高中物理新课程中的科学探究.doc

高中物理新课程中的科学探究强调科学探究，培养学生从事科学探究的能力是我国基础教育课程改革的一个核心问题。1999年，中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定 指出智育工作要转变教育观念，改革人才培养模式，积极实行启发式和讨论式教学，激发学生独立思考和创新的意识，切实提高教学质量。要让学生感受、理解知识产生和发展的过程，培养学生的科学精神和创新思维习惯，重视培养学生收集处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力、语言文字表达能力以及团结协作和社会活动的能力。2001年，基础教育课程改革纲要进一步提出了基础教育课程改革的目标，指出：“改变课程实施过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力” 同年，教育部颁布了我国全日制义务教育物理课程标准。该标准提出，义务教育物理课程“应改变过分强调知识传承的倾向，让学生经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的探索精神、实践能力以及创新意识。改革以书本为主、实验为辅的教学模式，提倡多样化的教学方式，鼓励将信息技术渗透于物理教学之中。” 该标准同时提出了我国全日制义务教育阶段，学生通过物理课程的学习在科学探究能力上应该达到的要求。2003年，教育部颁布了我国普通高中物理课程标准。提出高中物理课程应促进学生自主学习，让学生积极参与，乐于探究，勇于实验，勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。该标准对高中阶段物理课程在培养学生科学探究及物理实验能力方面提出了进一步的要求。至此，继义务教育物理课程改革之后，科学探究成为我国普通高中物理课程改革的一个核心问题。一、高中物理课程对科学探究能力的要求在高中物理课程中，科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式之一。高中物理是普通高中科学学习领域的一门基础课程，旨在进一步提高全体高中学生的科学素养。高中物理课程将科学探究及物理实验能力视为高中生科学素养的一个重要部分，提出了明确的目标要求。同时，高中物理课程又将科学探究视为一种重要的教学方式，旨在使学生在科学探究活动中，通过经历与科学工作者进行科学探究时的相似过程，学习物理知识与技能，体验科学探究的乐趣，学习科学家的科学探究方法，领悟科学的思想和精神。物理科学不但是一个知识体系，更重要的是人类认识世界的一种方式和探索的过程。每一个定理和定律，不但反映了人类对大自然的更深层次的认识，也体现了人们对物质世界的基本理解和观念，每个认识过程的背后往往有着一种深刻的物理思想和科学探究过程。同样，课程标准还规定了物理课程应该让学生“经历”、“参与”达到一定的能力所以应该经历的过程与方法的基本目标。学校应该给学生提供从事科学探究的机会，发展其科学探究的能力。在高中物理课程中，要做好培养学生科学探究能力的教育工作，还得对科学探究做进一步的理解。什么是科学探究？要回答这个问题还得回到产生“科学探究”这个概念的源头，即：科学中的探究，或科学家通常是如何探究的。1什么是科学探究通常，我们可以认为科学中的探究是人们从事的一种科学活动，是产生知识的过程。人们基于对事实的猜想，根据科学概念、原理、定律和理论知识，运用多种科学程序、工具，遵循特定的科学价值观，努力对自然界的物质和事件建构新的解释。科学家从一些基本的猜想或者假设出发开始探究。他们认为自然现象的背后存在着潜在的秩序。自然现象和规律遵从于一些基本规则，这些基本规则不是反复无常的，而是在宇宙中，无论何时、何处都是相同的。通过细心、智慧的系统研究，科学家能够帮助人们知道、认识、理解自然界。要准确描述科学探究的方法并不是一件容易的事。无论相同的或不同的学科，问题的不同都可能带来方法的变化。科学的知识不是来自于一些简单步骤的集合，而来源多种行动、程序、方法甚至人们的习惯。科学家依靠对自然现象的观察，证据，假设，理论以及逻辑推理，运用判断力和仪器获得的观察结果必须是精确,并能生产有效的和可靠的证据。猜想或者假设作为探究的指导，对选择要收集的证据,控制实验条件,以及解释的数据都起着重要的作用。逻辑推理则是分析数据,检验假设,创建理论的工具。科学是社会化的，他所创建用于说明、解释自然的方法论、概念和理论，是在科学共同体的框架下完成的。科学理论通常是对问题长期关注、思考所产生的灵感或洞察力的结果。但即使如此，理论然后需要实践的检验。知识是这些过程的产品，他既是试探性的又是稳定的。即便得到事实的支持，科学家也不会被动地接受，他们会继续修正,扩充, 并详细阐述占主流地位的理论。其目的是挑战，检验、改善理论,以及放弃或部分放弃这些理论。在大多数情况下，科学知识是持久的，科学理论更多的是被修正而不是被放弃。这一过程要求科学知识必须是公开的，可检验的(基于观察和实验) ，可重复的和累积性的。瓦托夫斯基认为“科学探究的功能是发现有关食物属性的新事实；并发现这些事实之间的各种关系，这些关系对我们关于自然界的巨大多样性的知识作出整理，并且帮助我们解释和预言自然界的各种作用。”进行科学探究没有一成不变的程序，但科学探究通常都是由一个自然界还未知的，没有找到答案的问题开始。人们通常会对问题可能的解释提出某种猜想或者假设，以便能找出解决问题的方案，图1描述的是一个简单的探究程序。因此，通常我们所说的科学探究，也就是指科学中的探究，也就是科学家运用科学的方法、通过探索的途径去发现人们尚未认识的科学事物及其规律的过程.科学发现的历史也就是科学探究的历史.没有探究就不会有发现，也不能确认理论的正确性和不断扩展人们对自然的认识。2科学教育中的科学探究20世纪以前，大多数的教育者主要把科学看作一种可以通过直接灌输让学生学到的一堆知识。20世纪初，美国教育家杜威（J. Dewey ）在美国科学促进协会做的一次报告，指出科学教育过于强调知识的积累，对科学作为一种思维方式和认识态度没有给予足够的重视。杜威认为，思维乃是一个探究的过程，一个观察事物的过程和一个调查研究的过程。因此，科学不仅是需要学习的一堆知识，同时也是一种学习的过程或方法。杜威在其后的著作中，对科学探究做了多次论述，提出了较为系统的探究教学理论，强调培养学生的主动探索精神和解决实际问题的能力，可以说开辟了教学研究与实践的新领域，引起人们对学生的主体性的极大关注以及师生在教育过程中的地位和作用的深刻反思。因此， J. L. Childs认为把“实验的探究法”引入教育领域是杜威在教育上的一大功绩。20世纪中期，科学探究的教学理论得以迅速发展，其中，美国教育家J.J.施瓦布、以及J.布鲁纳起了重要作用。施瓦布认为，科学应该看作是一系列概念结构，这个结构会随着新证据的出现而被修改。科学教学应该反映科学探究的一面，教学的过程也应看成是一种探究的过程。他提出“作为探究的科学教学”实际上有两个不同的组成部分：即“通过探究教学”和“作为探究的科学”。施瓦布还建议科学教师考虑下面的三种实验方式：第一种，学生根据实验手册或课本教材中提出的问题及研究方案进行实验以发现他们未知的联系；第二种，教材只提出问题，研究方案和问题答案留给学生自行提出；第三种，学生在没有课本或实验室提供问题的情况下，直接面对现象提出问题、收集证据，并根据自己的研究提出科学的解释，这是一种最开放的方式。布鲁纳，20世纪中期科学教育改革的核心人物，提出学生应该以做科学的方式学习科学，并推动的美国20世纪60年代的科学课程改革运动。作为这次运动的一个成果，诞生了诸如PSSC物理，BSCS生物，CHEM-STUDY化学等一些列“动手做科学”的革新教材。PSSC物理强调物理学发展过程中实践与理论之间的相互作用；通过对自然界的探究，让学生学习物理学的基本原理和定律及其适用范围和根据；培养批判地阅读的能力以及进行推理和善于区分本质与非本质的能力，从而提高所学到的技能。3高中生科学探究能力的构成普通高中物理课程标准对高中生通过高中阶段物理课程的学习，在科学探究及物理实验能力方面应该达到的目标，按照提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作这七各要素展开，提出了具体的要求。表1 科学探究及物理实验能力要求 科学探究要素对科学探究及物理实验能力的基本要求提出问题能发现与物理学有关的问题。从物理学的角度较明确地表述这些问题。认识到发现问题和提出问题的意义。猜想与假设对解决问题的方式和问题的答案提出假设。对物理实验结果进行预测。认识到猜想与假设的重要性。制定计划与设计实验知道实验目的和已有条件，制定实验方案。尝试选择实验方法及所需要的装置与器材。考虑实验的变量及其控制方法。认识到制定计划的作用。进行实验与收集证据用多种方式收集数据。按说明书进行实验操作，会使用基本的实验仪器。如实记录实验数据，知道重复收集实验数据的意义。具有安全操作的意识。认识到科学收集实验数据的重要性。分析与论证对实验数据进行分析处理。尝试根据实验现象和数据得出结论。对实验结果进行解释和描述。认识到在实验中进行分析论证是很重要的。评估尝试分析假设与实验结果间的差异。注意探究活动中未解决的矛盾，发现新的问题。吸取经验教训，改进探究方案。认识到评估的意义。交流与合作能写出实验探究报告。在合作中注意既坚持原则又尊重他人。有合作精神。认识到交流与合作的重要性。课堂中，科学探究是一项创造性的教学活动。要开展好科学探究，还需要对科学探究的目标与要求做进一步了理解。例如：普通高中物理课程标准对高中学生“猜想与假设”的能力提出的基本要求为：对解决问题的方式和问题的答案提出假设；对物理实验结果进行预测；认识到猜想与假设的重要性显然这里所要求的，不仅是泛泛的对“解决问题的方式和问题的答案”提出猜想与假设，而进一步具体到采用物理实验方法解决问题，并对实验结果做出预测。因此，高中物理课程标准对高中生的“猜想与假设”能力构成提出了更高、更具体的要求。其能力构成可表述为图1结构。这一要求表明，实验探究是高中物理课程科学探究的一个重要方面。学生提出的假设应该是能够通过实验检验的假设。学生应该知道，判断一个猜想或假设是否正确，唯一的方法就是通过科学实验的检验，如果支持假设，即证实；如果否定了假设，即证伪。一个无法检验的陈述是没有探究价值的，因而也就不是一个科学猜想或假设。又如：在科学探究中，制定计划与设计实验，是从操作的角度把探究的猜想与假设具体化、程序化。一般做法是在分析该探究要解决哪些问题，每个问题有什么解决方法，再根据现有的条件和探究的要求，选择解决问题的方法，根据这些被选中方法确定需要的实验器材，并按解决问题的逻辑关系构思出操作步骤。普通高中物理课程标准对“制定计划与设计实验”的能力提出了以下基本要求：知道实验目的和已有条件，制定实验方案；尝试选择实验方法及所需要的装置与器材；考虑实验的变量及其控制方法；认识到制定计划的作用。这一要求有以下含义：首先，教育机构，包括教育行政管理机关、学校，应当为学生开展科学探究活动提供机会、创造条件；教科书的编写、实验室的建设应当为学生开展科学探究活动预留一定的空间，使学生能够经历“制定计划与设计实验”的过程，发展科学探究能力。其次，标准对学生“制定计划与设计实验”的能力构成提出了明确的要求。包括在符合探究目的和已有条件的基础上，尝试“选择科学探究的方法”、“所需的仪器”、“控制变量”等要求。再则，在对探究的认识方面，要求学生“考虑影响问题的主要因素”、“认识制定计划与设计实验在科学探究中的作用”等。其能力构成结构由图2所示。与义务教育阶段物理课程相比较，义务教育阶段物理课程对学生“制定计划与设计实验”的能力要求是“尝试”去做，是初步的。在高中阶段，虽然在选择实验方法及实验装置和器材方面，仍然是“尝试”性要求，但考虑到学生经过初中阶段的学习，在实验方法、实验器材的量以及对其的掌握程度方面都有很大的提高，如探究自由落体运动规律，可选用 “（1）打点计时器；（2）频闪照相；（3）光电门和电子计时器；（4）数码照相机或摄像机；（5）微型计算机和传感器；”因此学生在实验方法、实验器材的选择上应该比初中具有更大的空间和灵活性。而对变量及其控制，高中较初中则有了更高的要求。基于以上讨论可以看出，普通高中物理课程“制定计划与设计实验”的能力构成结构与义务教育阶段物理课程相似，但具体要求有所提高。再如：普通高中物理课程标准对高中学生“进行实验与收集证据”的能力提出的基本要求为：用多种方式收集数据；按说明书进行实验操作，会使用基本的实验仪器；如实记录实验数据，知道重复收集实验数据的意义；具有安全操作的意识；认识到科学收集实验数据的重要性。这一要求是对义务教育阶段科学探究能力要求的进一步提高。进入高中阶段的学生，物理知识比初中更丰富，对物理知识的理解、运用的能力比初中更强，在按说明书进行实验操作的时候，因而有条件对说明书中的内容作更深入的理解。在初中物理的基础上，高中物理课程中的基本仪器具有新的内容：“共同必修模块中的打点计时器，电路模块中的多用表，电磁感应模块中的检流表，交变电流模块以及机械振动与机械波模块中的示波器等，都是高中物理课程相关模块的基本仪器，学生应该会正确使用这些仪器”正确使用高中物理实验的基本仪器，包括了解仪器的使用要求，辨明仪器的测量范围和最小分度值，正确地装配仪器，正确地操作仪器，正确读取仪器的读数等。作为对科学探究的认识，学生应该知道重复收集实验数据的意义；认识到科学收集实验数据的重要性。其“进行实验与收集证据”能力要求的构成如图3所示这一要求表明，观察和实验是收集数据的一种形式。除此之外，公共信息资源，如图书馆、阅览室、科技馆、博物馆、展览馆、广播、电视和互联网等，也是学生收集数据或者证据的有效资源。因此，学生在制定计划时就应当根据探究的问题与目标，决定采用什么手段收集信息，到何处收集信息，收集什么信息等。采用观察与实验方法收集信息，要明确收集信息的时间，知道是在哪一个时刻或哪一段时间内记录有关信息。做到在预定的时间观察预定的目标，收集预先所关注的信息，同时要具有捕捉意外的信息的意识和准备。实验数据的收集，除了应该具备观察收集数据的基本要求，还必须具有初步的实验操作技能，会使用简单的实验仪器和测量工具，能测量一些基本的物理量。会阅读说明书，是指能从使用的角度看懂说明书所表述的仪器的工作条件、操作要求和注意事项。在理解仪器工作条件和操作要求的前提下，应该按照说明书的要求正确地操作仪器。正确记录实验数据，除了需要正确操作实验仪器之外，还要正确地观察仪器读数，“例如用量筒测量液体的体积时，不仅应该把盛有被测液体的量筒放在水平桌面上，同时眼睛还应该和液面在同一水平面上来观察量筒的刻度。”要正确记录实验数据，应辨明仪器的测量范围和最小分度值，正确读取仪器所显示的读数。要正确记录实验数据，还要事先设计并绘制好用于记录数据的表格，把实验数据简单、明了地填在表格中。实验的安全主要体现为实验仪器的安全和实验者的人身安全。在考虑实验仪器的安全时，应该关注实验仪器量度范围。例如“用天平所测量物体的质量不能超过天平的称量；不能把温度计用来测量有可能超出其量度范围的温度；不能对弹簧用力尝试超过它的弹性限度；不能使电学元件通过的电流值超过其标称的额定值”。应该对实验结果的安全性具有预先考虑的意识。当用滑动变阻器控制电路中的电流时，开关闭合前，应审视变阻器的接线和滑动头的起始位置是否会造成变阻器的短路。当对电路的接线没有十分把握的情况下，闭合开关前，会用瞬时碰接的方法来探测电路在接通时的安全性。学生应当知道，科学事实是检验科学结论的唯一标准，证据是进行科学分析的根据，如果不进行实验，不收集科学数据，实验探究便无法进行下去，所探究问题的结论也就不可能形成。在进行实验与数收集数据时，如果由于实验环境的影响、实验条件的改变或者由于实验者的疏忽，造成所收集数据的失真或部分失真，将会对探究结果产生严重影响，甚至有可能得出与真正的科学结果完全相反的结论。二、科学探究能力的评价1科学探究能力评价标准科学探究评价的另外一个重要问题是如何建立一个行之有效的评价标准。客观性考试的评价标准比较简单，最大的挑战是设计试题。科学探究的评价，挑战不仅来自试题设计，同时还来自评价标准的设计。特别是建立如何客观、公正、有效、便于操作的评价标准。近些年来，随着课程改革的不断深入，一些国家、地区政府教育部门，科研机构，考试机构纷纷推出评价学生科学探究能力的标准。这里对两个科学探究能力评价标准进行比较。11 国际文凭组织科学探究评价标准国际文凭组织（简称IBO）总部设在日内瓦，是联合国与欧洲联盟承认的、非政府间的国际性教育与考试机构。该组织颁发“大学预科国际文凭”，统称“国际文凭”（简称IB）。实验科学（物理、化学、生物等）是IBO的一个重要课程，其目标是使学生学会提出问题、观察现象、建立假说和解决问题以及科学探究的技能。3矩阵结构。其中水平分“完成”、“部分完成”以及“未完成”3个，而要求则为对要素的进一步分类。例如，对制定计划（a），其则要素包括“提出问题或研究课题”、“做出假设或预测”以及“选择变量”。图1为IBO评价标准的树状图。IBO实验科学有关科学探究的评价标准分为制定计划、收集证据、处理和呈现数据、结论和评估4个要素。其中，制定计划又分为制定计划（a）以及制定计划（b）两部分。IBO科学探究评价标准是按照等第制设计的，为水平与要素的3表1.为设计方案（a）的评价标准。要求要求要求水平提出问题或研究课题做出假设或预测选择变量完成确定一个有针对性的问题或研究课题。将提出的假设直接与研究问题联系起来并做出了解释，在适当地方应定量。选择适当、独立、可控制的变量部分完成描述问题或研究课题，但不明确或不完整。描述假设或预测，但没有做出解释。选出部分相关变量。未完成未描述问题或研究课题，或重述教师提出的一般性目标。未描述假设或预测。未选择任何相关变量。一般来说，对于标准教材中的大多数实验或探究，要评价学生在设计方案（a）方面的能力比较困难，除非要求对实验进行修改。通常，需要向学生提供一个开放性的问题进行探究。通常，教师会提供一个一般性目标，学生则必须能够确定有针对性的问题或者特定的研究课题。例如，教师可能提出像“探究影响X的因素”这样的一般性地探究目标， 学生则应该能够确定什么因素将影响X，并明确地限定实验的目的或者确定研究的课题，然后，学生应该系统地阐述其假设或预测，以及所选定的每一个变量。其假设不应该仅仅是预期的观察，必须包括诸如作为目标的两个或者更多个变量之间的关系，或者至少包含解释预期观察结果的做出合理解释的一个要素。这些的基础是能够运用实验进行探究的。一个典型的、简洁明了的假设可以写为“如果作用了Y，则将产生Z”，另外，还需要提及可能影响结果的其它变量，尽管这些变量不特别地要进行探究，需要选定作为控制的变量。学生必须设计一个实际的、合适的方法，控制变量并收集足够的相关数据。应该描述实验装置以及测量的技术。12 英国GCSE（物理）科学探究评价标准GCSE的英文全称是General Certificate of Secondary Education，中文译为普通中等教育证书，简称为GCSE。在英国，学生在十四岁左右时进入GCSE课程学习，学制两年。GCSE科学（物理）课程科学探究评价标准分为制定计划、收集证据、分析论证、评估4个要素。按照等第分设计，共分为8个等第，评价标准对其中的4个等第进行定义。评价时，如果仅部分符合某一等第，而又比下一等第好，则评分为两等第之间的分数。图2为GCSE科学（物理）课程科学探究评价标准的树状结构图。其“制定计划”的评分标准为评分标准2分P2a粗略的步骤4分P4a 收集有效证据的步骤。P4b 使用的有关仪器或证据来源。6分P6a 运用科学知识和原理制定计划并说明步骤，识别需要改变、控制或考虑的关键因素, 做出适当的预测。P6b 确定收集证据的适当范围。8分P8a 运用详细的科学知识和原理制定计划并说明适当的策略、表述流畅，考虑了获得精确的、可靠的证据的需要，体现了如何证明所做的预测。P8b 根据需要，使用前期工作的有关信息。2. 科学探究能力考试题目的形式与特点在我国，高中阶段物理课程改革刚刚起步，有关科学探究能力的考查与评价还是一个亟待解决的问题。他山之石，可以攻玉，近几年来，国外评价方面做了不少工作，其科学探究与物理实验能力的考试题目呈现如下特点：1）探究问题大多为生活常见的物理问题情景。科学探究能力的考查，需要在学生没有遇到的新的物理问题情景下进行。近几年英国GCE（物理）考试的试题的设计在与学生生活实践相结合方面做了不少有益的探索，提供了不少好的设计思路和样例。如2003年1月的GCE（物理A）考试第3单元第一题，要求学生就生活中常见的斯诺克台球桌边高度的设计问题提出一个探究方案（见图1）。上述探究小球在凹型球面振动周期问题，探究弹簧振动过程中的能量转化与守恒问题。2）实验器材简单、易行实验器材简单是大规模实验考试的一个前提。近几年GCE（物理）考试的实验与探究能力考查的设计，其所需要的实验器材都比较简单、易行。例如，2002年1月进行的GCE（物理B）第三单元实验与探究考试，其中探究小球在凹型球面振动周期问题，使用的器材为一小钢球、一凹型表盖玻璃面和一只停表（见图2）。如2002年5月进行的GCE（物理B）第三单元实验与探究考试，其中探究弹簧振动过程中的能量转化与守恒问题，使用的器材为一小弹簧，一有底座的带刻度尺的木棍。3）精心设计实验与探究过程，采用多种手段确保实验顺利进行。探究性实验通常会在实验过程中出现这样或者那样的问题，导致实验难以进行，为客观、全面评价学生科学探究能力带来困难。GCE（物理）考试采取轮转式实验的方式进行，为此考试机构采取了多种手段，确保实验顺利进行。如，实验考试数周之前即通知考试中心考试所需要的器材；配备一定数量的备用器材；制严格的考试流程，为考生轮换实验留下相应的时间；学生遇到问题导致实验中途不能进行，监考人员可以给予必要的帮助，使实验能继续进行下去，以便能继续考查考生的其它实验与探究技能，但所提供帮助必须记录在案，而在实验的数据处理和分析环节则不能提供任何帮助。4）注重问题之间的内在逻辑联系实验与探究能力的考查，通常都采用开放建构型问题。在一个共同的大背景下，按一定的逻辑关系设置若干小问题要求解答，是GCE（物理）考试常用的一种题型，也是考查考生收集信息，设计实验，运用科学概念和规律分析问题、进行交流，评估实验过程和实验结果等科学探究能力常用的一种方法。试题通常以一个物理问题为起点，通过一个个有待解答的物理问题构成的问题串，形成一个既有一定的限定，又有一定开放性的物理问题情景，以便考生能比较充分地展示其考生收集信息，设计实验，评估实验过程和实验结果等科学探究能力。5）重视考查考生运用科学概念、规律以及规范的科学交流能力GCE（物理）考试十分重视考查考生的科学交流能力。不仅重视考生运用图表描述物理问题的科学与规范，而且重视考生的评价规范、流畅的语言交流能力。部分问题不仅具有一定的文字描述量，而且对行文的质量也提出了