陳海深宋善炎羅星凱

（1.湖南師范大學教育科學學院，湖南 長沙 410081；2.廣西師范大學物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004）

隨著互聯網＋和人工智能時代的到來，學習的時間和空間已不再受任何限制，這將極大地改變課堂“教與學”的方式.學校課程將與現代社會發(fā)展保持著緊密的聯系和不斷發(fā)展的動態(tài)變化之中.在這樣的背景下，我國的物理教育順應時代發(fā)展制定了新的課程標準，提出了“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”的學科核心素養(yǎng)，形成了趨向整合的新課程標準，而新課程標準落實的“主陣地”在于課堂教學與實踐.

當前一線物理探究教學出現了新的變化：從單一內容探究走向綜合主題探究；從“走流程”探究轉向“重過程”探究；從寬泛化、淺層化探究走向個性化、層次化探究；從教師高度引導式探究走向師生動態(tài)生成式探究；從注重物理知識探究轉向提升學科核心素養(yǎng)等.物理探究教學主題由于具有開放性、生成性、發(fā)展性和系統(tǒng)性等特點受到一線教師和學者關注，引發(fā)人們對探究性教學的反思與變革.以下結合物理實踐研究的具體案例提出探究教學主題的開發(fā)過程，旨在為當前科學探究教學的深入開展和學生核心素養(yǎng)的提升提供思考和借鑒.

1 “遞進式”探究教學主題

“遞進式”探究教學主題屬于一種“連貫式”探究.在探究活動之初，由來自教師或學生的某個具體“初始主題”引發(fā)“多米諾骨牌式”的系列探索和認知過程，最終任務是達成對“目標主題”的科學認知.它由系列“關聯主題”探究活動組成，“初始主題”的問題解決將為“關聯主題”的問題解決提供相應的線索或證據，“關聯主題”之間依次銜接，每個“關聯主題”所形成的科學認知存在邏輯上的關聯關系，并直接影響“目標主題”的系統(tǒng)認知和學習深入.下面是“遞進式”探究教學主題類型的演化過程（如圖1）.

圖1

這類探究教學主題設計的特點是探究過程環(huán)環(huán)相扣，步步深入，邏輯關聯度高，容易激發(fā)學生的好奇心，并保持較為持久的探究動力.但要求學生具有較強的問題——證據意識，通過完成系列“關聯主題”的探究，進而達到“目標主題”的深度認知.這類探究教學主題設計的特點是探究過程按照問題關聯和邏輯演化的方式推進，經過一系列探索過程，讓學生認識到探究始于問題發(fā)現而終于問題解決，能較好的培養(yǎng)學生發(fā)現問題的意識和形成較強的邏輯思維推理能力.在探究過程中學生容易一蹴而就或者徘徊不前，需要學生在探究過程具有良好的科學態(tài)度和探究精神.

例如，教師組織學生探究的目標主題是：“浮沉現象在真實情景中的探究”.首先，教師拋出初始主題1：“浮沉條件的應用”.其次，教師演示沙漏的浮沉現象（如圖2）并讓學生仔細觀察到“在圓筒倒轉后，沙漏并沒有立刻上浮，而是在筒底靜止，當上部的沙子漏到一定量時開始上浮了”.激發(fā)學生提出問題1：“為什么沙漏在圓筒倒轉時沒有立刻上浮”？第三，學生圍繞主題開展探究，引導學生提出系列觀點或猜想：（1）浮力減少說；（2）沙子沖擊說；（3）能量說；（4）反沖說；（5）動量說等等.這些觀點或說法各有理由，但都拿不出有效的證據.第四，教師展示另外一個沙漏（圖3），當圓筒倒轉時該沙漏就立刻上浮了.第五，該演示創(chuàng)設的沖突激發(fā)學生的興趣，通過仔細對比觀察發(fā)現圖2中的“‘8’字型沙漏外徑比筒壁的外徑略小，剛開始‘8’字型沙漏在容器底部時是斜靠并側壓在筒壁上”這一關鍵證據.第六，達成初步解釋：沙漏斜靠時受到筒壁的摩擦力，由于其重力和摩擦力的合力大于浮力，故靜止在筒底.

圖2

圖3

以上是學生基于觀察進行的初步解釋.但學生對于“為什么沙漏剛開始是傾斜？”的原因仍然感到困惑.教師基于學生已有的認識引導探究關聯主題：“沙漏傾斜與什么因素有關？”.學生圍繞傾斜問題繼續(xù)探究并猜想：“傾斜是因為沙漏頭重腳輕”、“傾斜的沙漏像不倒翁”等.教師追問：“這只是生活常識或經驗的遷移，具體如何進行科學解釋呢”？經過反復思考和實驗觀察，學生發(fā)現“沙漏開始漏沙時，其整體部分的重心在上部”這一關鍵證據，于是達成相關主題的初步解釋：剛開始沙漏的重心在其上部，導致沙漏“頭重腳輕”的傾側在筒壁，故剛開始時沙漏是傾斜的.

但上述解釋仍然是基于觀察的事實而進行的描述性解釋.教師認為仍需進一步深入探究.既然已經提到了“重心位置與穩(wěn)定的關系”，于是教師“順藤摸瓜”的提出關聯主題：“重心與平衡之間的關系？”.教師首先讓學生預測相關實驗現象，把配重砝碼掛在玩具兔下面三個不同位置時（如圖4），玩具兔能否在鋼絲上平衡？學生通過實驗與探究發(fā)現，由于配重所放置的位置不同，將導致兔的重心發(fā)生變化這一關鍵證據，進而認識到兔在鋼絲上的穩(wěn)定性取決于其重心的相對位置，學生似乎從平衡兔的實驗探究中頓悟了，教師趁機追問目標主題：沙漏浮沉問題與兔子走鋼絲有什么相關嗎？

圖4

學生達成對目標主題“沙漏浮沉”較深入的科學解釋：開始時，沙漏與沙的整體重心在其上部，其重力所產生的作用效果導致沙漏側壓在圓筒壁，筒壁對沙漏產生向下的摩擦力與重力的合力大于其所受浮力（沙漏浸沒在水中，浮力不變），故沙漏沒有立刻上?。浑S著沙的下漏，其重心從上部轉移到下部，其自身重力產生的轉動效果使沙漏直立起來，摩擦力消失，沙漏此時所受浮力大于其重力，這時沙漏開始上浮.

通過初始主題從浮沉條件的受力分析到重心的位置變化再到重心與穩(wěn)定的平衡關系系列關聯主題的系列探究活動，學生達成對目標主題“沙漏浮沉探究”的科學解釋.對浮沉現象綜合主題在生活中的拓展與應用有更全面和更系統(tǒng)的綜合認知.

2 “綜合式”探究教學主題

“綜合式”探究主題是圍繞某一初始主題進行探究，通過同質現象的遷移和發(fā)散，開展與核心主題相關的系列探究.相較于“遞進式”探究主題，初始主題與相關主題之間雖有一定相關，但相對獨立，不存在邏輯上的先后順序與遞進關系.初始主題與相關主題之間通過不斷擴展形成“綜合式”探究主題的科學認知和探索.相關主題可根據學生探究問題和深度學習的需要進行增減，而且相關主題之間無需特別地組合排列，但它要求對初始探究主題和相關主題的科學認知不斷的發(fā)展和超越，形成對核心主題的科學認知.下面是“綜合式”探究教學主題類型的演化過程（如圖5）.

圖5

這類探究教學主題設計的特點是探究過程始于物理學科中某個“概念或規(guī)律”或“原理”.隨著探究活動的深入，師生不斷將“初始主題”的認知進行延伸和擴展，以期對“相關主題”更全面、深入的理解.故要求學生具有較高的發(fā)散思維和較廣的學科視野，能將不同情境下甚至不同學科的知識、方法進行廣泛的遷移和關聯，因而能夠有效培養(yǎng)學生的猜想與假設、科學推理等邏輯思維能力.

例如，教師設置探究的核心主題為：“雙金屬片溫控器工作原理的探究”.首先，教師根據日常觀察拋出初始主題：“玻璃紙卷曲的探究（如圖6）”.并演示實驗現象讓學生仔細觀察.其次，圍繞初始主題激發(fā)學生提出問題：為什么將玻璃紙置于手掌心，過一會兒就發(fā)生了卷曲？若將玻璃紙翻過來放在手掌心，也同樣卷曲？第三，學生提出系列猜想：（1）是否與掌心和周圍溫度差有關？（2）是否與手掌上的濕氣（濕度）有關？（3）是否與玻璃紙和手掌處的空氣間隙有關；（4）是否與其材料質地有關；（5）是否與其材料特性有關等.第四，開展探究過程.給學生提供簡易器材和工具設計系列實驗方案和收集實驗結果，如不同材質、形狀和大小的玻璃紙、不同口徑的燒杯、冷（開）水、濕度計、溫度計、鐵夾等.第五，學生通過實驗探究和查閱資料發(fā)現關鍵證據：“玻璃紙是一種是以棉槳、木槳等天然纖維為原料，其分子鏈存在著一種奇妙的微透氣性，可以讓商品象雞蛋透過蛋皮上的微孔一樣進行呼吸.”.第六，獲得科學解釋——由于玻璃紙的材料特性，貼在手掌的一面與背著手掌的一面存在著溫度差，導致兩個面的膨脹彎曲程度程度不一樣，所以產生卷曲現象.

圖6

結合生活經歷和日常觀察，學生引發(fā)相關主題：“為什么圖書室的期刊封面也會有卷曲現象？（如圖7）”.圍繞相關主題開展同樣類似的科學探究過程并認識到：由于紙張朝陽的一面與不朝陽的另一面受熱程度不一，紙張兩面存在溫度差而導致卷曲這一科學解釋.

圖7

探究繼續(xù)發(fā)酵.學生繼續(xù)提出相關主題：“為什么冬天枯萎的落葉都是卷曲的？（如圖8）”.引發(fā)學生圍繞相關主題開展同樣類似的科學探究過程并得到：由于樹葉兩面的向光程度不一樣，朝陽的一面與背光的一面存在溫度差而導致產生卷曲這一科學解釋.

圖8

學生再次提出相關主題：“為什么烈日炎炎的干旱夏天，平整過的農田土壤表面為什么會開裂？（如圖9）”.繼續(xù)圍繞相關主題開展同樣類似的探究過程并發(fā)現：由于土壤兩面的向光程度不一樣，朝陽的上層土壤面與背光的下層土壤面存在很大的溫度差而導致產生裂開這一科學解釋.

圖9

系列問題的探究已經起到“一石激起千層浪”的教學效果.學生通過仔細觀察和自主延伸諸如：“睡蓮為什 么 向 外 卷？”（如 圖10）”、“花生葉為什么向內卷？”、“捕蠅草為什么時開、時閉？”、“枯萎的松果為什么如此散開？”、“含羞草為什么含羞？、“冰瓷的裂紋是如何產生的？（如圖11）”等系列相關探究主題.

圖10

圖11

教師對上述相關探究進行綜合梳理提出核心主題：“雙金屬片的工作原理？（如圖12、13、14）”繼續(xù)圍繞核心主題開展同樣類似的科學探究過程并得到：抓住上、下兩種金屬片是兩種不同的材料特性這一關鍵證據，由于它們的膨脹系數不一樣，在一定的溫差下將導致其中某片金屬膨脹彎曲而斷開或導通電路這一科學解釋.

圖12

圖13

圖14

通過卷曲的玻璃紙、期刊封面、落葉、干裂的土壤、冰瓷的裂紋等系列探究，讓學生認識到這是一個神奇的“世界”，那么多看似不同的現象卻有著相似的科學原理.為能發(fā)現其中的奧秘而感到興奮，由此產生了一種滿足感和成就感，并形成強烈的探究動機和可持續(xù)的探究興趣.

3 “分解式”探究教學主題

“分解式”探究主題是將某個“綜合主題”分解為若干個相對具體和明確的“分主題”探究.它可能涉及跨年級甚至跨學科的知識，難度和綜合性較高.為了完成這一探究任務，需要將主題分解和細化.綜合主題與分主題之間有一定的邏輯關系，但綜合主題與分主題之間各自的關系卻是相對獨立的.其具體涉及如下兩個方面：一方面將“綜合主題”進行拆分，分解為幾個具體的“分主題”探究活動；另一方面，對每一個“分主題”形成明確的物理探究問題，并最終形成對“綜合主題”比較全面、深入和系統(tǒng)的科學認知.下面是“分解式”探究教學主題類型的演化過程（如圖15）.

圖15

這類探究教學主題可以讓學生以小組合作探究形式從中自由選擇“分主題”.在開發(fā)這類教學主題時，需要注意這些探究活動層次的內在聯系，讓學生認識到更復雜的物理問題可以通過分解為多個具體的內容探究，有些需要通過學生之間的協(xié)力合作才能完成.這樣可以讓學生在不同層次的主題探究中，培養(yǎng)學生的綜合、分析、演繹、推理等邏輯思維能力，還可以讓學生充分理解科學探究合作的重要性.

例如，教師組織學生進行“靜電演示疑難實驗”綜合探究.首先，教師提出任務驅動：“設法讓驗電器帶上靜電”（如圖16）.并分別給學生提供玻璃棒、橡膠棒、絲綢、毛皮等起電器材以及低壓情況下常見的木筷、硬紙板、蠟燭、電線、泡沫等絕緣材料.其次，學生利用上述器材分別開展分組實驗探究，并設法使驗電器帶上電荷.系列實驗和反復操作后，部分學生成功的讓驗電器帶上電荷，但大多數沒能成功.第三，教師提問：“為何驗電器難以帶上電？”，引導學生圍繞電荷的產生過程、保持（不漏電）過程、轉移過程、轉移是否成功等過程進行實驗和探討.學生基于實驗探究過程歸納出“摩擦如何起電？”、“摩擦起電后的漏電問題？”、“玻璃棒如何將靜電荷轉移？”“驗電器是否能驗電”等幾個分主題.結合上述存在的疑難問題，師生討論將“靜電演示疑難實驗探究”綜合主題分解為“靜電特點及其漏電原因探究”、“摩擦起電的機理和方法”、“靜電荷轉移的探究”、“驗電儀器結構、原理的探究”幾個分主題.

圖16

在分主題“摩擦起電的機理和方法”的探究教學中，首先，教師提問：“摩擦起電的機理是什么？”.雖然課本中提到“摩擦起電是由于得失電子而產生”，但這樣的解釋對于學生而言仍然是“一頭霧水”！這里的關鍵問題是摩擦過程涉及電子如何轉移？第二，學生圍繞這一問題展開思考與探究.有學生運用橫向遷移的方法認為是摩擦生熱導致溫度升高了，所以電子就容易跑出來……；有學生查閱資料發(fā)現“摩擦帶電是一種接觸帶電，它是由于不同物質的脫出功不同，在緊密接觸時，外層電子軌道相互重疊，導致物體間電子的轉移，玻璃棒因失去電子而帶上正電荷”.因此只有緊密的擠壓摩擦時，才可能使電子軌道重疊，從而使電子從一個物體（某種材料）轉移到另一個物體（另一種材料）.第三，了解到“摩擦帶電是一種接觸帶電”這一科學本質的關鍵，學生繼續(xù)開展實驗，發(fā)現在不太容易起電時，在同等條件下，若把玻璃棒壓緊摩擦后效果確實不錯.第四，基于上述的實驗，學生認識到在摩擦時需要注意某種材料和某種材料之間摩擦才能起電，至于哪兩種材料之間摩擦才最有效，離不開實驗的探究.第五，教師總結.只有了解“摩擦起電”的機理，才能從源頭上掌握“摩擦起電”正確的實驗操作方法，從而提高實驗的成功率.

類似的通過對“摩擦起電的機理和方法”、“靜電荷轉移的探究”、“驗電儀器結構、原理的探究”等系列分主題的深入探究與實踐，對靜電疑難實驗的科學原理、影響因素、實驗環(huán)境、實驗方法及儀器結構等有了更系統(tǒng)的科學認識，讓學生系統(tǒng)掌握靜電疑難實驗在具體環(huán)境和具體情境下問題解決的方法和實驗操作.

4 結語

在日常教學中，探究主題的選擇要體現物理學科的特點，突出科學探究的過程和方法，以緊密聯系物理與社會生活為出發(fā)點，精選智力價值和教育價值較高的主題.探究教學主題的開發(fā)注重“以問題為驅動，以興趣為導向、以學生為主體、以探究為核心，以創(chuàng)新為目標”，將探究主題開發(fā)成趣味性強、環(huán)環(huán)相扣、引人入深的探究過程，滿足學生個性化、差異化和系統(tǒng)化的學習需求，有利于自主學習和深度學習的發(fā)生，從而提升學生的物理核心素養(yǎng).