第四节         中学物理探究学习教学设计

新课程要求学生学习过程的多样化，探究学习法与合作学习一道，都是新课程所倡导的新的学习方法，它是传统学习方法的一次革命。探究学习（Inquiry Learning）是一种开放的、强调过程的学习方式，注重在事物与其他事物联系的基础上去了解事物。英文Inquiry 一词起源于拉丁文的 in 或 inward （在…之中）和quaerere（质询、寻找），对应的中文意义是：探问、质疑、调查及探究等。探究学习最早起源于美国，上世纪初，美国科学家杜威认为，人们把科学看做是一种通过直接灌输让学生学到的一堆知识，传统上科学教育过于强调知识积累，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。科学教育的过程应该是教给学生探究的过程。随后，美国的《国家科学教育标准》的核心就是把培养科学的思维能力作为基本目标；把科学思维和科学方法作为最主要的教育内容；贯穿让孩子们参与科学探究的过程中的“以探究为中心”的教育方法。

一、探究学习的特征

探究学习至今40多年来，研究中出现了多种不同形式的教学模式，但无论哪种模式，其基本特征不变，可概括为：

1. 学习者围绕科学性问题展开探究活动

所谓科学性问题是针对客观世界中的物体、生物体和事件提出的，问题要与学生必学的科学概念相联系，并且能够引发他们进行实验研究，导致收集数据和利用数据对科学现象做出解释的活动。在课堂上，一个有难度但又让人能尝到果实、足以引发探究的问题，能激发学生的求知欲望，并能引出另一些问题。

比如，对于低年级学生，符合上述标准的一个问题可以是大黄粉虫幼体是如何对光做出反应的？对高年级学生，可以问：基因如何影响人的眼睛的颜色？而即使对高年级学生，提出今后一百年问全球气候将会如何变化这样的问题也是不合适的。这个问题虽具有科学性，但过于复杂，学生回答这个问题决不可能全面考虑预测范围内有关的证据和论据。学生可能只会考虑个别因素，如云量的增多对气候变化将产生怎样的影响；或者可能考虑一些因果关系，如气温升高（或降低）对植物、气流、天气将有怎样的影响。

2. 学习者获取可以帮助他们解释和评价科学性问题的证据

与其他认知方式不同的是，科学是以实验证据为基础来解释客观世界的运行机制。科学家在实验中通过观察测量获得实验证据，而实验的环境可以是自然环境，如海洋，也可以是人工环境，如实验室。在观察与测量中，科学家利用感官感知，或借助于仪器如望远镜延伸感官功能进行观察，甚至用仪器测量人的感官所不能感知的物质特性，如测量磁场。有时，科学家能控制条件进行实验；而另一些时候则无法控制，或者实行控制将破坏实验现象。这种情况下，科学家只有对自然界中发生的现象进行大范围、长时间的观测以便推断出不同因素的影响。可以通过改进测量、反复观察，或者就相同的现象收集不同类型的实验数据的方法提高所收集到的证据的可靠性。证据是可以被质疑和进一步调查研究的。

在课堂探究活动中，学生也需要运用证据对科学现象做出解释。学生对动植物、岩石进行观察并详细记录它们的特征；对温度、距离、时间进行测量并仔细记录数据；对化学反应和月相进行观测并绘制图表说明它们的变化情况。同时，学生也可以从教师、教材、网络或其他地方获取证据对他们的探究进行补充。

3. 学习者要根据事实证据形成解释，对科学性问题作出回答

科学解释借助于推理提出现象或结果产生的原因，并在证据和逻辑论证的基础上建立各种各样的联系。科学解释须同自然观察或实验所得的证据一致，并遵循证据规则。科学解释还须接受公开的批评质疑，并要求运用各种与科学有关的一般认知方法（如分类、分析、推论、预测）以及一般的认知过程（如批判性推理和逻辑推理）。

解释是将所观察到的与已有知识联系起来学习新知识的方法。因此，解释要超越现有知识，提出新的见解。对于科学界，这意味着知识的增长；对于学生，这意味着对现有理解的更新。两种情况的结果都能产生新的认识。例如，学生可根据观察或其他的证据解释月相的变化、不同条件下植物的生长状况不同的原因以及饮食与健康的关系等问题。

4. 学习者通过比较其他可能的解释，特别是那些体现出科学性理解的解释，来评价他们自己的解释

评价解释，并且对解释进行修正，甚至是抛弃，是科学探究有别于其他探究形式及其解释的一个特征。评价解释时，可以提出这样的问题：有关的证据是否支持提出的解释？这个解释是否足以回答提出的问题？从证据到解释的推理过程是否明显存在某些偏见或缺陷？从相关的证据中是否还能推论出其他合理的解释？

核查不同的解释就要学生参与讨论，比较各自的结果，或者与教师、教材提供的结论相比较以检查学生自己提出的结论是否正确。这一特征的一个根本要素是保证学生在他自己的结论与适合他们发展水平的科学知识之间建立联系。也就是说，学生的解释最后应与当前广泛为人们所承认的科学知识相一致。

5. 学习者要交流和论证他们所提出的解释

科学家以结果能够重复验证的方式交流他们的解释。这就要求科学家清楚地阐述研究的问题、程序、证据、提出的解释以及对不同解释的核查，以便疑问者进一步地核实或者其他科学家将这一解释用于新问题的研究。而课堂上，学生公布他们的解释，使别的学生有机会就这些解释提出疑问、审查证据、挑出逻辑错误、指出解释中有悖于事实证据的地方，或者就相同的观察提出不同的解释。学生间相互讨论各自对问题的解释，能够引发新的问题，有助于学生将实验证据、已有的科学知识和他们所提出的解释这三者之间更紧密地联系起来。最终，学生能解决彼此观点中的矛盾，巩固以实验为基础的论证。

总之，探究是科学知识形成的本质特征，探究学习体现了科学教育与科学研究本质上的一致，反映了科学教育与科学研究内在的统一。实际的课堂探究学习，并没有必要完全包括上述五个步骤。这里值得注意，要组织起有效的探究式学习活动，除了收教师、学生、教学设施等的限制外，还与所学的学科知识内容有关。有些知识内容，由于种种原因，不易设计成通过探究式学习活动去获取。另外，对于特定的学生来说，一些内容的学习，用探究的方式，不仅效率太低，而且效果往往不如间接学习。

二、探究学习的基本要素

科学探究是物理课程标准提出的新要求，是物理新课程的一大突出特征。在课程标准中，科学探究是与科学内容并列并处于上位的内容，因而，科学探究贯穿于新课程始终。教师能否有效组织学生实施科学探究，关系到物理课程标准精神的落实，关系到学生学习方式的转变，更关系到学生科学素养的提高。

探究学习包括科学探索的基本活动，其基本要素如下：

1. 提出问题

课堂上教师要能为学生提供一定的问题情境，并组织学生参与一些活动，激发学生从中观察发现问题并提出要探究的问题，能较好地组织学生从事探究活动。而学生围绕教师创设的物理情境或现象引发学习兴趣，教师设法激起学生认知冲突，激发他们的求知欲望并提出探究问题；

学生提出问题或者学生在教师的引导下提出问题的一般方法如下：

（1）根据日常现象提出问题；例如，“冬天屋子的窗玻璃的内表面为什么会有水雾？”

（2）根据实验现象提出问题；例如，“学习压强时，通过凳子在沙子上放置效果的观察，教师问为什么相同的重物采用不同的放法其作用效果会不一样呢？”

（3）根据学生游戏、活动提出问题；例如，在学生学习“力的作用是相互的”这一知识点时，可以由学生溜旱冰，两位学生互相推对方，结果两人都后退了。学生根据这种现象提出问题。

（4）通过对不同现象的比较提出问题；例如，用大小相同的小木球和小钢球冲击纸盒，其打击效果完全不同，从而可以提出问题：动能的大小可能跟那些因素有关？

（5）根据学生已有生活经验提出问题；例如，人在冬天结冰的地面走路时很容易打滑，采用怎样的方法才不容易滑倒？

2. 猜想与假设

对产生的问题可能的原因进行猜想和假设，是问题解决的关键，也是学生产生新想法和新创意的摇篮。猜想不是胡猜乱想，猜想是应用现有的知识和经验对问题中的事实寻求可能的解释的过程。猜想与假设的依据有两点：一是已有的知识，二是生活经验，三是科学事实。因此猜想与假设的一般方法有以下几种：

（1）运用已有的知识和经验进行猜想；

（2）根据实验现象进行猜想；

（3）运用经验与直觉进行猜想；

所谓直觉，是指以学过的知识经验为基础，从整体上直接地、迅速地、抽象地把握事物本质的思维方式。运用经验与直觉相结合进行猜想，就是要根据经验事实，凭直觉进行非逻辑性思维，感悟出一些具体的想法或者初步的概念。例如：在研究光的反射定律时，直接要求学生根据实验现象对入射光线跟反射光线的位置关系、入射角和反射角的大小关系进行猜想，让学生凭直觉进行回答。学生的猜想肯定是不一致的：相等、不相等、入射角会比反射角大一些等。

（4）运用科学方法进行猜想与假设；

利用“逆反原理”进行猜想。例如：在学习了增大摩擦的方法之后，让学生对这些方法进行相反的思考，提出减小摩擦的方法的猜想：减小压力、使接触面变得光滑、变滑动为滚动等。

（5）对可能出现的实验结果进行推测与假设；

推测和假设是探究者根据自己的经验、已学过的知识以及所要探究的问题的科学事实，对得出的结论进行推测和假设。这种结论可能是唯一的，也有可能有几个不同的结论。例如：在探究“电阻的大小与什么因素有关”的问题时，在学生猜想电阻与导线的长度、粗细、材料有关后，可以进一步启发学生思考：如果导线长度变长，导线的电阻会怎样变？如果导线的横截面积变大，导线的电阻会怎么变？如果我们用实验进行探究，请同学们对实验的结果进行预计和推测。这个问题可以在学生思考的基础上，再以小组为单位进行讨论交流。

3.        制定计划与设计实验

制定计划与设计实验是为了检验猜想与假设正确与否，是科学探究的过程中的重要环节。这个环节是从操作的角度把探究的猜想与假设具体化，一般做法是：该探究要解决几个问题；每个问题有哪几种解决问题的方法；根据现有条件和探究的要求选择最好的方法；选中的方法需要什么器材；构思出操作的步骤。

由于目前学校的教学资源有限，而初中物理学习中运用实验方法是最为重要的，所以从这个意义上说，制定计划也就是设计实验的过程。但在设计前先要考虑选择科学探究的方法。

（1）探究方法选择；

（2）设计实验的一般过程：① 熟悉器材或者选择实验器材；② 设计实验步骤；③ 设计实验数据、现象的记录表格。

4. 实验与收集证据

科学事实是检验科学结论的唯一标准，数据是进行科学分析的根据。不收集实验数据，实验探究就无法进行，所探究的问题的结论也就不可能形成。

（1）收集证据的一般要求：① 要有明确的观察目标；② 要明确收集的内容；③ 要明确收集信息的时间。例如：用音叉做“振动产生声音”的实验时，往往用很轻的泡末小球接触刚敲过的音叉，此时音叉会被弹开。教师要指导学生明确观察的目标是小球；要收集的内容是观察小球接触音叉时会发生什么现象；收集实验现象的时间是小球接触音叉的那一时刻。

（2）常见的收集证据的方式

① 通过观察实验现象收集证据：进行实验是收集证据的一种常用方法，也是物理课堂教学中经常用的最为重要的方法。

② 通过观察日常生活收集证据：有些物理现象就在我们的身边，因此可以让学生在家中进行实验探究。比如，观察冰的熔化，观察水的蒸发和沸腾，观察液化现象，观察光的反射、折射等。

③ 通过查阅公共资源收集证据：教师应引导学生通过图书馆、阅览室、科技馆、博物馆、展览馆、博览会以及广播、报纸、电视和互联网的感公共信息资源收集资料信息，为探究活动做准备。尤其是让学生利用因特网站收集信息比经教师筛选并提炼后所给的信息更能培养学生对信息的检索、筛选和处理能力。

5. 分析与论证

分析与论证在科学探究中是必不可少的环节，实验数据是对实验事实的客观记录，探究的结论是对收集的证据进行分析与归纳，从而得出某些规律，找到某种关系，最终完成探究任务。常见的分析与论证的方法有三种

（1）运用归纳法得出结论：这种方法对定性描述比较适用。例如，在研究“声音的响度”时，一般在鼓面上放一些轻小的物体，通过观察这些轻小物体的跳动情况来反映其振幅的大小。

（2）运用推理的方法得出结论：研究牛顿第一定律的实验比较典型。小车在斜面上的同一高度处自由向下运动到不同粗糙程度的三个平面上，学生可以从小车运动的距离归纳运动的趋势：表面越光滑，小车运动得越远。由此再推广到理想化的情况：表面如果没有摩擦，小车将永远运动下去。

（3）运用比较法得出结论：例如，在研究“凸透镜成像规律”时，通过实验学生找到各种成像的情况，也测得了物体到凸透镜的距离和像到凸透镜的距离等多组数据，让学生通过比较和分析，总结出凸透镜成像的各种特点和规律。

6. 评估

评估是通过小组交流或全班讨论的方式，讨论在科学探究中所遇到的问题、获得的新发现以及改进的建议。评估可以从以下三个方面进行操作：

（1）检验探究的过程是否合理、科学：对实验的原理、步骤以及操作上进行回顾，看看是否合理，是否有科学性的错误。

（2）根据生活常识对结论进行判断：应分析判断所得到的结论与已知的正确结论是否矛盾，跟实际是否相符。

（3）分析结论的可靠性：将所得到的结论跟平时观察到的物理现象以及猜想与假设相比较，看看是否一致，进一步体会猜想的作用。

（4）改进实验探究方案：根据对结论可信度的分析，进一步使操作过程合理化。

7. 交流与合作

科学探究的特点决定了大多数的活动都需要合作完成。交流与合作是贯穿于探究全过程的具体做法。因为探究活动中比较完整、科学的计划、具体的操作需要许多同学共同讨论来完成。交流与合作也可以把它称为探究活动过程中的必须遵循的原则，为探究创设互助合作的氛围，使探究活动更加充满智慧和创造性。交流与合作也是探究过程中的一个重要环节步骤。因为各小组需要对探究过程进行讨论与交流，取长补短，最后找到最佳的探究方案。同时要讨论该结论在实际中有哪些重要的应用，利用结论解释生活中遇到的各种类似现象。而且最后的探究报告需要大家共同完成。

总之，探究学习事实上是一种双重的学习过程，它既是探究者对所探究的问题的学习，同时也是对探究过程的学习。探究学习解决问题的方法既是系统的又是灵活的，在具体的活动中可以根据情况增减、替换活动的顺序。

三、探究学习的教学模式

探究教学模式是探究学习理论的深化和具体化。目前，比较重要的教学模式有以下几种：

1.            学习环模式（Learning Cycle Mode）

该模式始于上世纪60年代，学习环将教学的过程分成概念讨论、概念介绍和概念运用3个前后相连的阶段，以提高学生的探究水平、促进学生的智力发展。

2.            5E教学模式（5 E Teaching Mode）

该模式是对学习环的进一步发展。它将学习过程划分为5个紧密相连的阶段：吸引（Engagement）、探索（Exploration）、解释（Explanation）、加工（Elaboration）和评价（Evaluation）。5E教学模式与科学探究的过程相吻合。

（1）吸引：这是该模式的起始环节。吸引阶段的教学目的是引出教学任务，激起学生的学习兴趣，将学生的注意力吸引到学习任务中来，并激发他们的求知欲。一般来说，创设问题情境、解释问题以及展示相互矛盾的事件都是吸引学生使他们把注意力集中到学习任务中去的方法。

（2）探究：这一环节是该模式的主体，知识的获得、技能和技巧的掌握都是在此环节完成的。在这一环节，教师要给学生提供直接参与调查研究的机会和条件，使学生有时间去从事对事件或情境的探究，并能全身心地投入到探究活动中。他们通过探究活动，获得感性经验。通过小组合作学习，实现经验的共享，并学会对事件进行质疑。在这一过程中，教师应扮演促进者的角色，注意观察、倾听、了解学生的需要，把握他们的思路（必要时可以改变他们的思路），引导学生将探究活动不断深化。提示他们避免可能遇到的挫折，不必领着学生一步步地解决问题，更应避免马上下结论或给学生提供答案。

（3）解释：这一环节是指学生对自己的经验开始抽象化、理论化，使其成为一种可交流的形式。在这一环节，教师要求学生在原有经验的基础上用自己的语言作出解释，并鼓励学生相互交流他们的解释，批判性地倾听他人的解释，并对其他解释提出质疑。通过交流、讨论，以及与教师提供的解释相比较，并通过进一步的观察、实验，由此检查自己提出的结论是否正确，推理过程是否有缺陷，从而修正自己的解释；以保证学生对有关问题的解释达成共识。

（4）加工：这一环节是学生用新获得的概念来解释周围事物或新情境中的问题。在这一环节中，通过质疑、复习以及新的活动、实践等来扩展学生对概念的理解和技巧的掌握。使学生用正式的定义或解释并将这些新的定义、解释和技巧等运用到新的相似的情境中去，从而得出正确的结论。教师也要领着学生一步步寻找答案，避免向学生提供明确的答案。

（5）评价：这一环节是该教学模式与其他教学的一个重要区别所在。评价由教师和学生共同参与完成。它不仅要求对学习结果进行评价，而且要求对学习过程进行评价。可以采用正式评价和非正式评价相结合。教师要从一开始关注学生的学习活动，至加工阶段形成一个正式评价。可以通过实施考试来评价学生的知识，也可以通过观察学生的活动（或小组协作）来评价学生的技能、技巧，或提出开放性的问题让学生来回答。总之，评价要做到定性评价与定量评价、形成性评价与终结性评价、自我评价与他人评价相结合，从而使教师和学生通过评价获得进一步改进教与学的必要信息。

3.            萨其曼的探究训练模式

这种模式是萨其曼通过观察、分析科学家的创造性探索活动后概括出来的。它基本上遵循“问题-假设-验证-结论”这样的程序。

4.            施瓦布的生物科学探究模式

它是施瓦布提出的，其基本程序为：确定研究对象和方法重点、学习构建问题、推测问题症结、解决问题。

5.            社会探究模式

它是指社会科学家所运用的一系列探究方法引入到课堂教学中去，建立的社会探究模式。

 

四、中学物理探究性学习的实施策略

随着新一轮课改的实施,学生学习方式的转变成为基础教育改革的核心，也是我国本次课程改革在实施过程中的重要体现。众多的教育工作者结合自己的工作经验在这方面也进行了一些有益的尝试。柴林等的研究认为，在中学物理探究性教学中应该注意以下几方面的策略：

1．课题选定民主化策略

课题的选定应师生共同参与。首先，教师要未雨绸缪,一个学期,一个单元,一节课大概要进行哪些课题研究,教师心中要有数,然后与学生交流,发挥学生的主体作用,让学生说自己感兴趣的问题,最后师生共同筛选课题。如压强与面积的关系，大家可考虑红军过草地时为什么要爬过去? 关于无线电波的问题，大家可考虑:太空中的宇航员能面对面的直接谈话吗? 等等 课题要小型多样, 有浅有深, 适合不同层次的学生. 无论什么课题,要及早布置,让学生有足够的时间和空间去探究学习。

2.教师指导过程化策略

(1)方法的指导：由于学生年龄普遍还小,特别是探究性学习在我国还属于起步阶段,教师要在探究方法上作一些指导。

信息资料的收集方法: 告诉学生信息的获得途径可以是查阅资料、采样测量、实验操作、数据处理、结果讨论、综合分析、观察、体验、访问调查、回忆实验等,并交给学生工具书和现代网络技术的使用方法。

信息资料的处理方法: 教师要指导学生设分类卡、文摘卡、档案袋,学生有选择的简要记录,对信息进行分类、排序,以方便查阅。

探究成果撰写方法:调查报告、探究论文、实验报告、建议书等的写作都要进行方法上的指导。

(2)心理上的指导：学生的学习效果不但与智力水平、学习方法有关，还与心理状态有关。因此，要提高物理探究水平的效果，除了要提高教师自身的知识能力综合水平外，还要注意创造条件，为学生创造良好的、和谐的探究环境。环境包括外部情境和内部情境。

3.唤醒需要策略

4.营造氛围策略

5.拓展时空策略

6.结果评价个性化策略

总之，探究性学习能使学生在课堂上始终处于积极参与动手、动脑、动口、相互交流合作的状态，学生思维、表达、合作、实践能力都得到充分发展，更重要的是学生能从中悟出探究性学习的真谛，从而自然而然的以主人公的身份投入到教学活动中去。因而开展探究性学习是教学改革的新举措，是物理教学工作者面临的一个新课题。物理教师要不断学习，认真研究新课标，转变观点，提高认识，切实把学生培养成为具有创新精神和实践能力的有用人才。