物理教学的探究教学

第七节　物理教学的探究教学

一、中学物理课程对科学探究能力的要求

在中学物理课程中，科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式之一。中学物理是中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。中学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，中学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。

在中学物理课程中，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。

新课程标准对中学生通过中学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、交流与合作这七项要素展开，提出了具体的要求。

表4－1　科学探究及物理实验能力要求

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：新课程标准对学生“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，中学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4－1结构。

图4-1　普通高贵物理课程“猜想与假设”能力要求构成

这一要求表明，实验探究是中学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。

《普通中学物理课程标准》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4－2所示。

图4-2　普通高中物理课程“制定计划与设计实验”能力要求构成

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等。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，普通中学物理课程“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：《普通中学物理课程标准》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做更深入的理解。在初中物理的基础上，中学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，都是中学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”正确使用中学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4－3（见下页）所示。

图4-3　普通高中物理课程“进行实验与收集证据”能力要求的构成

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

（一）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。

1.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4－4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倍。

图4-4　IBO评价标准的树图

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他变量，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。

2.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4－5为GCSE科学（物理）课程科学探究评价标准的树状结构图。

图4-5　GCSE科学（物理）课程科学探究评价标准结构图

表4－2　“制定计划”的评分标准

（二）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4－6）。

图4-6　斯诺克台球桌边的设计

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。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他实验与探究技能，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要求并赋予一定的分数。

（四）课程作业的特点

在GCE（物理）考试中，课程作业是由考生所在学校根据考试机构制定的评价标准，评价考生设计实验，进行实验探究，分析结果并得出结论，评价实验结果和实验过程这四项科学探究能力的一种内部性评价。考生选择课程作业还是参加考试机构组织的实践考试由自己决定的。在GCE（物理A）考试中，课程作业的分数最高可占整个考试成绩的12.5%。课程作业的评价具有以下特点：

1.重视评价与学校开展的科学探究教学活动相结合

课程作业不仅是为考试而设置的，它同时也是学校正常教学的一部分。科学探究作为中学物理教学的一个重要的，承担着培养学生科学探究能力的责任。将学生平时在学校开展科学探究活动完成的课程作业纳入GCE（物理）考试，这样的设计对学校科学探究教学的开展无疑具有较好的促进作用。

2.具有详细的、可操作的评价标准

作为一种文凭考试，GCE（物理）考试具有高厉害考试的特点。考试机构通过建立详细的、可操作的评价标准，提高评价的科学性。评价标准对设计实验，进行实验探究，分析结果并得出结论，评价实验结果和实验过程这四项科学探究能力设4级评分，分别为2分、4分、6分、8分。每个等级的评分标准都给予了比较详细的界定。表3—3（见下页）为评价设计实验探究方案的评分标准（部分）。

表4－3　课程作业评分标准（设计实验探究方案部分标准）