物理课堂中学生探究性水平的设计与指导

1、物理课堂中学生探究性水平的设计与指导摘要：本课题采用“行动研究”法对物理课堂中如何开展探究性学习进行了实践探讨，在美国国家研究理事会（罗星凯译）的科学探究与国家科学教育标准、学与教的指南一书的启发下认识到：课的类型不同，探究层次不一，学生探究性水平的设计也不同。以皮连生教授的知识分类学习论为理论指导，参考了加涅、皮亚杰的有关心理学论著，分析了高中物理教学内容，确定了适宜进行探究性学习的课的类型可归纳为：抽象难懂概念的形成学习；规律的发现学习；概念、规律的应用学习；物理现象的研究四类，通过大量实践，我们总结出相应的探究层次可定位于：指导探究；实验探究；问题探究；综合探究四个层次。并对各层次的探究

2、课堂的特点进行了深入的分析，总结出初步的规律性的东西，供同行参考。一、研究的背景全国性的课程改革展开已近二年，改革后课程的一个最显著的变化就是增设了必修的综合性课题研究课程，同时各学科也增设了“课题研究”一块内容，把对学生的科学思维、科学研究方法的训练要求提高到了一个前所未有的高度，这无疑是对我国长期以来重结果、轻过程的教学指导思想的一次积极变革。且目前的改革还只是迈出了第一步，今后教材还将逐步变革到适宜学生自主学习的“学材”，将研究性学习进一步融合到平时各学科的课堂教学中。物理学科是各学科中最适宜进行探究性学习的学科，在物理教学中提倡“学生通过自主地参与获得知识的过程，掌握研究自然所必需的探

3、究能力；同时，形成认识自然的基础科学概念；进而培养探索未知世界的积极态度。”既符合物理学自身的特点，也能满足学生学习的心理需求。因此，在平时的物理课堂教学中应尽快转变观念，尽量多地应用探究性学习模式，以适应物理教学的自身规律。且目前掀起的以课题研究为特征的研究性学习课程也不是游离于课堂教学之外的新花招，而是课堂教学的有益补充和延伸。课程改革作为实施素质教育的突破口，如果没有课堂教学的同步改革，它的目的也是不能实现的。本课题的研究目标就是要模索出一套可操作的、行之有效的、在高中物理课堂教学中进行探究性学习的模式。这对贯彻我国课程改革所推崇的教学思想，提高学生的整体素质具有积极的推动作用。对提高教

4、师的教学水平，使教师尽快转变教学观念也具有积极的现实意义。二、研究的总体思路本课题侧重从教材内容和学生认知心理的角度入手，不追求理论问题的深入探讨，只在构建理论框架的基础上，偏重理论的运用和实践探索，即重在实践层面上的研究。故而采取的研究方法以行动研究为主，具体结合文献研究法，典型示例法等方法展开。研究从以下两方面入手：一是从认知心理学角度分析课程内容的学习规律，分析不同类型的学习内容对于学生学习和教师教学的要求；二是分析探究性学习的特点及其内在规律。然后在此基础上进行教学设计，并在教学中进行实践探索，最终构建一套教学模式，既体现探究性学习的精髓，又便于实际教学中操作。在研究过程中，遵循集中研

5、讨-分头实践-集体交流总结的原则。每次活动都由课题负责人根据课题的进展情况，确立一个主题，展开各种形式的活动和研究，在理论上达成共识，在课堂上各自运用。并组织课题组内教师互相观摩研讨，在讨论中提高，在提高中深化。在期中、期末检测中，及时总结实践的得失。必要时也曾专门组织测试，评价实践的得失。在普遍实践的基础上，我们再组织典型示例，邀请课题组外老师听课评价，根据评价意见我们再进行修正，把课题做实做活。因为本课题的研究与新教材的使用是同步的，所以参加研究的教师都是第一届使用新教材的同备课组的老师，其中高级教师三位，中级教师一位，初级教师三位，有二位是课题中期加入的。具体参与实践研究的学生对象为我校

6、2004届全体同学（842人），其中（6）班同学在平时物理课中尽可能采用探究式课堂进行学习，以便最终比较学习效果。因此课题的研究是根植于新教材使用的丰厚土壤上的。三、理论建树和实践探索（一）对物理课堂探究性学习模式的思考通过我们的实践分析，要使探究性学习模式能在课堂中顺利展开，同时又能顺利完成教学任务，最为重要的是要体现以学生为主体这一探究性学习的特征。“探究”、“研究”极富主体参与意识，在探究性学习中，学生在整个研究过程中都处在一种紧张、积极、活跃、兴奋的状态，教师只是一个指导者、帮助者。个体创造潜能的开发，首先依赖于个体主体性的发挥。课堂探究性学习更应注意营造宽松的氛围，注意问题的提出方式

7、，让学生能不受拘束地思考。课堂探究能否顺利进行，很大程度上要看有没有充分发挥学生的主体作用。可以这样说，如果在课堂上不能体现学生的主体性，就没有课堂探究性学习。学生之间，师生之间共同探讨问题应是一种常见的情景。教师此时更应注意谈话的技巧，应该是起引导、帮助的作用，绝不能喧宾夺主、取而代之。而其它某些探究性学习的特征如开放性、实践性并不一定每堂课都能做到。倒是应该做好学习任务分析，把握探究的层次和探究性学习模式的应用程度，并不是任何内容都是适合这种学习模式的。美国国家研究理事会（罗星凯译）的科学探究与国家科学教育标准、学与教的指南中对探究性学习的层次划分值得我们借鉴。课的类型不同，探究层次不一，

8、学生探究性水平的设计也不同。（二）物理课堂探究性学习课的几种类型根据我们的实践，我们觉得高中物理内容有以下几种类型的课可以开展不同程度的课堂探究性学习：1、 抽象难懂概念的形成学习，探究层次定位于“指导探究”。2、 规律的发现学习，探究层次定位于“实验探究”。3、 概念、规律的应用学习，探究层次定位于“问题探究”。4、 物理现象的研究，探究层次定位于“综合探究”。下面就各种不同类型的课的特点进行分析，在此基础上对不同层次的课堂探究性学习提出教学设计要点，课堂教学的具体操作过程请参看附件。、抽象难懂概念的形成学习从认知心理学的角度看，这类概念属于上位概念。如动量、电场、电场强度、电势差、电动势、

9、磁场、磁感应强度等等概念，其特点是抽象、学生自主探究存在较大困难。采用探究性学习的方式进行教学，应属于建构主义理论中的概念形成学习。且在概念的形成过程中，概念这一程序性知识的习得并没有清晰的陈述性阶段和程序性阶段之分，而是可以通过若干正、反例来辩别、概括、抽象出新概念，因此在概念的形成过程中，就已经完成了陈述性阶段与程序性阶段之间的转化过程，认知水平较高，难度较大。这类课如果采用接受式的同化学习模式，往往学生也感到过于抽象而难以接受，难以将其纳入已有的认知体系中。因此我们将这类学习定位于“指导探究”的教学模式内，其特点是教师通过一些事例引导学生明确引入这些概念的必要性，引入这些概念要达到一个什

10、么样的目的，在我们今后的学习、研究中起什么作用，结合我们现有的知识，怎样去定义物理量才能达到目的？从而在教师提供正反例的基础上展开以思维为主的探究性学习。教学中还可以采用多媒体手段、演示实验将抽象的事例形象化，以利于学生思考，直到最后学生自主地认识到这一概念的正确定义方法后，肯定学生的定义，形成概念。我们认为，这种课堂教学模式也部分地体现了探究性学习的精神。而且这样做学生也较易接受这些抽象的概念，因为概念的定义毕竟是他们在教师的指导帮助下自己想到的。比如在“电场强度”这一概念的形成学习中，我们就提出：电场既然有强弱，为了定量地研究电场我们有必要引入一个能反映电场本身强弱的物理量。这个物理量显然

11、应该只由电场本身决定（可以要学生思考为什么），而与有没有电荷在电场中受力无关。但电场看不见，摸不着，我们又必须通过引入试探电荷才能获得有关电场的信息，请同学们思考一下我们怎样定义这个物理量比较合适？之后，教师可以自言自语地给予学生一些启发：电场中某一点，放不同的电荷受到的电场力肯定不一样，但电场本身的强弱是一定的，就开始了指导探究的过程。在这一过程中，设计一些对学生有启发的正反例，甚至在此我们还制作了多媒体课件来形象地展示相关事实。经这些展示后，我们问同学是否发现了定义反映电场本身强弱的物理量的方法？多媒体课件在展现抽象的物理现象时有它独特的魅力，但它不能取代演示实验，因为人为设计的东西不能代

12、替真实的物理过程，所以它在抽象难懂概念的形成学习中最有用武之地。不过我们也不要仅仅为了装饰课堂而使用多媒体，有些内容不用课件，也不用演示实验，纯粹展开思维探究，用嘴吧讲例子也未尝不可。为了探究能顺利进行，免入歧途，教学中还必须注意下列事项：关注学生的起点能力 学生学习一个新概念，必须有一些相关概念作为起点能力，方可进行辩别、概括，抽象出新概念。例如：“动量”这一概念的习得，需要考虑学生是否已具备“质量”、“速度”、“运动效果”等等概念。在进入新课教学之前，不妨花些时间为起点能力作些铺垫。关注前概念的干扰 某些前概念在学生头脑中是根深蒂固的，是学生习得正确概念的拦路虎。对于存在前概念干扰的概念，

13、可在教学中设计一些反例加以澄清。例如，在自由落体运动的教学中，“自由落体运动”这一概念的形成就受到“重的物体下落得快，轻的物体下落得慢”这一生活经验中形成的前概念的干扰。利用下述反例澄清的效果就很好：取一张纸，裁取其四分之一揉成一团，与另四分之三纸片一起从静止开始落下，看看谁先落地。精心设计正、反例 概念的形成过程，其关键就是要通过适量的正例，使学生概括出概念的本质属性。通过若干反例，形成分化，才能使学生对概念的认识深化，排除前概念的干扰，使概括的结果正确化。因此，设计正例时要力求例子具有同一性，相关性，准确性，便于学生概括。切忌东一郎头西一棒，把有关的例子在时间上分割开来。正例的无关特征须不

14、断变化，学生才能形成正确的概括。 而设计的反例要有助于学生深化对概念的认识，有助于分化出正确识别概念的细化了的条件。但考虑到高中物理的教学对象已经不是低年级学生，他们与低年级学生的最大差别是：他们已有对事物的较强的概括和抽象能力，同时也有更多的这样和那样的前概念干扰。经常需要先考虑设计一些反例来澄清前概念的干扰，引导学生认识到以前的一些认识是没有排除某些非本质因素的影响所致。而正例的数量可以大为减少，否则可能让学生仄烦。、规律的发现学习规律的学习属于认知心理学中的规则学习范畴。谈规则的学习，我们先看看什么是规则以及规则的习得途径：当学生能在许多类的客体和事件中以某一类关系做反应，在各种情况中的

15、行为有“规律性”时，我们就说学生习得了规则。一般规则包括了除分类之外的其它类别，如大小关系，相似关系，前后关系，在物理学中更多以函数关系和图象关系来表述。在高中物理课程中，我们更多的是遇到简单规则的复杂组合，通常创造这些复杂规则的目的是为了解决一类实际问题，即习得“高级规则”去进行“问题解决”。所以规则的习得途径也有类似概念形成学习的“例规法”和类似概念同化学习的“规例法”根据上述分析我们不难发现，为了使我们所培养的学生更具有创造能力，在规则、高级规则的教学中，适合采用“例规法”进行规则的教学。在物理教学中的具体表现就是通过对物理现象的观察、物理实验的探索总结归纳出物理规律，并能初步应用于问题

16、解决中，所以非常适宜采用探究性学习的方式来进行规律的发现学习。这里的探究我们定位在“实验探究”的层次上。“例规法”中的“例”包括平时生活中观察到的实验现象；教师有计划地布置学生课外做的探究实验；学生自己设计做的课外实验；根据学生建议做的课堂实验（包含随堂实验、演示实验）等。但反对像以前那样要学生被动地观察演示实验，或者事先设计好步骤，学生连为什么要做这个实验也不知情，只是像群机器人一样按既定程序操作，最后得出结果的所谓随堂实验。因为这样做看似以学生为主体，热热闹闹的探究学习，实质上还是填鸭式的教学。在“规”的过程中老师可以在学生有困难时帮助他们总结规律，但不能关爱过度，帮助过分。更不能越俎代庖

17、，使好不容易创造起来的探究情境不能充分发挥它应有的作用，浪费资源。我们认为规律的发现学习课是最容易渗透物理研究方法的课，我们应该充分利用好，尽量让学生真正体验物理研究的过程。现在很多老师都有良好的敬业精神，常常把课本上的演示实验改成随堂实验，这样做的确很好，但有些学校可能会受到条件限制。另一方面，改成随堂实验后如果不注意体现学生的主体性，将仍然是形似而实非的实验探究。而演示实验处理得法，也能很好地进行实验探究。这就要求我们既不要为了追求形式而轻演示实验，重随堂实验，更不要包办实验。不管是演示实验还是随堂实验都要在以下两种前提下做：一是揭示现象，提出问题，激发学生的探究欲望。二是学生为了解决提出

18、的问题，想要做的实验。教师可以在实验前做好引导，并将自已视为学生中的一员，出谋划策，渐渐地在学生解决问题的过程中把学生引导到我们要做的实验中来。然后通过实验解决问题，得出规律。比如我们在进行动量守恒定律的教学中，就提出这样的问题：冲量可以改变物体的动量，一个物体所受的合外力为零，没有合外力的冲量，则物体的动量不变，那么两个物体作为一个整体来看，是不是也这样呢？这时学生会提出用实验来研究。（如果学生说一定会这样，那我们就要他说出理由，要有充足的根据。如果他能从理论上加以证明，那也是收获。）这时我们可以要求学生讲讲这个实验打算怎么做？教师也要在合适的时机说明能提供什么样的实验器材，在大家认为方案比

19、较完善后，完成这个演示实验也就水到渠成了。（当然，学生如已能从理论上完成证明，我们再演示证实一下也未尝不可。）在这里，具体的课堂操作不能事先定得死死的，一定要灵活机动，但探究的总体思路是事先可以设计的。3、概念、规律的应用学习。从认知心理学的角度看，这种类型的学习属于高级规则的习得与应用，属于问题解决的范畴。皮亚杰在他的发生认识论原理一书中总结说：“在不同水平的两个结构之间不能有单向的还原，而是有互反的同化，以致高级的东西可以借助于转换而从低级的东西中演化出来，同时高级的东西可通过整合低级的东西而使低级的东西更为丰富。”学生在这类知识的学习中已经具备了解决问题所必需的概念和规则，他们所要进行的

20、是把这些概念、规则重新组合，形成高级规则去解决问题，同时在问题解决的过程中又使得已有的概念、规则获得重构。这里学生已具备大量自主活动所需的资源，也面临可以通过自主活动来解决的问题。所以这种类型的课最适合进行探究性学习，有时还能完全放开进行开放式的课堂探究，并延伸到课外。我们把这一类探究性学习定位于“问题探究”，比如超重和失重、回旋加速器、日光灯原理等内容的学习。如有的文章介绍超重和失重的课例，就延伸到了课外：老师课前要求学生去乘坐电梯，并将在乘坐中要学生体验的各个时间段交代清楚。也有的还要求学生提个弹簧秤去电梯里称物体的重量，观察各个过程中弹簧秤读数的变化。再比如讲日光灯原理也可以让学生在课后

21、练习解决日光灯的某些故障（要强调注意用电安全）。当然如果条件受限，不延伸到课外也无损探究大局，我们只要先设计一些学生感兴趣的实验或情境就可以引发学生的探究欲望。如超重和失重的教学，就可以用一个底部有小孔的漏水瓶子装满水，当它自由下落时不漏水了，这样就可引发学生的探究欲望。回旋加速器的教学，则可以通过介绍现代科学研究中对粒子的加速要求及遇到的问题来创设探究情境，引发学生探究。要强调的是，这类探究课虽然容易上手，但如何设计引入探究的问题情境，如何设计深入探究的问题梯度是需要教师在备课中认真思考的。引入探究的问题情境创设不好，学生缺乏探究欲望，则开局不利。深入探究的问题梯度把握不准，学生可能会在探究

22、过程中被困难吓退，结果教师不得不加入大量的解释说明，以学生为主体的探究课说不定就给上成一堂教师的演讲说明课。或者出现另一种极端情形：问题太容易而使学生失去了探究热情。因此关于如何设计问题确实需要广大教师深入研究，我们在实践中虽也取得一定的成功经验，但还不是很成熟，经常感到每次备课都说不定会灵机一动想出个新点子。且这方面的研究文章报纸杂志上介绍的也很多，我们的经验也没有什么特别之处，在此不再赘述。针对这类课的问题探究教学，我们还可以结合研究性学习课程，展开开放式的探究学习。我们在高二物理课中，选择了能源、环境、空气的湿度、固体和液体的性质等内容进行了这种探究活动，取得了较好的效果。因为这不属于本

23、课题研究的范畴，具体的操作过程我们将另外攒文介绍。、物理现象的研究这类课在整个高中物理课程中虽然不多，但却也自成体系。如果从认知心理学角度去分析，这类课既有概念的形成学习，也有规则的学习，甚至策略性知识的渗透也比较多。如波的干涉和衍射、多普勒效应、电磁感应现象、自感现象、光电效应等等内容的教学都属于这一类型。这类课既有概念的形成，又有实验现象的研究，还有成果的应用，所以我们将这类课定位于“综合探究”的层次。但这并不表明这类课不容易进行探究教学，恰恰相反，这类课的特点在于可以用有趣、新奇的现象或引人深思的问题引入新课，从而围绕引入主题进行深入探究。或再做实验来探究；或以严谨的逻辑思维旁证博引；是

24、一种很好的进行探究性学习的材料。如我们在电磁感应现象的教学中，就直接开门见山地提出：电流能产生磁场，那么磁场能产生电流吗？如果能的话，应该满足什么样的条件？在粗略地介绍了法拉第的十年艰辛后，我们就引导学生展开了实验探究。先让学生观察闭合电路中部分导体切割磁感线产生感应电流，但不强调是部分导体切割磁感线。继而提出是不是一定要这样平移切割，转动行不行？磁铁不动线圈动行不行？至此，学生会形成这样的想法：只要闭合电路相对磁场有切割磁感线的运动就会在电路中产生电流。教师此时问学生，这是不是就是我们要寻找的条件呢？教师作为其中一员，此时故意设计了一个实验来证明相对运动也可能不行，（具体做法可以借用洛仑兹力

25、演示仪的匀强磁场，让线圈在其中平移而磁通量不变）迫使学生寻找另外的思路。最后帮助学生将条件表述引导到“穿过闭合电路的磁感线条数发生了变化”。紧接着乘机提出：那么不通过发生相对运动来改变穿过闭合电路的磁感线条数，而让磁场本身强弱发生变化行不行？这样演示实验的引入毫无生硬之感，学生也学得兴趣盎然。而且在认知上也体现了从熟识到未知、从现象到本质这样一种认知规律。我们还将磁通量的概念学习放在这些实验之后，要学生归纳引起穿过闭合电路的磁感线条数变化的原因。然后提出，要定量地反映这一变化，我们可以引入一个新的物理量，这个物理量的变化就反映了穿过闭合电路的磁感线条数的变化，这个物理量应怎么定义呢？这就又实现

26、了通过概念形成学习的方式让学生形成磁通量概念。最后总结出课本的产生感应电流的条件：穿过闭合电路的磁通量发生改变。问题设计是否恰当，问题梯度是否适宜，在这类课中也是一个需要重视的突出问题。事实上，探究性学习作为一种学习方式，就已经和问题结下了不解之缘。前面介绍的指导探究和实验探究也涉及问题设计，不过相对容易而已。四、对课题研究的反思经过近二年的研究与实践，我们觉得课题取得了预期的效果，但也还存在一些问题。（一）达成的主要效果：1、 有助于新教材的使用从2000年下半年开始，在全国推行使用新教材。这不是形式的变化，而是一场深刻变革的开始。这需要教师转变教学观念，以新的理念适应新教材的教学。本课题的

27、研究是符合教材改革的精神的，近两年的实践证明它是行之有效的。在物理课堂中应以探究性学习模式为主进行教学的观念已牢固地树立在备课组老师的思想中。2、 推进了课堂教学改革研究之前，本备课组教师还比较习惯于接受式的课堂教学模式，有些还有一些认识上的误区：把课堂探究性学习局限于学生自学或学生随堂实验，把事前由教师按排好步骤，由学生机械操作一遍的随堂实验当成典型的探究性学习，本末倒置。研究之后，课题组成员在教学中不拘形式，探究中重在学生主体性的发挥，教学方法丰富多样，努力把课堂建设成民主化、学习型的课堂，大大促进了学生能力的发展。3、 整体提高了学生的素质由于历史的原因，学生习惯于接受学习，好奇、求新、求异的天性几被扼杀。在课题研究过程中，课题组成员在实施课堂探究时的上课模式，开始学生也不习惯，但后来他们却越来越喜欢。学生的各方面能力，如收集和处理信息的能力、语言文字表达能力、发现和解决问题的能力、自我探索能力、实践能力、综合创新能力等都得到了提高，这无疑大大地提高了学生的整体素质。特别是（6）班同学在物理课堂上，越来越表现出一种独立的、发散性的、主动的思维品质。但这种思维品质在高一、高二的基础考试中我们还没有发现其对考试成绩的提高有什么帮助，但也没有引起考试成绩的退步。我们将继续观察他们在高三的表现，相信努力不会白费。（二）存在的问题和发展方向本课题只