较好的效果。 一、为什么要进行研究性学习 实施以创新精神和实践能力为重点的素质教育，重要的着眼点是改变学生的学习方式 学生知识的获得、能力的提高、行为习惯的养成，归根2 / 17 到底是学生学习的结果。所以，学校教育需要关 注的重要问题是要让我们的学生形成怎样的学习方式。 在原有教育、教学条件下，许多学生的学习偏重于机械记忆、浅层理解和简单应用，仅仅立足于被动地接受教师的知识传授。这种学习方式十分不利于学生创新精神和实践能力的培养。针对这一状况，当前教学改革的一个重点是通过教学目标、内容和途径方法的调整，帮助学生改变原有的单纯接受式的学习方式，在开展有效的接受学习的同时，形成一种对知识进行主动探求，并重视实际问题解决的主动积极的学习方式。 在研究性学习的过程中，教师起了组织、指导作用，在时间安排上更多的是学 生的自主性、探索性学习活动。这样的教学活动显然与被动接受教师知识传输的学习方式不同，对于学生创新精神和实践能力的培养也较为有利。 二、研究性学习的目标 研究性学习的目标，总的来说是以下五个： 1、综合应用所学物理知识 在研究性学习的整个阶段，培养学生充分和恰当地运用所掌握和理解有关物理知识和原理的能力。 2、培养信息收集和处理能力 从认知心理学信息加工理论的角度看，学生开展学习的过程，实质上是信息处理过程。研究性学习过程中能有效地3 / 17 获取和利用各种科学 信息，并能分析研究过程中的思想、 方法和结果，用确切的科学语言加以完整和系统的表述。 3、掌握科学探索的方法，培养创新精神 研究性学习，能培养学生用较熟练地运用一整套科学研究方法进行探索，并把整个过程中各种有价值的想法结合起来，体现对科学方法的应用。 另外，研究性学习强调通过让学生自主参与、积极参与类似等科学家探索的活动，获得体验，逐步形成一种在日常学习与生活中喜爱质疑，努力求知的心理倾向。 4、使学生学会沟通和合作 现代科学技术的发展，都是人们合 作探索的结果，结合的人文精神弘扬也把乐于合作、善于合作作为重要的基石。学生在研究性学习中，总是在合作讨论中进行，这样可使学生在亲自体验中认识合作的重要性，也可使学生懂得尊重别人。 5、掌握科学的技能 如自己设计和有条理地实施一个有效和简单的研究课题，研究中进行细致和有目的的观测，并能对这种观测结果做出有科学分析的评估。 三、研究性学习的内容 目前，很多学校实施了教学内容主要以课外活动为主的4 / 17 研究性学习课程，获得了很大的成功。我们在实施研究性学习过程中，教学内容没有脱离课 堂知识的教学，教学内容以书本知识为基础。也就是说，我们学生的探究活动依附的知识体系是以高中物理教材中的内容为主。 四、教学模式 教学模式的流程如下： 特别需要强调的是，在我们的教学模式中，提出问题（课题）是由学生教师共同来进行的，因为我们认为，发现问题、提出问题是创造性思维的开始，是一种很重要的能力，要十分重视这种能力的培养。 五、研究性学习的课型实例 1、问题探究型 这类课型是非专题型的，是由学生在自学教材过程中发现问题、 提出问题，通过组织学生对问题的探究讨论，完成研究性学习。 比如在学生自学完牛顿定律、动量及动量守恒定理后，让学生提出问题，沈学挺同学提出：动能与动量有什么区别？为什么动量用 mv而不用（ mv） 3 表示？张宗杰同学提出：动量守恒定律是否在任何状态下适用？我认为并非任何状态下适用如：一对正电与负电子，作为一个系统，都有动量，5 / 17 但碰撞后湮灭，质量为 0，动量也为 0，动量不守恒，这如何解释？叶陶冶同学提出：是由动量守恒定理推出牛顿定律，还是牛顿定律推出动量守恒定律等等问题。 从这些问题中我们可以看到：在 提出问题前，学生对课本知识有一个比较深入的了解，在自学过程中，学生也看过一些参考书（不是指习题集之类的参考书），对整个知识体系有了一个较完整的认识，经过考虑，提出了一些问题：比如张宗杰同学提出的电子湮灭事实，他知道电子有质量有动量，一对正负电子动量可以不为零，生成光子后，他了解到光子无质量，由此推出光子无动量，并由此推出动量不守恒，但是有的参考书上指出动量守恒定律在任何时候都是守恒的，他感到很矛盾。这一问题一提出，学生们就开始讨论，最后，学生们认为：只有光子有动量和能量情况下，才能在这一过程中，动量动能都守 恒。最后，我告诉他们：光子有动量，也有能量。最后，教师可以向学生推荐一些有关书籍，让他们有一个深入学习的机会。 再看叶陶冶同学的问题：是由牛顿第二定律推出动量守恒定律，还是动量守恒定律推出牛顿第二定律？可以看出，她在问这一问题前，已经对整个力学知识体系有一个较清楚的认识。她问的这问题，归根到底是力、质量重要还是动量更重要？她对此有疑问。这一问题其实涉及整个物理学的基本概念问题，在经典物理中，以物体质量、力来展开物理学6 / 17 知识体系，而从现代物理的角度看，在描述物质运动与相互作用时，动量、能量的概念要比力 的概念基本得多。这时，可以向学生介绍一些现代物理知识，介绍一些现代物理知识书籍给学生去钻研。同时，以动量、能量为基本概念来展开整个力学知识体系，并向学生介绍有关内容。这样一讨论，一方面可从现代物理学角度来看经典物理学，又为经典物理开了一个窗口到现代物理学，有利于学生提高学习兴趣，提高他们的认识水平。 类似问题还有很多。通过对这样一些问题的讨论，一方面提高了学生自学能力，另一方面也可以提高学生对物理学知识的认识水平。 从实施的例子中，读者可看出实施的过程是： 布置自学 学生提问 课堂讨论 形成结论及评价。 这里涉及学习成果的评价标准，我们认为可以这样评价： 看学生问题的水平。比如：动量与冲量的区别是什么？这种常识性的问题就是低水平的。前面所讲：是牛顿定律推出动量守恒还是动量守恒推出牛顿定律？这应得到较高评价，因为这涉及到物理学基本量的问题。 看学生的认识有无提高，知识面有无扩展。 2、规律发现型 物理定律是物理学中的重要组成部分。如果将物理学比作一幢庄严雄伟的大厦，那么物理定律就是这幢大厦中的一7 / 17 根根柱子。 物理定律是人们通过对自然现象的研究，采用归纳、 分析、综合、类比、理想化、推理、演绎验证 .图线探索等多种科学方法进行加工、提炼得到的对自然规律的描述。 每一个定律的得到，经历了许多艰苦曲折的过程，而中学教材中对定理教学处理过于简单，使学生认为定律得出很容易。这样的定律教学 ,使学生得不到科学思想、科学方法的教育 .我们在教学中采用 “ 溯源法 ” ，在当年科学技术水平上，来学习和探讨某个定律是如何建立的，使学生在学习物理定律过程中，懂得如何用科学方法去探索无穷的新奥秘。 下面就是我们在教学中的两个教学实例。 （ 1）欧姆定律的教学 我们先把欧姆当年发明的电流扭力称的资料介绍给学生看，过一段时间 ,在他们看懂了的基础上，拿出欧姆当年的实验数据（数据附后）给学生研究（即使此时学生已学过欧姆定律，给他们讲要研究欧姆定律，他们一般也不会想到要得出的就是，他们会认为另有规律可找）。让学生在一定的时间里去研究这些数据的规律 .一般的学生都能在给予足够长的时间里给出数据的规律。这时候，再让学生总结一些处理数据的方法：（ 1）画物理量之间的（ x,y）图，根据图线规律，猜测 y x 关系，（ 2）把估计的关系式化成线性关8 / 17 系， y=kx+b，根据代换后的变量数据作 出 y-x 图，如得一直线，则就得出物理量之间的关系（如不是直线则再试），（ 3）最后再求出斜率和截距，就可以得出 y 和 x 的确切关系。 附欧姆当年的数据： 导线长度 L： 2， 4， 6， 10， 18， 34， 66， 134（英寸） 实验结果： 日期 序号 电流强度（用扭转角度表示） 8 日 1 326 300 277 238 190 134 83 48 11日 2 311 9 / 17 287 267 230 183 129 80 46 11日 3 307 284 263 226 181 128 79 44 15日 4 305 281 259 10 / 17 224 178 124 79 44 15日 5 305 281 258 223 178 124 78 44 数据规律： o=(1/k)/(b/k+L) （ 2）开普勒第三定律的教学 首先让学生从资料中查找出太阳系九大行星的轨道半径和绕日周期等数据，再让学生找出它们的规律。有了欧姆定律的学习，学生在查到有关数据后，很容易得出了 RT2/3 a1/R2（前者是开普勤第三定律，后者为万有引力平方反比关系）。 11 / 17 通过这两个定 律的教学，学生自然就明白了通常数据处理方法 .以后碰到一大堆实验数据也就不会感到无从下手了，他们会很自信地去处理这些数据，并最终找到关系。 这种教学方法比单纯地从书本中得出物理定律 ,一方面学生会感到有趣得多 ,另一方面 ,学生在处理数据后会有一种成就感 ,从而进一步激发他门的学习兴趣 . 3、实验课题研究型 实验课题研究对培养学生以创新能力的巨大作用，因为它本身就是一个从已知到未知的探知过程。 作为一种新的教学和评价方式，实验课题研究具有以下几方面的意义： 巩固和加 深对所学物理知识的理解与掌握。 全面培养学生发现问题，从实际中抽象出模型，并用一整套科学方法加以解决的能力。 全面培养学生科学地收集、处理、分析和表述有用信息的能力以及相互交流协作的态度。 培养学生对未知和不知事物和现象的好奇心和探求心，在解决问题的过程中培养学生克服困难，锲而不舍的精神，并从中获得一种意志、个性上的自我完善的满足感和愉悦感。 我们在创新班的教学中，也采用了这种教学方式。下面，就举一个例子，从中可以了解整个课程实施的过程。 12 / 17 首先，让学生 自己讨论提出课题，在学生提出的课题中，教师可以提供一些参考意见，经过学生讨论，最后，确定研究课题。学生所选的一个题目是在纸上划出的铅笔划线导电性能的研究。单从课题来看，就是测划线的电阻，但是这个电阻是多少，如何研究导电性能的方案却不太好确定。我们先把课题布置给学生，让学生利用课余时间去讨论，以便确定实验方案。 过了几天，把学生的实验方案收上来。我们仔细研究了学生的实验方案后，发现学生的实验方案各组不尽相同，有的是研究铅笔笔芯划痕电阻与划痕长宽厚的关系，有的是研究其电阻的热稳定性，又有的是研究铅 笔划线的电阻率与铅笔芯含碳量的关系，又有的是找出铅笔划线的平均厚度与铅笔划线电阻率的关系等。接着学生根据自己的实验目的，提出实验原理，根据实验原理找出所需实验仪器，并设计出实验方案。从学生的方案来看，学生是经过较长时间考虑的。接下来，让学生把每组同学的方案在班上进行讨论，接着再进一步完善。下面就两组学生的实验过程作一个分析。 甲组同学的方案及实验过程：他们取某一型号铅笔，先假设划线电阻及铅笔芯的电阻率与碳相同，然后估计划线的电阻，但他们在估计电阻时，发现很难确定划线厚度。所以，他们首先采用取一小段 铅笔，测出这一小段铅笔芯体积，在一张纸上把这一段笔芯全部涂上，并认为划线密度与铅笔芯13 / 17 的密度相同，则估算出划线厚度为 10-7m左右。这样他们就估计出了划线电阻。根据划线电阻，他们选择所需仪器 .如电源、电压表及电流表等。接着他们采用控制变量法 ,分别改变电压、划线宽度、厚度、长度和铅笔芯硬度来进行多次测量。得出各次测量电阻率在 10-3 10-4 国际单位左右，他们认为，他们已得出结论：对于铅笔划线 ,电阻定律也适用。 乙组同学的方案及实验过程 他们与甲组同学一样，先估计出划线电阻，再选择实验仪器 。但他们与甲组同学不同的是：他们认为划线电阻太大，而造成电流表很难选择，而选用伏安法则难以避免系统误差，故他们选用电桥法，刚开始，他们对器件要求过高，但我告诉他们学校所具备的仪器，他们最终选择了惠斯通电桥法。接着估算划线厚度，他们假设划线电阻率与石墨相同，再测划线电阻及长度、宽度，再估算厚度，发现厚度只有 10-8米左右，也就是只有不到 100层左右原子厚度，这看来是不可思议的。接着他们经过调查，铅笔并不全由石墨构成，铅笔芯中还混有黏土 ,所以他们认为石墨与铅笔芯电阻率不同，因此他再次测铅笔芯电阻率，发现两者确实 不同，故他们用测得的铅笔芯电阻率估算出了划线厚度。但他们还不放心：他们怀疑笔芯与划线电阻率不同。所以他们采用甲组同学方法测划线厚度。他们发现后来两次测得的划线厚度不一14 / 17 致，也就是笔芯与划线电阻率不同，而且划线电阻率比笔芯要大许多。他们采用不同型号铅笔重做以上的试验，划线电阻率总是比铅笔笔芯的电阻率大许多（ 1 个数量级）。他们认为采用硬度大的铅笔，划线密度与铅笔笔芯的密度有差异，也就是电阻率有差异，这个结论可以理解，但采用比如 6B铅笔笔芯，划线致密性与笔芯的密度相差不多，笔芯电阻率也应与划线相差不多，因此，他们想 到导线与划线的电连接问题。所以，他们对实验数据进行分析后认为，电连接处有电阻存在，如果考虑这一因素，电阻定律就能更准确得到验证。所以他们查阅有关电工学知识，发现两种材料在电连接时确有接触电阻存在，故此，他们恍然大悟，笔芯电阻率比划线的电阻率小是由于接触电阻的原因。接下来一切都顺理成章了，他们根据所测得的数据估计出接触电阻为 104欧姆数量级 从上面过程分析可以看出，实验课题研究的步骤如下： 提出课题并对所需解决的课题进行初步分析。 收集有关资料、信息。 设计实验研 究步骤。 选取必要的装置器材。 实施实验研究方案，保持观察记录，记下每个阶段的分析、思考，必要时对原方案进行修改。 对实验结果进行最终的分析评价。 15 / 17 最后，这里还涉及一个评价问题：从学生的实验过程来看，他们都取得了一定的成功，他们通过这一课题研究，对整个实验研究过程有了一个切身体会，对如何设计实验，如何调整实验方案等，有了一个很清楚的认识。这与原来的实验教学相比，无疑学生从中学到了更多的东西，对他们以后进行科学研究等实际工作有巨大的引导作用。当然，这两组实验也有不 同之处，第一组只是验证了电阻定律，而第二组同学在验证电阻定律的基础上，还发现了接触电阻，并测出了它的大小。这本身就是一个科学发现，因此，这一组应得到较高评价。 4、概念建构型 概念建构型学习方法主要通过理论性课题研究来建构概念。理论课题研究是我们最先开展的研究性学习方法。作为研究性学习，不仅仅是从实验中得出一些东西，也不仅仅是从课本中学到一些东西。理论课题研究，可以提高一些比较优秀的学生，严密的理论研究能力（包括逻辑推理能力，联想能力，查阅资料能力等），另一方面也可以使培养学生撰写论文的 能力。 我们做的第一个理论课题研究的题目是摩擦力的本质。有关摩擦力的本质，大多数课本包括大学课本都未涉及，所以大多数学生只知道摩擦力与电磁力有关，而确切的原因并不清楚。 16 / 17 这个研究课题布置后，教师先给学生几天时间，学生充分利用图书馆，电脑网络，新华书店等他们可以利用的资料来源，展开调查；另一方面，他们利用查到的有用资料，对摩擦力的本质进行思考推测想象。 在这期间，教师可以不定期向学生了解研究进展，如果有的学生找不到资料，教师