第三节 物理研究性学习的开展
《基础教育课程改革纲要（试行）》在对综合实践活动作出规定时，把研究性学习作为必修课的主要内容之一。“研究性学习是学生在教师指导下，从自然、社会和生活中选择和确定专题进行研究，并在研究过程中主动地获取知识、应用知识、解决问题的学习活动。”(1)物理研究性学习是以物理学科问题为主的研究性学习。它有不同的称谓，有时也称为物理学科“课题研究”，在高中物理课程标准中称为“物理专题研修”。物理研究性学习“以发展学生自主学习能力和独立探究能力为主要目的”(2)。它可以纳入学校的研究性学习必修课程之中，也可以作为以物理学科课题研究为内容的选修学习活动。
一、物理研究性学习的目的
（一）获得自主学习能力
在物理研究性学习中，学生在教师的指导下，要通过自主的研修，独立地获取物理知识和技能。这与物理学科课程教学中学习教科书上的间接经验为主的学习活动是截然不同的。在物理研究性学习中，学生从自身生活、社会生活、自然科学中去发现问题、提出问题并确定研究专题，为解决问题要搜集、选择、整理、分析各种信息，要在真实的任务情境中进行观察、实验、调查、思维、评估等研究性的学习活动。这一学习过程，有利于培养学生自主的学习能力。
（二）培养科学探究能力
在物理研究性学习的过程中，学生模拟科学家的研究方法和研究过程，发现与提出问题，并通过课题研究、研究设计、实验探究、社会调查等各种形式，探究和解决与生活和社会密切相关的各种物理问题。当然，有人认为，从严格意义上说，中学生的物理研究性学习与真实科学研究在严谨性和规范性方面还是有区别的。从研究过程和结果看，它一般是已有物理学已有发现和研究的“再发现”和“再研究”。但是，无论是“再发现”、“再研究”还是“真发现”、“真研究”，学生得到从事模拟或真实的科学研究的体验和科学探究能力的培养的作用是一般接受性学习所不能比拟的。
（三）养成科学态度和精神
中学生在物理研究性学习的过程中，要通过研修选题、方案设计、资料搜寻、观察实验、调查描述、科学思维，综合运用所学知识，运用一定的科学方法来解决问题。在这一学习过程中，学生不仅能提高自主学习能力和科学探究能力，还受到科学态度和科学精神的熏陶。科学态度和精神主要反映在科学质疑、科学求真、科学求实、科学创新、科学的人文追求等方面。物理研究性学习活动对学生的科学态度和科学精神的要求是活动本身的固有特性所决定的。首先，进行物理研究性学习，学生要有科学质疑的态度和科学怀疑的精神，对自身生活和社会生活中的问题都会问一个“为什么”，追究它“究竟有什么根据”，对他人的学说不会毫无根据地盲从。其次，物理研究性学习，对学生而言也是一个科学求真和创新的过程，即通过科学探究的方式获得“新”知识的过程。它要求学生认真地探索，既要继承前人的已有知识，又要有所发现、有所发明、有所创新，有利于激励学生求真和创新的科学态度和精神。再次，物理研究性学习，对学生而言也是一个科学求实的过程，在这一过程中，学生要实事求是、认真负责、不畏艰辛、刻苦钻研、勇于进取，探究对问题的解决。这一活动无疑能培养学生求实的科学态度精神。最后，物理研究性学习也往往与人类、社会的问题相关，突显出物理学研究与人类切身利益的关系，必然突出人文精神的追求。它无疑对学生的人文态度与精神养成也有积极的促进作用。(3)
二、研究性学习的实施
研究性学习大致上可以分为两大类：课题研究类和项目（活动）设计类。课题研究以认识和解决某一问题为主要目的，具体包括调查研究、实验研究、文献研究等类型。项目（活动）设计以解决一个比较复杂的操作问题为主要目的，主要包括社会性活动的设计和科技类项目的设计两种类型。一项研究性学习活动，可以属于一种类型，也可以包括多种研究类型。综合性较强的专题，往往涉及因素多，要用多种研究方法和手段，需要参加者之间的分工协作。
（一）研究性学习的组织形式
研究性学习的组织形式主要有三种类型：小组合作研究、个人独立研究、个人研究与全班集体讨论相结合。
小组合作研究是经常采用的研究性学习的组织形式。学生一般由3～6人组成课题组，聘请有一定专长的成人（如本校教师、校外人士等）为指导教师。研究过程中，课题组成员各有独立的任务，既有分工，又有合作，各展所长，协作互补。
另一种组织形式是个人独立研究，它可以采用“开放性的长作业”形式，即先由教师向全班学生布置研究性学习任务，可以提出一个大致的研究范围，也可以不确定范围，由每个学生自定具体题目，并各自相对独立地开展研究活动，在一定的时间内，几天或几个星期或几个月甚至更长时间完成它。
研究性学习也可以采用个人研究与全班集体讨论相结合的形式。全班同学需要围绕同一个研究主题，各自搜集资料、开展探究活动、取得结论或形成观点。再通过全班集体讨论或辩论，分享初步的研究成果，由此推动同学们在各自原有基础上深化研究，之后或进入第二轮研讨，或就此完成各自的论文。
（二）研究性学习的一般过程
研究性学习的实施大致上可分四个阶段：问题情境阶段、设计方案阶段、实施方案阶段和表达交流阶段。
1.问题情境阶段
问题情境阶段是学生在教师指导下发现和提出研究性学习问题的过程。在这一过程中，师生要创设一定的问题情境，一般可以以开设讲座、沙龙讨论、参观访问等形式，让学生在问题情境中发现和提出问题。让学生选择并研究研究性学习的题目，一是要与学生的兴趣相联系，与学生生活与社会实际相联系，贴近实际，贴近社会。二是研究性学习的题目要有一定的必要性和实际意义，并对学生而言，选择的课题要具有一定程度的创新性。三是研究性学习的题目要适宜，也就是选题及其研究要切实可行。一般来讲，选择那些学生感兴趣的、学生未充分了解的、与学生当前学习和日常生活密切相关的、范畴比较小的课题，是比较合适的。
同时，教师应指导学生通过搜集相关资料，了解选定题目的研究现状、已有的研究成果和存在的问题，使学生从多个角度认识题目研究的必要性、意义，并学习他人研究的经验，吸取他人的教训，以便在他人研究的基础上取得较好的效果。
2.设计方案阶段
设计研究是研究性学习的另一个重要阶段，它是根据研究性学习题目，对研究性学习的思路进行设计，对研究性学习步骤进行规划，对研究性学习活动进行安排。学生在选定课题后，要引导他们查阅一定的相关资料，了解专题已有的研究现状，明确尚未解决的问题，学习他人的研究经验，吸取他人的研究教训；在此基础上，引导他们对专题进行认真分析，分析研修的目的和内容，提出研修目标；引导学生查阅资料，开展讨论，设计研究方案；并对方案的可行性进行论证，通过反复修改论证，确定比较可行的研究方案。研究性学习方案一般包括以下几项内容：①题目名称；②具体目标和任务；③研究主要内容；④研究的对象、场所、时间；⑤具体过程；⑥任务和分工；⑦其他说明。
3.实施方案阶段
在制订了研究性学习方案后，学生就进入了实施方案的过程阶段。它主要包括：①搜集和分析信息资料。学生应了解和学习收集资料的方法，掌握访谈、上网、查阅书刊杂志、问卷等获取资料的方式，选择有效方式获取所需要的信息资料；要学会判断信息资料的真伪、优劣，识别对本课题研究具有重要关联的有价值的资料，能有效筛选资料；学会有条理、有逻辑地整理与归纳资料，发现信息资料间的关联和趋势；最后综合整理信息进行判断，得出相应的结论。②调查研究。学生根据个人或小组集体设计的研究方案，按照确定的研究方法，选择合适的地方进行调查，获取调查结果。在这一过程中，学生应如实记载调查中所获得的基本信息，形成记录实践过程的文字、音像、制作等多种形式的“作品”，同时要学会从各种调研结果、实验、信息资料中归纳出解决问题的重要思路或观点，并反思对是否获得足以支持研究结论的证据，是否还存在其他解释的可能。③实地考察或观察，有时要对不同时期的研究对象进行多次考察或观察，有时对研究对象的不同地点进行多次考察或观察。在考察过程中需要有目的、有计划地观察、测量，记录有关事物和现象，有时还需要拍照或摄像，获得有关的数据、图片、样品等。同时要记下考察的日期和地点。④实验探究。实验一般用于研究题目中的不同变量是否存在某种因果关系。学生用实验方法进行研究性学习，要明确实验的目的、实验的变量，并在此基础上，设计好实验方案，并充分论证实验方案的科学性和可行性，选择好所需要的仪器和物品，实验时认真操作、观察、记录，实验后分析实验结果并得出结论。在研究性学习的这一阶段，教师要进行研究方法的指导，让学生了解各种研究方法的特点、优势与局限，以便学会运用方法有效地进行研究性学习。
4.表达交流阶段
在这一阶段，学生要将取得的收获进行归纳整理、总结提炼，形成书面材料和口头报告材料。成果的表达方式要提倡多样化，除了按一定要求撰写实验报告、调查报告以外，还可以采取开辩论会或研讨会、搞展板、出墙报、编刊物（包括电子刊物）等方式，同时，还应要求学生以口头报告的方式向全班发表，或通过指导老师主持的答辩。
学生通过交流、研讨与同学们分享成果，这是研究性学习不可缺少的环节。在交流、研讨中，学生学会欣赏和发现他人的优点，学会理解和宽容，学会客观地分析和辩证地思考，也敢于和善于申辩。
（三）研究性学习的教师指导
在研究性学习实施过程中，教师应把学生作为学习探究和解决问题的主体，并注意转变自己的指导方式。教师要及时了解学生开展研究活动时遇到的困难以及他们的需要，有针对性地进行指导。教师的指导切忌包办，而是要引导、协助，必要时提供信息、启发思路、介绍方法，要让学生独立地完成研究性学习任务。
教师可以根据学校和班级实施研究性学习的不同目标和主客观条件，在不同的学习阶段进行重点的指导，如着重指导资料收集工作，或指导设计解决问题的方案，或指导学生如何形成结论，等等。
同时，要通过多种方式争取家长和社会有关方面的关心、理解和参与，与学生一起开发对实施研究性学习有价值的校内外教育资源，为学生开展研究性学习提供良好的条件。
教师还要指导学生写好研究日记，及时记载研究情况，真实记录个人体验，为以后进行总结和评价提供依据。
三、研究性学习的评价
评价是研究性学习过程中的重要环节，评价目的旨在促进学生研究性学习的开展和学生科学素养的提高；重在评价学生研究性学习的过程、自主学习、科学探究中的表现；倡导评价主体多元和评价方法多样，激励学生自主学习能力、科学探究能力、实践能力、创新能力的发展。
（一）研究性学习评价的主要内容
研究性学习评价的内容通常涉及以下几个方面：
一是参与研究性学习活动的态度。它可以通过学生在活动过程中的表现来判断，如是否认真参加每一次课题组活动，是否认真努力地完成自己所承担的任务，是否做好资料积累和分析处理工作，是否主动提出研究和工作设想、建议，能否与他人合作、采纳他人的意见等。
二是在研究性学习活动中所获得的体验情况。这主要通过学生的自我陈述以及小组讨论记录、活动开展过程的记录等来反映，也可通过行为表现和学习的结果反映出来。
三是学习和研究的方法、技能掌握情况。要对学生在研究性学习活动各个环节中掌握和运用有关方法、技能的水平进行评价，如查阅和筛选资料，对资料归类和统计分析，使用新技术，对研究结果的表达与交流等。
四是学生创新精神和实践能力的发展情况。要考查学生在一项研究活动中从发现和提出问题、分析问题到解决问题的全过程所显示出的探究精神和能力，也要通过活动前后的比较和几次活动的比较来评价其发展状态。
五是学生的学习结果。研究性学习结果的形式多样，它可以是一篇研究论文、一份调查报告、一件模型、一块展板、一场主题演讲、一次口头报告、一本研究笔记，也可以是一项活动设计的方案。教师需要灵活掌握评价标准。
（二）研究性学习评价的手段和方法
研究性学习的评价可以采取教师评价与学生的自评、互评相结合，对小组的评价与对组内个人的评价相结合，对书面材料的评价与对学生口头报告、活动、展示的评价相结合，定性评价与定量评价相结合、以定性评价为主等做法。评价者可以是教师或教师小组，可以是学生或学生小组，可以是家长，也可以是与开展项目内容相关的企业、社区或有关部门等等。
（三）研究性学习评价的实施
评价要贯穿于研究性学习的全过程。操作时可以重点从三个环节，即开题评价、中期评价和结题评价着手。
开题评价要关注学生发现问题、提出问题、提出解决问题设想的意识和能力，促使学生以积极的态度进入解决问题的过程中。
中期评价主要是检查研究计划的实施情况，研究中资料积累情况，以及研究过程中遇到的问题、困难和解决问题、克服困难的情况等。对评价结果要及时反馈，对于在研究中学生自己难以解决的问题，要通过教师指点、学生小组内部讨论、学生小组间交流、寻求校外帮助等方式予以解决。
结题评价主要对学生参与研究性学习全过程的情况、体验情况、资料积累情况、结题情况、研究结果及成果展示方式等进行评价。
评价的具体方案可以由指导教师提出，也可以在师生协商的基础上提出。鼓励由学生个人或学生小组自己设计评价方案，对自己的研究情况加以评价，充分发挥评价的教育功能。
研究性学习评价既要考虑学生参与活动、达成研究性学习目标的一般情况，又要关注学生在某一些方面的特别收获，顾及学生的个别差异。要使认真参加研究性学习活动的学生普遍获得成功的体验，也要让研究上卓有成效的少数优秀学生脱颖而出。研究性学习的评价既要着眼于对整个小组的评价，又要注意到个人在课题研究中所承担的角色、发挥的具体作用及进步的幅度。
［附］中学物理研究性学习案例二则(4)
案例1 比较材料的保温性能
【提出问题】
李明在一所农村中学读书，学校有一只大的开水桶，冬天为了保温，在桶外裹上一层棉被，尽管如此，早上灌的开水，到了下午还是变得凉凉的。一天早上，李明看见张迪用铝合金饭盒装开水时，滚烫的饭盒只垫了薄薄的一层泡沫塑料就不烫手了，他突然想到，能否用泡沫塑料代替棉被给开水桶保温呢？他将这一想法告诉了张迪。
【猜想与假设】
李明认为，手觉得热，是因为手吸收了热量，温度升高。隔着泡沫塑料拿热饭盒不烫手，说明泡沫塑料导热性能差。用导热性能差的材料包着开水桶，保温的效果按理说就会好些。张迪随手摸了一下热水桶上的棉被，暖呼呼的，热量通过棉被传出来。张迪想，李明可能是对的，泡沫塑料的保温效果可能会比棉被好。
【制订计划与设计实验】
李明告诉张迪，如果用这两种材料包着装有热水的烧瓶，定时测量两瓶中的水温，便可以得出这两种材料保温性能好坏的结论。“还可能有其他因素影响水温变化，如两个烧瓶中的水是否一样多，水温是否一样高。”张迪说。“是的，”李明强调：“还需注意放烧瓶的环境是否一样，泡沫塑料与棉被的厚度是否一样等等。”他们注意控制影响水温变化的其他因素，决定在两个烧瓶中装上质量相等的水，加热到相同的温度后分别用两种保温材料包好，放在相同的环境温度下自然冷却。
【进行实验与搜集证据】
按照这个计划操作，李明和张迪把实验测得的数据填在表10-附-1中。
表10-附-1 使用两种保温材料情况下时间与温度的关系
【分析与论证】
根据表格中的数据，第1组（泡沫塑料保温）从80℃降至40℃所用的时间超过了45min，而第2组（棉被保温）降低相同温度只用了不到25min，这表明，泡沫塑料的保温性能确定优于棉被。
【评估】
以上表格中，第35分钟T1的数据与T1的总的变化趋势有较大的偏差，回想实验的操作，有可能在读温度时有疏忽。如果剔除这个温度值，其他所有数据都与实验结论吻合。因此，这个实验的结论应该是可信的。
【交流与合作】
李明和张迪讨论后，给学校总务处写了一封信，信中阐述了实验的过程和结论，建议学校替换开水桶的保温材料。
案例2 影响电磁铁磁性强弱的因素
【提出问题】（老师提出）
课堂上老师问：电磁铁的磁性强弱和什么因素有关？如果改变通过电磁铁的电流或者改变电磁铁的匝数，它的磁性强弱会变吗？
【假设与猜想】
学生相互议论：假设通过电磁铁的电流由1A增加到2A，电磁铁的磁性会怎样？是否可以这样推测：导线中的2A电流是两股1A电流汇合而成的，每股电流都产生一个磁场，两个相同磁场合在一起，电磁铁的磁性增强了。
如果电磁铁的电流不变，线圈由100匝增加到200匝，它的磁性又会怎样？是否可以这样推测：200匝线圈是由两组100匝线圈组合而成的，每组线圈都产生一个磁场，两个相同磁场合在一起，电磁铁的磁性增强了。
通过以上推测可以想到，电磁铁的线圈匝数越多，通过的电流越大，电磁铁的磁性将越强。
【制订计划与设计实验】
通过怎样的实验来检验以上猜想呢？这个实验需要解决三个问题，同学们讨论了解决这三个问题的各种可能方法：
（1）怎样测量电磁铁磁性的强弱？
学生A：看它能吸起多少根大头针或小铁钉。
学生B：看它能吸起多少铁屑（用天平称）。
学生C：看它对某一铁块的吸引力（用弹簧测力计把被电磁铁吸住的铁块拉开时弹簧测力计的读数）有多大。
（2）怎样改变和测量通过电磁铁线圈的电流？
学生D：用滑动变阻器改变线圈中的电流，用电流表测量电流的大小。
学生E：用增减电池来改变线圈中的电流，用串联小灯泡的亮度来比较电流的大小。
（3）怎样改变电磁铁线圈的匝数？
学生F：使用中间有抽头、能改变线圈匝数的现成电磁铁产品。
学生G：临时制作电磁铁线圈，边实验、边绕制。
老师建议：用学生C、D、F提出的方法来组成探究实验的方案。
【进行实验与搜集证据】
按照老师的建议，学生分小组进行实验操作：把开关、滑动变阻器、电流表、电磁铁串联起来接到电源上，当滑动变阻器取不同值时测量电流和电磁铁对铁块的吸引力，把测量数据填入表10-附-2中。
表10-附-2 不同电流情况下电磁铁对铁块的引力大小关系
改变线圈匝数，调节滑动变阻器，使电流保持不变，测量不同匝数时电磁铁对铁块的吸引力，把实验数据填入表10-附-3中。
表10-附-3 不同匝数时电磁铁对铁块的吸引力大小关系
【分析与评论】
各个小组从本组实验的表10-附-2数据看到，当电磁铁线圈匝数不变、电流逐渐增大时，电磁铁对铁块的吸引力是同步增大的；从表10-附-3数据看到，在电流相同的情况下、电磁铁线圈的匝数增加时，电磁铁对铁块的吸引力是同步增大的。由此可以证实：电磁铁的磁性强弱和电磁铁线圈的匝数、通过电磁铁线圈的电流有关，电磁铁线圈的匝数越多、电流越大，磁性越强。
【评估】
回顾以上操作，看看有什么不妥的地方：当改变线圈匝数的时候，是否确实做到了线圈中电流和线圈的形状都不变？当测量电磁铁的吸引力时，是否用的是同一个铁块？有没有其他因素影响了实验结果？如果这些因素在实验中都作了充分的考虑，实验的结果应该是可靠的。
【交流与合作】
各个小组把实验过程和结果写成实验报告，并分别在班上报告本组的实验结果，进行讨论和交流。
思考题
1.谈谈你对开展物理课外活动作用的看法。
2.物理课外活动组织的基本要求有哪些？
3.物理研究性学习的目的主要有哪些？
4.物理研究性学习的基本过程是怎样的？
5.组织一次中学生的课外活动或一次研究性学习，写出活动目的、活动的计划、指导的要点。
【注释】
(1)朱慕菊.走进新课程：与课程实施者对话.北京：北京师范大学出版社，2002：30.
(2)教育部.普通高中物理课程标准（实验）.北京：人民教育出版社，2003：68.
(3)朱铁成.物理课程与教学研究.杭州：浙江大学出版社，2008：192.
(4)教育部.全日制义务教育物理课程标准（实验）.北京：北京师范大学出版社，2001：11－13.
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