周小燕，黃 樺

（湛江師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 湛江 524048）

1 引言

在物理教學(xué)中，通常上物理教師使用實(shí)驗(yàn)有兩種情況，一是為了說明一個(gè)物理概念或者是為了解釋一個(gè)物理原理.二是在課堂上驗(yàn)證物理定律，例如指導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證牛頓第二定律.在這兩種情況下，教師通常有很多口頭說明或者書面指導(dǎo).有研究表明，這樣使用實(shí)驗(yàn)在幫助學(xué)生理解物理概念或者是發(fā)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能方面的效果不是很好.因?yàn)檫@種情況下學(xué)生只是接受相互脫節(jié)的科學(xué)的知識，而不去試圖了解物理是如何構(gòu)建一個(gè)“事實(shí)”的[1].任何一種學(xué)習(xí)都必須在一定的環(huán)境下進(jìn)行，探究性學(xué)習(xí)也是如此.探究科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境反映了建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)觀，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者主動基于自己與世界相互作用的獨(dú)特經(jīng)驗(yàn)去建構(gòu)自己的知識，通過自主探究經(jīng)歷科學(xué)探究過程，理解科學(xué)探究思維[2].現(xiàn)在科學(xué)教育界在在科學(xué)發(fā)展歷史的角度上，提出科學(xué)教育要讓學(xué)生像科學(xué)家一樣思維.物理教學(xué)應(yīng)該提供這樣的一種探究性的學(xué)習(xí)環(huán)境，一種科學(xué)過程的學(xué)習(xí)方法.讓學(xué)生在這個(gè)環(huán)境中去了解科學(xué)家是如何思維，讓學(xué)生去經(jīng)歷科學(xué)家的思維過程，探究性地學(xué)習(xí)物理[3].

2 探究性科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境

本論文介紹了由美國羅格斯大學(xué)的Alan Van Heuvelen和Eugenia Etkina開發(fā)的一種探究性科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境（Investigativ e Scienc e learning Environment簡稱ISLE）中科學(xué)過程的科學(xué)學(xué)習(xí)方法以及它的理念.經(jīng)過在中學(xué)、大學(xué)、教師培訓(xùn)等課堂的實(shí)踐表明，這種學(xué)生自主建構(gòu)和學(xué)習(xí)物理的科學(xué)過程學(xué)習(xí)方法達(dá)到了很好的教學(xué)效果[4].

ISLE認(rèn)為學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)過程中參與學(xué)習(xí)和科學(xué)家建構(gòu)、應(yīng)用知識的過程是相似的，是一種互動式且能體現(xiàn)科學(xué)家思維過程的教學(xué)方法.這種方法主要有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)特點(diǎn)是注重學(xué)生物理前概念，涉及到學(xué)生學(xué)習(xí)觀念的變化.另外一個(gè)特點(diǎn)是鼓勵學(xué)生以不同的方式展現(xiàn)物理過程，并幫助他們作出科學(xué)性推論和解決問題陳述.ISLE是由三種不同的實(shí)驗(yàn)來展現(xiàn)探究性科學(xué)學(xué)習(xí)過程.這三種實(shí)驗(yàn)分別是：觀察性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)[5,6].在每個(gè)單元的開始，學(xué)生通過觀察性實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，收集數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的模型，用假設(shè)、演繹、推理來建構(gòu)可能的科學(xué)概念.接著在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生用他們構(gòu)建的概念來預(yù)測新實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并完成實(shí)驗(yàn).如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)期的結(jié)果不符合，就修正他們的解釋.最后，在應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)階段，他們用這些修正后的科學(xué)解釋去解決實(shí)際問題.

3 探究性科學(xué)學(xué)習(xí)過程

下面結(jié)合圓周運(yùn)動這一具體例子來講述ISLE中探究性科學(xué)學(xué)習(xí)的過程.

在探究性科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境中，要求教師要對學(xué)生知識情況要有一個(gè)調(diào)查了解.例如教師要知道學(xué)生在學(xué)習(xí)圓周運(yùn)動之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了線性運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、受力分析圖.在圓周運(yùn)動這一單元的一開始，有三個(gè)觀察性實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)1是一個(gè)人用錘子敲擊一個(gè)大球讓它滾動，同時(shí)以某固定點(diǎn)為圓點(diǎn)，使得大球做圓周運(yùn)動.實(shí)驗(yàn)2是一個(gè)人用木棒打擊一個(gè)小球讓它滾動，以自己為圓心，使得小球做圓周運(yùn)動.實(shí)驗(yàn)3是一個(gè)溜冰者兩腳平行滑行，不管她身體怎么傾斜都無法做圓周運(yùn)動.接著讓另一個(gè)人站住不動用繩子拉著她，她就可以做圓周運(yùn)動.還有當(dāng)她不斷地用一只腳往外用力輕輕滑動，也可以使得她做圓周運(yùn)動.這三個(gè)觀察性實(shí)驗(yàn)可以教師可以在課堂中現(xiàn)場演示，這三個(gè)實(shí)驗(yàn)比較容易演示同時(shí)現(xiàn)象非常直觀.同時(shí)也是直接采用ISLE中的實(shí)驗(yàn)視頻.在觀察性實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生做一些思考和猜想如：觀察前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中的人是如何敲擊球？敲擊球的力方向是怎么樣的？溜冰者怎么一開始做不了圓周運(yùn)動？當(dāng)她拉著繩子做圓周運(yùn)動時(shí)，繩子的作用是什么？當(dāng)她沒有繩子時(shí)想做圓周運(yùn)動時(shí)她需要做一些什么？在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中，與做圓周運(yùn)動物體相互作用的物體是什么？繪制圓周物體在這些實(shí)驗(yàn)中的受力分析圖？當(dāng)一個(gè)物體做圓周運(yùn)動時(shí)它的速度有變化嗎？它作用力的方向是如何？要求學(xué)生對這些問題的思考寫在報(bào)告中并在課堂中和同學(xué)們交流.

在這個(gè)過程中，學(xué)生很直觀地感受一個(gè)物體做圓周運(yùn)動需要有一個(gè)力的作用，同時(shí)很直觀地感受到物體做圓周運(yùn)動速度的變化情況.根據(jù)以上的觀察和思考，學(xué)生尋找這些物理現(xiàn)象中的模型，這時(shí)學(xué)生可以提出假定性規(guī)律，這些規(guī)律可以是：一個(gè)物體以恒定的速度做圓周運(yùn)動的時(shí)候，合力方向是水平并且總是指向圓心（猜想1）.物體做圓周運(yùn)動，合外力的方向是沿著圓心向外（猜想2）.物體做圓周運(yùn)動，合外力沿著運(yùn)動的方向（猜想3）.

根據(jù)物理學(xué)家的思維過程，在提出猜想后，必須尋找證據(jù)來驗(yàn)證猜想.同樣，在探究性科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生也要對自己的猜想進(jìn)行驗(yàn)證.這個(gè)驗(yàn)證的過程要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，也可以根據(jù)教師提供的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)來尋找證據(jù).在圓周運(yùn)動這個(gè)單元中的有幾個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這里簡單介紹兩個(gè).實(shí)驗(yàn)1，一個(gè)大的金屬環(huán)，一個(gè)小球，給小球一個(gè)力，讓它在環(huán)中滾動.讓學(xué)生根據(jù)前面提出的猜想預(yù)測小球運(yùn)動的軌跡.實(shí)驗(yàn)2，一個(gè)大的金屬環(huán)，一個(gè)小球，給小球一個(gè)力，讓它在環(huán)中滾動.然后將金屬環(huán)的一小部分拿開，讓學(xué)生根據(jù)自己猜想，預(yù)測小球的運(yùn)動的軌跡.學(xué)生通過小球的受力圖，可以知道圓環(huán)對小球有一個(gè)作用力，且這個(gè)力的方向是指向圓心的.首先是預(yù)測小球在金屬環(huán)中的運(yùn)動軌跡，根據(jù)猜想1，如果球開始運(yùn)動，那么在圓環(huán)中應(yīng)該是做圓周運(yùn)動.根據(jù)猜想3，那么球不應(yīng)該做圓周運(yùn)動，因?yàn)檠刂鴪A環(huán)沒有力的作用.他們通過自己演示實(shí)驗(yàn)并觀察現(xiàn)象，小球在金屬環(huán)中是沿是做圓周運(yùn)動的，那么就可以將猜想3可以推翻.接下來預(yù)測如果金屬環(huán)的一部分被拿開會有什么現(xiàn)象發(fā)生？當(dāng)學(xué)生使用猜想1，他們認(rèn)為如果環(huán)的一部分被拿開那么將沒有合外力作用在小球上，所以根據(jù)牛頓第一定律，小球?qū)鲋本€運(yùn)動.如果他們使用猜想2，那么球?qū)w到外面去.這樣通過檢驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，可以很直觀地看到小球是沿著切線的方向飛出來的.猜想2也被推翻，就這樣可以的到一個(gè)修正后的解釋那就是物體以恒定速度做圓周運(yùn)動的合外力方向是沿著圓心向外的.

探究科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境還有一個(gè)重要的探究科學(xué)學(xué)習(xí)過程，就是將所獲得的科學(xué)規(guī)律、概念應(yīng)用于實(shí)際生活中.因而，學(xué)生必須在熟悉一個(gè)特定的概念之后設(shè)計(jì)、操作這類實(shí)驗(yàn)，或者把幾個(gè)概念聯(lián)合起來解決實(shí)際問題.ISLE鼓勵學(xué)生用多種陳述去推理，鼓勵學(xué)生提出多種設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，然后根據(jù)所選儀器選擇最好的實(shí)驗(yàn)方案.在圓周運(yùn)動這個(gè)單元中主要是提供幾個(gè)實(shí)驗(yàn)情景，要求學(xué)生運(yùn)用所學(xué)到的科學(xué)去解決提到的問題.下面簡單介紹兩個(gè)應(yīng)用性實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)1有一個(gè)彈簧，被固定.下面用繩子吊著一個(gè)小球，當(dāng)下面的小球做單擺運(yùn)動時(shí)，彈簧的讀數(shù)會發(fā)生變化.在演示實(shí)驗(yàn)之前，要求學(xué)生思考當(dāng)小球做單擺運(yùn)動時(shí)，彈簧上的讀數(shù)是怎么變化的？實(shí)驗(yàn)2兩個(gè)滑輪固定在一個(gè)桿子上，懸掛在支架上.兩個(gè)重物分別系在一根繩子的兩端.將系著重物的繩子放在滑輪上，平衡后讓一個(gè)重物擺動，這時(shí)擺動的重物慢慢下降，另外一個(gè)重物慢慢上升.在演示實(shí)驗(yàn)之前，要求學(xué)生思考當(dāng)其中一個(gè)重物做單擺運(yùn)動時(shí)，另外一個(gè)重物會有什么樣的變化？這連個(gè)應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)的要求，對學(xué)生來說有點(diǎn)難度，這要比學(xué)生之前遇到的情況要復(fù)雜一些，因?yàn)檫\(yùn)動的速度發(fā)生了改變.一般來說，對于實(shí)驗(yàn)1來講，學(xué)生會覺得小球靜止時(shí)和擺動時(shí)，彈簧讀數(shù)不會有什么變化.對于實(shí)驗(yàn)2來說，學(xué)生會覺得另外一個(gè)重物不會有什么變化.實(shí)際上，在小球擺動的過程中，彈簧的讀書變大了，另外一個(gè)重物會被往上移動.這是因?yàn)槲矬w靜止時(shí)，拉力等于重力，物體在擺動時(shí)，由于有個(gè)指向圓心向心力，繩子拉力大于重力.這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是違反學(xué)生直覺的預(yù)測，因此給學(xué)生的認(rèn)知帶來很大的沖擊，加深了學(xué)生圓周運(yùn)動這個(gè)物理模型的理解[7,8,9].

在科學(xué)探究性學(xué)習(xí)環(huán)境中，除了以上介紹的三種實(shí)驗(yàn)，還有另一個(gè)重要的方面就是科學(xué)家們經(jīng)常使用的一種策略——引導(dǎo)學(xué)生用多種陳述去推理.這個(gè)過程開始于觀察實(shí)驗(yàn)，他們學(xué)會用各種各樣的方法描繪物理現(xiàn)象，學(xué)生學(xué)會描繪實(shí)驗(yàn)圖，在表格上記錄數(shù)據(jù)，接著繪制圖表和尋找模型.學(xué)會將一種表述轉(zhuǎn)化另外一種，幫助他們在現(xiàn)象和假設(shè)的解釋中確定模型.使用具體的陳述來幫助他們建構(gòu)精確的物理數(shù)學(xué)模型，他們使用數(shù)學(xué)描述來做關(guān)于檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的預(yù)測.在概念建構(gòu)和檢驗(yàn)之后，學(xué)生定性和定量作出關(guān)于物理過程的推論[10].例如圓周運(yùn)動這一單元中使用具體的圖表法來幫助學(xué)生獲得關(guān)于在平面中做加速運(yùn)動的定性理解.還使用一種速度減法推理來尋找一個(gè)做圓周運(yùn)動物體的加速度，幫助學(xué)生進(jìn)一步相信理解圓周運(yùn)動的加速度.

4 小結(jié)

探究科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)思維過程是學(xué)生通過選擇性的現(xiàn)象和描述觀察，收集數(shù)據(jù)并分析，并從中尋找物理模型.使用歸納、類比、演繹等不同的推理方法做出科學(xué)解釋.并對物理模型通過檢驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)做出預(yù)測，根據(jù)檢驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)對理論和解釋做出修正.將修正后的解釋和規(guī)律應(yīng)用于生活中的現(xiàn)象.在這種科學(xué)學(xué)習(xí)過程中，鍛煉了學(xué)生觀察能力、信息搜集和整理能力、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、分享交流能力等.特別是從已有數(shù)據(jù)中提出猜想，對猜想進(jìn)行預(yù)測，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)找證據(jù)來支持自己觀點(diǎn)，將修正后解釋在新的情景中預(yù)測等這些科學(xué)探究的能力在物理教學(xué)中是特別重要的.

〔1〕E.Etkina and A.Van Heuvelen,Investigative Science Learning Environment -A Science Process Approach to Learning Physics.[J]n Research Based Reform of University Physics,E.F.Redish and P.Cooney,(Eds.)2007.

〔2〕龍文靜.探究性學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)及其在科學(xué)概念學(xué)習(xí)中的應(yīng)用[D].上海：華東師范大學(xué)，2004.

〔3〕何美.基于模型的科學(xué)學(xué)習(xí)及其學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)[D].上海：華東師范大學(xué)，2009.

〔4〕E.Etkina and A.Van Heuvelen,Investigative Science Learning Environment -A Science Process Approach to Learning Physics.[J]n Research Based Reform of University Physics,E.F.Redish and P.Cooney,(Eds.)2007.

〔5〕http://www.islephysics.net/.

〔6〕E.Etkina,A.Van Heuvelen,S.W hite-Brahm ia,D.T.Brookes,M.Gentile,S.Murthy,D.Rosengrant,and A.Warren,Scientific abilities and their assessment,[J].Phys.Rev.ST Phys.Educ.Re s.2006.

〔7〕E.Etkina and A.Van Heuvelen,Investigative Science Learning Environment:us-ing the processes of science and cognitive strategies to learn physics,[J].in Proceedings of the 2001 Physics Education Research Conference.2001.

〔8〕E.Etkina and A.Van Heuvelen,Investigative Science Learning Environment -A Science Process Approach to Learning Physics.[J]n Research Based Reform of University Physics,E.F.Redish and P.Cooney,(Eds.)2007.

〔9〕A.Van Heuvelen and E.Etkina,The Physics Active Learning Guide,Pearson Ad-dison Wesley,[J].San Francisco,CA,2006.

〔10〕Anna Karelina and Eugenia Etkina，Acting like a physicist:Student approach study to experimental design,[J]The American Physical Society，2007.