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1、科学探究与教学方式的变革,兼论科学探究与接受学习的关系 刘炳升,问题的提出,在中学物理课程标准中，科学探究作为课程理念、课程目标、内容标准、实施建议的重要部分，体现了科学探究在新课程中的重要地位。 从初中到高中，物理学习要求变化，理论的系统与深度、思维的要求都提高了，是否应当弱化科学探究的要求？ 探究学习要花较多时间、较多金钱、较大精力，考试效果未必很好，是否值得重视探究学习？,核心问题,怎样理解新课程中科学探究的意义？ 科学探究与接受学习是什么样的关系？ 科学探究与物理实验是什么关系？ 对高中探究式学习的要求和如何设计探究式教学活动？,从三个层面来理解科学探究,观念层面：科学探究体现现代科学
2、观。 科学不是完成和固化了的知识体系，而是人类对自然界的永无止境的探究过程； 科学的知识体系在探究过程中不断发展和变化，许多结论有待证伪或修正； 学习物理的过程是一个不断转变对自然界的原有认识和观念的过程。,物理概念是人类心智的自由创造，而不是由外部世界惟一决定的，不管它看起来多么像是那样的。 爱因斯坦,今天我们必须根据我们今天能认识的真理来生活，还得准备好在明天称它为谬误。 詹姆斯，哲学家 我们正在试图尽可能地证明自己错了，因为只有这样我们才能进步。 费恩曼,我活了这么久才领悟一件事：我们的整个科学和宇宙真相比起来，可以说是既原始又幼稚，然而它却是我们所拥有的最珍贵的东西。 爱因斯坦,第二层
3、面：思想与方法,科学探究是科学家群体在长期探索自然规律的过程中形成的有效的认识和实践方式，其中最重要的是科学思维方式。 虽然科学探究没有固定的模式，但有一些可辨别的要素，如提出问题、建立假设、搜集证据、提出理论与模型、评价与交流等。 这些对学生的发展有长远的意义。,科学方法，尽心竭力，没有清规戒律。 布里奇曼 没有实验的物理理论是空洞的，没有理论的实验是盲目的。正是实验家使理论家保持老老实实的态度。 帕格尔斯，物理学家,科学由事实构成，就像一所房子由石头建成一样。但是事实的堆积不是科学，正像一堆石头不是房子。 彭加勒，科学家和数学家,第三个层次：操作技能层面,具体探究过程需要某些思维和操作技能
4、，如观察技能、控制变量、使用仪器、记录和处理数据等。 不要把科学探究只看成是一种教学方式，虽然它是一种重要的教学方式。更不应当把科学探究与表面上的活动等同起来。,塔库马大桥之难,1940年美国华盛顿州塔库马大桥当时的世界第三大桥，可抗60m/s 大风 建成个月后在19m/s的小风吹拂下倒塌 大桥倒塌的罪魁：旋涡与共振,卡门涡街,在一定条件下的定常气流或液流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、并排列成有规则的双列线涡。 开始时，这两列线涡分别保持自身的运动前进, 接着它们互相干扰,互相吸引, 而且干扰越来越大,形成非线性的所谓涡街。,卡门涡街,在自然界中常常可以看到卡门涡街现象
5、。 例如水流过桥墩，定常风吹过烟囱、电线等都会形成卡门涡街。 由于在物体两侧不断产生新的涡旋，必然耗损流动的机械能，从而使物体遭受阻力。 当涡旋脱落频率接近于物体固有频率时，共振响应可能会引起结构物的破环。 风吹过电线时发出的嗡鸣声就是由于电线受涡街作用而产生的受迫振动引起的。,学生学习方式的几个维度,教师与学生：学生自主 教师指导 学生与学生：合作学习 独立学习 探究与接受：探究学习 接受学习 任何学习方式都包含上述维度，只不过偏向于两极的程度不同而已。 就宏观而言，应当选择三维空间中合适的平衡点； 就微观而言，应当综合考虑影响学习方式的多种因素，选择不同的学习方式，以达到优化组合的效果。,
6、学习方式的转变,陈旧的学习方式忽视人的主动性、能动性和独立性，；忽视了应当体现科学过程的本质特征；忽视了学习作为一种特定社会活动的基本特征：人的相互作用。 转变学习方式是指导转变单一的、他主的、被动的学习方式。,科学探究需要接受知识,科学探究需要接受知识,提出问题时，评价问题的价值和可探究性需要一定的知识； 提出猜想、假设时，需要根据已有的知识和经验； 设计实验时，需要掌握相关的原理和方法； 只有将证据与科学知识建立联系才能得出合理的解释； 检验和评价探究的结果需要原理、模型和理论。 而这些知识和技能不可能都由直接探究获得。,科学探究需要接受学习,作为探究学习的特点，知识不是以定型的形式呈现给
7、学生的，而是需要学生自己在解决问题中去有所“发现”， 但是，这种短时间内的“发现”常常带有很大的局限性，或者是定性的，或者是半定量的，即使是定量的，也只是在极有限的特殊条件下获得的， 要形成对知识的理解，要认识探究所得知识与其他相关知识的内在联系，形成一定的知识结构，必须有内化的过程，这种内化的过程，主要是接受学习的意义建构过程。,科学探究需要接受学习,就某种意义而言，学生的科学认知结构不可能由“纯粹”的探究活动形成，需要与接受学习结合。 如果勉强地完全由探究活动得出结论，将使学生产生对科学探究的曲解，它的危害不只是对知识的片面理解，更重要的是不利于科学思想和态度的形成。,案例,单摆规律的探究
8、,一种方法,猜测单摆周期和哪些因素有关? 学生：摆球质量，摆角，摆长，摆球的大小，摆动时摆球的起始高度等。 讨论：确定变量：质量，摆角，摆长，重力加速度。 实验：控制变量，测量数据。 分析数据，得出结论：周期公式。,问题,依靠什么来做出猜测？ 想不到的因素怎么办？ 对无法进行实验的因素怎么办？ 实验误差太大怎么办？ 没有能力进行数据拟合怎么办？ “纯粹”的探究是行不通的。,一种探究与接受学习结合的方案,自然和生活中的摆动现象（包括伽利略教堂观察的传说） 研究一种最简单的情况，提出一种理想化的模型单摆。 界定几个单摆的术语：周期，摆角，振幅，摆长。 创设激励探究的情景：自装一个单摆，测量15秒的
9、振动次数。,一种探究与接受学习结合的方案,猜想：单摆振动的周期可能和哪些因素有关？讨论：如何判断是否有关？ 实验：和振幅有关吗？和摆球的质量有关吗？ 实验：和摆长有什么关系？,探究单摆的周期与摆长的关系,介绍物理学家的实验和结果，用公式表达单摆振动的规律：,接受式学习需要探究的思想并与探究结合 万有引力的概念是怎样思考得来的 ？,牛顿22岁在剑桥大学取得学士学位后，在回到了自家的18个月中，不断地思考和论证，奠定了万有引力理论的基础。 首先让我们简单地介绍一下牛顿在思考过程中得到的认识： 苹果下落和月球围绕地球旋转都来自于同一种力，那就是地球的引力； 这种引力不只存在于地球和月球之间，还存在于
10、太阳系中太阳与各行星之间以及行星与卫星之间； 这种引力不只限于天体，还存在于地球上的一切物体之间； 推而广之，宇宙间的每一对物体之间都存在这种引力的作用。 思考与交流 对于上述万有引力的概念，你有什么困惑和看法？,建立万有引力的思考,牛顿对行星运动的研究工作首先是从研究月球轨道开始的。 苹果和月球除了两者大致都是圆的以外，可能再也找不出它们相同之处，牛顿却看到了它们的相同之处。 下面让我们参照牛顿的研究思路来学习万有引力的概念。,思考与交流月球为什么不会飞出去？,当每个人都认为月亮不往下掉的时候，只有牛顿这样的人才看到月亮正在往下掉。 瓦莱里（1871-1945），法国诗人和哲学家,月球为什么
11、不飞出去？,思考与交流苹果也可以不落向地面吗？,牛顿还从另一角度进行了论证： 如果我们水平地抛出一个物体，由于受地球引力的作用，它将沿弯曲的路径落向地面。,牛顿著作中所绘的一幅人造卫星的原理图,建立万有引力的思考,牛顿还作出了更具有普遍性的思考。 引力是普遍（万有）存在的力每个物体都吸引任何其他的物体。这就是牛顿引力理论的中心思想。 在地球上摘朵花，你就移动了最远的星球！ 狄拉克,探究式学习不同于接受式学习,一般而言， 在学生自主性上，探究式学习优于接受式学习； 在过程感受和体验上，探究式学习优于接受式学习； 在对科学探究的理解上，探究式学习优于接受式学习； 在对探究能力的提高上，探究式学习优
12、于接受式学习； 在对知识结构的理解上，接受式学习优于探究式学习； 在自学和逻辑思维能力的提高上，接受式学习优于探究式学习； 在获得知识的效率上，接受式学习优于探究式学习。,为什么要加强科学探究？,过程的感受和体验是不可替代的。 科学教育的许多目标，离开了过程的感受和体验是难以实现的，或者是难以向更高的层次发展。 探究过程极其生动活泼，有利于培养学生的兴趣和动机。 探究过程中有许多意想不到的现象和问题，需要观察、实验、动手、动脑等，有利于培养学生的多重智能，特别是创新意识和能力。 经历探究过程，有利于学生理解科学和发展良好品德。,探究需要与其他多种方式结合,探究式学习不是惟一的学习方式，也不是任
13、何情况下最好的学习方式。 不可能也不必要事事探究，特别是直接获取证据的探究活动。 要使学生学会间接学习。 学生的兴趣需要向高层次发展，对本质理解得越深刻，越能产生充实感和兴奋感。,科学探究的方式是多种多样的,探究没有僵化的规程，过程要素贯穿于始终：问题；事实证据；解释；评价；交流。 以问题情境为动力； 以科学方法为工具； 以探究思维为灵魂； 以发展科学素养为目标。,科学探究与物理实验的关系,实验是物理探究的重要科学方法，高中物理实验教学的改革应当关注探究思想的介入，改变将实验的功能仅归于验证理论和培养动作技能的观点。 实验不是探究的惟一方法，理论探究也是不可少的。实验、理论、数学需要结合起来。
14、 实验不都是探究的，仪器使用、操作训练等类型的实验也是不可少的。,探究设计的原则,1充分调动学生学习的内部动机，体现主体性原则 ； 2努力提供手脑并用的机会，体现做中学的原则 ； 3关注有效的合作与交流，体现人际间互动的原则 4灵活多样，防止探究模式僵化，体现多样性原则。,情景设计的策略,力求使探究始于真实或接近学生所处的真实环境（自然、生活和社会的环境）。 情境中隐藏着可能被学生发现的问题，给学生发现问题和提出质疑的机会。 注意创设问题情境的质量。一是发现和提出的问题应能激起学生认知冲突。对个人来说，用原有的认识不能解决它；对集体来说，各人的看法可能不一样，这样的问题情境能有效地调动学生的探
15、究动机。 关注信息技术和资源的应用。,多种形式探究教学的设计,关注小型、部分探究活动的设计； 关注教师指导下的探究的设计； 关注演示实验、学生实验、课外实验的结合。,多样化的探究教学设计,建立某种概念和规律的探究活动关注学生前概念； 观察，发现和解决问题的探究活动关注观察力的培养和知识的迁移； 寻求内部结构和模型的探究活动黑箱方法与想象； 技术设计与创新的探究活动技术创新意识和能力； 与社会问题相联系的探究活动社会决策民主意识与能力。,教学设计案例,观察与分析问题,烧杯里有一条鱼,描述并分析你看到的现象,描述并分析你看到的现象,你看到什么现象？ 看到的现象有什么特点？ 现象是怎样产生的？ 能否
16、画示意图进行简单的分析？,这是一张肥皂膜的像,描述并分析你看到的现象,思考并问答,这是一种什么现象？ 现象有什么特点？ 为什么是几乎是平行的？ 为什么是彩色的？ 为什么靠近顶端处几乎是黑暗的？,辉光球的电场,辉光球的电场,辉光球的电场,试画出两照片中电场线的大致分布情况。 试说明在第一张照片中氖管未接触球面但却闪光的原因。 试说明用手接触球面时辉光线发生转移的原理。,不仅有实验探究，而且有理论探究,理论探究 为什么电源的电动势可以用电压表直接测量？测量的时候，电源与电路断开。精确地说，用电压表直接测量电源两端电压时，电压表便成了外电路，测得的电压便小于电动势。请你结合闭合电路欧姆定律说明可以用它测量的原因。,理论探究：万有引力定律,一、定性的思考：可能与Mm有关，可能与r 2成反比。 定量推导： 从 ，似乎太阳对行星的引力与r的一次方成正比，而不是与r的二次方成反比。对此，你有什么看法？,理论探究：万有引力定律,开普勒定律，给出了T 2与r的函数关系
