俞麗萍

(浙江上虞春暉中學,浙江上虞 312300)

在物理課程的學習過程中,學生用類似物理學家探索物理問題的方式去獲取知識、經歷過程、領悟物理科學的思想、學習物理學研究方法的過程,我們叫作科學探究.《物理課程標準》中將提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估交流、合作作為科學探究的基本要素.根據探究性學習活動所占的要素數量的不同,我們把探究式教學分為“完全”探究和“部分”探究,如果將探究的七個基本要素全部包含在內的,稱之為“完全”探究式教學,反之,如果缺少七個要素中的一個或幾個的探究,我們稱之為“部分”探究式教學.“部分”探究式教學相對“完全”探究式教學更具靈活性,更能適應當前的物理課堂教學.在“部分”探究式教學中,若沒有“設計實驗、進行實驗”要素,我們可稱之為“理論”探究式教學.如何在高中物理課堂中開展理論探究式教學?我們在日常的教學過程中積極開展了教學實踐,也有了一定的研究與思考,現撰寫本文與同行交流.

1 幾個“理論”探究式教學案例

1.1 提供條件,降低難度,開展理論探究

探究內容:人教版選修3-3課本“內能”中探究分子勢能與分子間距離的關系.

師:分子勢能的大小是由分子間的相互位置決定的.接下來我們通過分子力做功情況來討論分子間勢能的變化情況.

師:分子之間的作用力(指分子間引力與斥力的合力)與分子間的距離有什么關系?

生:當分子間距離r＜r0時,分子力表現為斥力;當 r=r0時,分子間的作用力為0;當 r＞r0時,分子力表現為引力;當 r≥10r0時,分子間的作用力趨向于零.

師:非常好!我們可以通過圖線來理解分子力與分子距離之間的關系(如圖1所示,教師在黑板上畫出分子力與分子間距離變化的關系).

師:分子力做功與分子勢能之間有什么樣的關系?

生:分子力做正功,分子勢能 Ep減小;分子力做負功,分子勢能 Ep增大.

師:假定兩個分子的距離為無窮遠時它們的分子勢能為0,使一個分子固定,另一個分子從無窮遠逐漸向它靠近,直至相距很近,請大家在自己紙上建立Ep-r坐標,在圖中畫出分子勢能隨分子間距離變化的Ep-r的圖線.

圖1

學生根據教師提示,在坐標中作圖.

教師收集學生的作圖情況,并將學生的作圖情況通過實物投影儀投影在屏幕上.

師:下面是幾位同學畫出的Ep-r的圖線.請同學來評估一下,他們畫出的圖線正確嗎?

圖2

圖3

圖4

圖5

生甲:圖2不正確,當分子間的距離變?yōu)闊o窮遠時,分子間的分子勢能將變?yōu)闊o窮大,這與兩個分子的距離為無窮大時它們的分子勢能為0相矛盾.

生乙:圖3中,當分子間的距離變?yōu)?時,分子勢能變?yōu)榱?這樣是不對的.

生:為什么?

生乙:無窮遠處的分子勢能為零,隨著分子間距離的減小,分子勢能應該增大,不可能為零.

生丙:當分子間的距離 r＞r0時,分子間的作用力表現為引力,隨著分子間距離的減小,分子力做正功,分子勢能逐漸減小;當分子間的距離 r＜r0時,分子間的作用力表現為斥力,隨著分子間距離的減小,分子力做負功,分子勢能逐漸增大;當分子間的距離為 r=r0分子勢能最小.圖4中在r=r0位置時,分子勢能為零,不是最小的.

師:分子勢能是標量還是矢量?

生(集體):標量.

師:分子勢能的正負表示大小.

師:圖5中圖像正確嗎?

生丁:正確.

此案例中學生作出 Ep-r圖線的過程是一個在已知證據(前提條件)的基礎上,進行探究分析的過程.教師在學生作Ep-r圖線以前,提出的兩個問題(“分子之間的作用力與分子間的距離有什么關系”、“分子力做功與分子勢能之間有什么樣的關系”)為學生自己作 Ep-r圖線作了鋪墊,降低了理論探究的難度.不同學生的Ep-r圖線充分反映了不同學生的思維探究過程,通過學生自己分析投影出來的Ep-r圖線,在評估與交流中逐步得出正確的結論.

1.2 利用已獲得的實驗結果,開展理論探究

探究內容:人教版選修3-5課本“探究碰撞中的不變量”.

[提出問題]

師:兩個相互作用的物體動量變化有什么規(guī)律?下面我們通過實驗室里拍攝的頻閃照片(如圖 6、如 7所示)來一起探究這個問題.

圖6

圖7

教師介紹什么是光滑導軌,并通過演示錄像使學生明確圖7中頻閃照片的得出過程.

[制定探究計劃]

師:我們如何根據頻閃照片中的信息,來研究兩個相互作用的物體動量的變化規(guī)律呢?

生甲:將兩物體作為研究對象,設物體分別為物體 A和物體B,根據照片中的信息確定彈簧片在彈開以前,系統的總動量 p初與彈開后系統的總動量p末,再來確定 p初和p末的關系.

生乙:A物體作用前后動量的變化量為ΔpA=mAvA′-mAvA.B物體作用前后動量的變化量為ΔpB=mBvB′-mBvB.再來看兩者之間的關系.

師:如何從頻閃照片中找出有用的信息,來進行分析呢?需要測哪些物理量?如何測量這些物理量?

生:A、B兩物體的質量圖中已經給出,速度可以通過位移除以時間得到,可以用圖中的標尺測量得到位移.初狀態(tài)時兩物體的速度零.

[收集實驗數據、分析與論證]

師:下面請同學們自己動手來測 A、B兩物體分離后的速度.

學生在數據處理時出現了3種情況:測得兩側各一段位移,并除以時間;測得兩側總的位移,并除以時間;測得兩側相對后面的位移,并除以時間.

[評估與交流]

教師通過實物投影儀將3種情況分別投影到顯示屏上.請學生分析哪一種方法最合理,并找出其中的原因.

整理第3種方案的實驗數據,可得到 A、B兩物體系統動量守恒,即 p初=p末,或ΔpA=-ΔpB,即碰撞前后系統動量守恒.

在本案例的探究式教學過程中,學生沒有動手做實驗,但在整個過程中,利用實驗得到的頻閃照片,教師引導學生經歷了提出問題→制定計劃(理論探究的計劃)→收集實驗數據→分析與論證一系列的理論探究過程,培養(yǎng)了學生科學探究的能力,使學生的思維能力得到了有效的提高.

1.3 通過多個視角,開展理論探究

探究內容:人教版選修3-1課本“電阻定律”中的思考與討論題.

[提出問題]

如圖8所示,R1和 R2是材料相同、厚度相同、表面為正方形的導體,但R2的尺寸比R1小很多.通過兩導體的電流方向如圖8所示,這兩個導體的電阻相同嗎?

圖8

[猜想與假設]

生甲:導體 R1與 R2的電阻的阻值不相同,因為R1與R2的大小不一樣.

生乙:R1與R2的電阻值有可能相同.

師:你提出這種猜想的前提是什么?

生乙:因為在日常生活當中,我們經常看到體積比較小的電阻,而體積大的電阻,我們很少看到.難道體積小,電阻就小嗎?

師:同學們能發(fā)表自己的觀點,非常好.每個同學現在都有了自己的猜想.下面,請大家自己來探究自己的觀點是否正確.(留5 min時間給學生思考)

圖9

[分析與論證]

生丙:設 R1與 R2的厚度都為h,R1的邊長為 a,R2的邊長為 b(如圖 9所示),則根據電阻定律有

生丁:將電阻 R1分成4等份,設 a=2b,則電阻 R1可以看成是4個R2,其中兩個一組分別并聯,然后再把這兩組串聯,其等效電阻為R2,所以兩個電阻應該是相等的.

圖10

師:那如果是將 R1分成9等份,情況一樣嗎?

生:應該是一樣的.

[評估與交流]

師:以上探究對大家有什么啟發(fā)嗎?如果要來你制造一個電阻,你會選哪一個?

生卯:R2.R2體積小,省材料,攜帶方便.

師:對,這就是有關電學元件的微型化問題.

此案例中,學生通過不同的方法加以證明得出“R1=R2” 的結論.

2 關于“理論”探究式教學的思考

2.1 實驗驗證與科學探究

科學探究需要實驗,但有實驗未必就一定是科學探究.在科學探究的過程中,有些教師給學生準備好實驗用的各種實驗儀器,把實驗步驟及設計好的記錄數據的表格寫在黑板上,讓學生通過實驗總結出物理規(guī)律.在這樣的操作過程中,學生的動手能力會有某種程度的提高,但學生的創(chuàng)造性思維的能力沒有得到應有的培養(yǎng),這種實驗探究并不是真正意義上的科學探究.對于科學探究的核心,目前有兩種觀點,有人認為“問題”最重要,因為在整個科學探究的過程中都是圍繞著“問題”展開的,有的學者認為,科學探究的核心在于對證據收集、解釋形成和求證的處理方式上.提出假設并對假設求證或證偽進行設計,這對學生理解科學本質,培養(yǎng)學生的科學探究能力,提高學生的科學素養(yǎng)是非常重要的.可見,科學探究的核心并不完全在于實驗能力的培養(yǎng)上,學生動手做實驗并不是科學探究的一個必要要素.

2.2 猜想、假設與實驗驗證

有人認為猜想與假設都需要實驗驗證,其實不然.在第3個案例“探究比較兩個電阻 R1和 R2的大小”中,教師提出問題后,學生進行了猜測,并從不同的角度對猜想的結果進行論證,讓學生經歷提出問題→猜想與假設→分析論證、得出結論→評估與交流的探究過程,調動了學生自主學習的積極性,在相互的討論過程中使學生的創(chuàng)造性思維得到充分發(fā)揮,這何嘗不是一個好的科學探究!可見,理論探究也是科學探究.正是因為理論探究屬“部分探究”,少了實驗驗證的環(huán)節(jié),節(jié)省了大量的時間,使教師在平時有限的時空內開展科學探究式教學成為可能,“理論”探究式教學因其更具靈活性,更能適應當前的物理課堂教學,也顯出了寬大的發(fā)展空間.

2.3 “理論”探究式教學案例的開發(fā)

中學物理課程各個模塊中都安排了一些典型的科學探究的課題,科學探究不應該是一種形式,而是學生獲取知識的具體的方式.雖然教材提供了部分的科學探究素材,但數量畢竟是有限的.在平時的物理課堂教學過程中,教師應該根據理論探究式教學模式的特點,發(fā)揮自己的創(chuàng)造性,設計一些科學探究的問題,開發(fā)一些理論探究的案例,使理論探究成為培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的一個有效途徑.

1 蔡鐵權.物理教學叢論.北京:科學出版社,2005.

2 封小超,王力邦.物理課程與教學論.北京:科學出版社,2005.

3 胡明浩.“動量守恒定律”教學創(chuàng)新設計.中學物理教學參考,2008(3).