物理教学中探索性课题的开发
物理教学中探索性课题的开发
张皓峰
顺义区第八中学
探究式学习的核心思想，是让所有学生在校内和校外的学习过程中,以符合其年龄特点、符合其认知需要、符合科学探究规律的方式亲历探究自然的奥秘，在观察、提问、设想、动手实验、交流的过程中促进学生建构对自然及其规律的认识和感受，体验并学习科学探究的基本方法。不仅培育学生学习的方法和态度，也培养他们对待生活的方法和态度。通过对现象的观察和随之产生的逻辑分析，唤起孩子们的好奇心，使他们形成对物质和生命客观世界的初步了解，在初步的探究过程中培养创新意识和创新能力.
关键词:探究式学习 建构主义学习 结合 物理教学
引言
与传统教学不同，建构主义主张采取个人或小组的自主探索与学生集体中的合作学习相结合的方式学习。在这种学习中，反馈并不是直接来自教师，而是来自经操作所造成的外界物理环境的变化、学生自身内部的监控和学生集体中的不同见解的交流。在教法设计和教师的作用方面，建构主义反对教学对学生认识过程的直接干预，这些都使教师的作用发生了很大的变化，由教学过程的设计者和控制者，转变为问题情境及学习资源的设计者和提供者。在教学过程中，教师是学生学习的促进者，发挥组织、向导和示范的作用。所以在探索与合作学习中的教学技能，也与传统教学中的教学技能有很大的区别。这些技能将主要体现在探索性课题的开发、问题情境的设置、学习资源的开发与利用、必要的认识过程脚手架的设计与实施、必要的原型示范的设计与提供、合作学习的组织与评价这些方面的教学行为中.这里只对探索性课题的开发加以讨论.
探索性课题的开发
所谓探索性课题的开发是指，将什么教学内容设置为建构性的探索式学习。这是进行探索式教学的第一步，也是最关键的一步。虽然将什么教学内容开发为探索式学习具有很强的灵活性和个性特征，但也不是无规律可循。因为这种学习应该实现建构主义所提出的能力发展目标，而这些目标的实现是有规律的，抓住这些规律就找到了探索性课题开发的线索，并使探索式学习的教学更有目的性和有效性。如前所述，建构性学习应发展学生的认知能力、实践能力和创新能力。心理学的研究表明，这些能力的信息加工过程有其各自的`特点和规律，将这些规律与物理学科的内容特点相结合，就构成了开发探索性课题的基本方法。
发展认知能力的探索性课题的开发
认知能力是指学生在主动地利用原有知识经验去获取新知识的学习过程中，对认知结构的建构能力。建构的内容包括两个方面：一是使新知识获得心理意义，并使原有知识结构得到重组；二是对自主学习过程中建立目标、制定计划、诊断和调控等信息加工经验的建构，即认知策略和元认知能力的建构。在这种目标的导向下，我们就可以依据学生原有知识经验基础的水平，将那些有可能通过学生的自主学习对认知结构进行建构的教学内容，开发成探索式学习。
例一、关于“长度的测量”的讨论。认知能力的发展不仅表现为用原有知识经验去获取新知识的能力，同时不表现为对原有认知结构进行重组的能力。所以设计某种课题的讨论，使学生的原有认知结构得到重组，从而发展这种能力，也是开发探索式学习的一种方法。在这一课题中，学生学过简单的长度测量的概念，也使用过刻度尺，但离正确测量相隔较远，不能建立联系。
另一方面，在学生生活经验中，形成了比较牢固的粗测物体的长度的经验，尽管学习了正确测量的概念的文字表述，但一遇到具体问题时，往往错误地把粗测物体的长度与正确测量联系了起来。针对这种情况开展如下的实验讨论，可实现学生认知结构的重组。讨论题是：提供长短、最小分度值、薄厚均不同的刻度尺,让学生测量物理课本的长和宽,因为工具不同,拥有短尺的学生就无法测量;第二,让学生测量练习本长和钢笔尖的宽,学生又发现,最小分度值过大;第三,学生中会有只读准确值,而不读估计值的现象;第四,让不同的学生测量同一物体的长度,会得到不同的结果……通过对学生结果的评判,及学生的实验,通过这种探索式讨论对一物体测量时应该采取的正确的做法是:①先估测物体的长度;②根据实际要求选择合适的测量工具;③具体测量是应注意的操作事项;④测量时数值的读取;⑤误差的减小等问题.这样一来,可以加深对长度测量的理解，并使之与其他带刻度仪器之间建立起联系和区别.
例二、初中物理“固体压强”的教学内容。建构主义不仅强调对新信息的意义建构，同时还强调对认识过程的信息加工方法的建构。在物理学中，对多变量的问题采用变量控制的手段是一个普遍的研究方法。所以学习应用这一研究方法就可以发展这方面的认知能力。从这一能力发展的目标出发，可以将“固体压强”的演示实验，开发成学生的探索性实验。首先引导学生回忆在“密度”学习中对体积进行变量控制的方法，以及在“速度”的学习中,分别对路程和时间的变量进行控制的研究方法.然后提出在固体压强中，压强与哪些因素有关，具体是什么关系的研究课题。要求学生设计实验并得出结论。学生首先要明确总任务的要求，然后将其分解，先定性研究压强都以哪些因素有关，然后再定量研究压强与这些因素的关系。学生在研究定量关系时会发现，不能同时研究压强与压力和受力面积的关系。这时需要学生采用变量控制的研究方法，调整原来的定量研究计划，采用变量控制分步研究的方法。从这一研究过程中可以看出，学生要明确探索任务，制定计划，在探索过程中监控实施计划的情况，调整计划，应用策略等一系列元认知和认知策略的能力，从而使这些能力得到了发展。
建构性学习的显著优势是有利于创新能力的发展。创新能力由创新意识、创新思维和创新实践能力构成，其核心是创新思维能力。心理学研究表明，创新思维主要由形象思维、直觉思维、发散思维和逻辑思维构成。将这些思维能力的信息加工规律与物理教学内容相结合，便形成了开发培养这类能力的探索性课题的方法。
发展形象思维能力的探索性课题的开发
形象思维在学生的物理学习中起着极为重要的作用。如果学生对物质的微观、宏观结构的形象、对特定条件下的物理现象和过程，不能在头脑中形成清晰准确的物理图景，就不能把语义知识与现实过程有机地联系起来，也就难以正确地进行分析、推理、判断等逻辑思维活动。
例如:学生对磁体周围空间存在磁场且对放入其中的磁体有磁力的作用的理解.因为学生对这一物质的存在方式无形象的概念,在为学生建立形象概念时,不妨借用水果实物,滴水在水果花蒂上,让水缓慢沿水果表面流向下方,水流所经过的球面可以人为是中心轴－－磁体周围的一层空间,多曾空间的重叠,由里及表,即为磁体的周围空间.且对放入其中的磁体有磁力的作用.这样一来,学生对磁场这种物质的存在方式就有所理解了.
另一方面，如果能够将逻辑思维中的原理假设与一些原有的事物表象结合起来，在头脑中构成未曾见过的新形象，这便是想象。而基于形象思维的想象是创新活动的一个重要源泉。
例如,在物理学中，理想化模型和理想化实验都是一种重要的研究方法，这实际上是逻辑思维与形象思维相结合的产物。在物理练习中，可以依据这一方法开发一些这样的习题，培养学生的形象思维能力。
美国人经常在对自己的孩子描述中国的地理位置时说：“如果从我们脚下打一个洞，一直通到地球的另一边，那就是中国了。”试问，如果将一个物体从洞的一端释放下去，它将做怎样的运动？答案应该是做简谐振动。在考虑物体相对于地球的运动时，就不能再把地球视为质点了，而是要想象在物体运动的过程中，地球质量相对于物体的分布情况，从而判断出物体受一个恢复力的作用，所以运动过程是简谐振动。类似的理想实验还可以有，“如果将木球斜抛入水中，不计水对球的磨擦阻力，木球将怎样运动？”
发展直觉思维能力的探索性课题的开发
直觉思维也是物理研究中重要的发现源泉。科学家在积累了大量的实验观测资料后，就转入寻找其关系的冥思苦想中，而突然顿悟，提出猜想和假说，便是直觉思维。直觉思维的信息加工对象是事物的关系属性，是对事物间关系的直接联想与猜测。
例一、初中物理“浮力”的教学内容。首先教师演示：分别把木块和铝块浸在水中，放手后看到木块上浮，铝块下沉。提出问题：“木块上浮显然受到了浮力的作用，那么铝块下沉，它是否也受到浮力的作用呢？”教师示范演示，将挂在弹簧秤下端的铝块浸入水中，请学生观察弹簧秤的读数，并组织学生讨论，得出沉没在液体中的铝块也受到浮力的作用，浮力的大小可以通过弹簧秤的读数差来计算的结论。将学生分成小组进行探索性实验。每小组有如下器材：装有适量液体的量筒（不同小组用不同的液体）、弹簧秤、铝块、线。把铝块挂在弹簧秤下方，让学生按表格要求做实验：
浮力探索实验
观察记录
实验步骤 弹簧秤读数如何变化？记录读数 量筒液面到达的刻度如何变化？记录读数
铝块在空气中
铝块约1/3体积浸入液体
铝块约1/2体积浸入液体
铝块浸没在液体中
铝块浸没后继续下沉（但不碰底）
对以上的实验数据提出探索任务：①计算出每种情况下铝块所受浮力的大小；②比较前两次浸入液体中铝块所受浮力的大小，说明其原因；③比较最后两次浸没在液体中时铝块所受浮力的大小，说明其原因；④最后思考除了用弹簧秤测浮力的方法之外，还可能有什么方法可以得到浮力的大小？
学生可能的探索结果有以下几种情况：铝块受到的浮力不同与浸入液体中的深度有关；铝块所受的浮力只与浸入液体中的体积有关；铝块浸入液体中的体积等于它排开液体的体积；铝块受到的浮力是力，它排开的液体有重量，也是力，有可能两者数量相等，这样只要知道所排开的液体重量就可以知道浮力了。
组织全班学生进行合作学习，相互交流，可以弥补学生中某些不全面的认识。可以看出在这一探索过程中，学生要通过直觉思维发现物体浸入液体中的体积与物体排开的液体体积之间的关系。这正是阿基米德在洗澡时的直觉思维结果。当然表中的最右边的一列数据给学生提供了进行直觉思维的暗示。由于各小组学生所用的液体不同，如果细心的话，在班集体合作学习中，会发现各组测出的浮力大小不同。这一现象是引导学生对物体排开的液体重量，与物体所受到的浮力之间的关系，进行直觉思维的重要线索。
发展发散思维能力的探索性课题的开发
在物理教学中有许多内容都可以发展学生的发散思维能力。
例如:一题多解、用不同的认识方法取得同一知识结果、设计不同的实验方法验证物理规律等。对于具有这些认识特点的教学内容就可以开发成探索式的学习。
例如，某中学在开展物理小制作的活动中，要求学生制作“杆秤”。在制作后的讨论活动中，一个同学提出“能否用一把最多能称20千克的杆秤称出一个26千克的物体的问题。”最后还是他自己演示了他的方案，如图2所示。
又如，在制作潜水艇模型时，虽然多数是根据靠改变自身的重量来实现潜水或上浮的。但有个学生的作品是靠改变自身的体积（从而改变自身受到的浮力）来实现的。如图3所示。(以上两个小制作摘自 白炳汉等编《中学物理教学方法跟踪研究》)
还有某些学生在学习了密度和浮力的知识后，学生设计测量木块密度的方案，这一活动充分地调动了学生的发散思维，学生们设计出利用定义法和利用漂浮条件测量的很好的方法,充分表现出学生的创造力。
发展逻辑思维能力的探索性课题的开发
逻辑思维虽然不直接产生创造性的活动，但它是创造性活动的基础。例如，阿基米德在发现浸入水中物体的体积与物体排开的液体体积之间的关系之前，也曾洗过千百次澡，但那时为什么没有发现呢？这是因为当阿基米德接受了测试皇冠是否是纯金的任务后，用密度的理论知识经过了严密的逻辑思考，得出问题的关键是如何测出不规则物体的体积。在此指引下，将思考集中在皇冠体积的获得上，才有可能产生直觉思维的发现。
又例如,奥斯特在给学生上课时,突然发现,给导体通电时,旁边放置的小磁针就会发生偏转.直觉告诉他,电与磁之间存在着某种特定的联系.物理教学中，发展逻辑思维能力的课题往往是用学过的理论去解释新现象时产生了矛盾，从而对原有理论进行发展的情况。
在物理学的研究中，实证逻辑也起着很重要的作用。仅从一个现象或某方面就下结论，往往会导致错误。例如，在讲授光的色散内容时，演示了白光通过棱镜后散成了彩色光。教师提出问题：“通过这一现象能否下个结论，即，白光是由各种色光复合而成的？”经探索发现，按照实证逻辑的要求，仅从上面这个现象得出结论还存在两个不确定性：①有可能是由于棱镜改变了白光的性质，使之成为各色光；②色光有可能也是由其它色光复合而成的。学生探索如何用实验来验证这两个逻辑假设。探索结果是：必须进行将彩色光通过棱镜后又还原为白光的实验，从而排除了第一种不确定性。因为如果棱镜改变了光的性质，彩色光就不能再还原了。就如同生米煮成了饭，饭不可能再煮成米的逻辑一样；另处再进行单色光通过棱镜仍然还是单色光的实验，从而排除了第二种不确定性。
结论
综上所述，从能力发展的目标出发，掌握各项能力的心理学含义，将各项能力中的信息加工规律与物理教学内容的特点相结合，就形成了开发探索性教学课题的基本方法。
参考文献：
白炳汉等编《中学物理教学方法跟踪研究》
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