梁沛林

(深圳市西鄉(xiāng)中學(xué) 廣東 深圳 518102)

研究性學(xué)習(xí)指學(xué)生在教師指導(dǎo)下,從學(xué)習(xí)生活和社會(huì)生活中選擇和確定研究專題,主動(dòng)地獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)、解決問題的活動(dòng)[1].研究性學(xué)習(xí)與社會(huì)實(shí)踐、社區(qū)服務(wù)、勞動(dòng)技術(shù)教育共同構(gòu)成“綜合實(shí)踐活動(dòng)”,作為綜合性評(píng)價(jià)中的重要指標(biāo),也是落實(shí)過程性評(píng)價(jià)的突破口.然而研究性學(xué)習(xí)的開展因選題的學(xué)科定位模糊,缺乏專業(yè)的指導(dǎo)教師,評(píng)價(jià)方案和標(biāo)準(zhǔn)還沒形成等原因而發(fā)展緩慢.

對(duì)物理學(xué)科而言,研究性學(xué)習(xí)是物理學(xué)習(xí)密不可分的內(nèi)容.物理學(xué)科有許多需要課外探究的問題,研究性學(xué)習(xí)正好跟課堂教學(xué)形成互補(bǔ),對(duì)提升學(xué)生思維能力起到積極的作用.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)也建議教學(xué)中通過開展研究性學(xué)習(xí),拓展學(xué)生的知識(shí)面,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探索科學(xué)問題的意識(shí)與能力[2].

如何把研究性學(xué)習(xí)和高中物理課程深度融合,通過開展物理的研究性學(xué)習(xí)提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力值得一線物理教師思考.研究性學(xué)習(xí)的開展離不開研究什么和怎么實(shí)施研究以及如何評(píng)價(jià)的問題,下面將圍繞這幾個(gè)問題進(jìn)行探討.

1 高中物理研究性學(xué)習(xí)的選題

研究性學(xué)習(xí)的選題非常寬泛,主要是圍繞學(xué)生感興趣的問題開展調(diào)研、分析和實(shí)驗(yàn)等.然而物理課程有其內(nèi)在的教學(xué)內(nèi)容和素養(yǎng)目標(biāo),對(duì)學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)的選題存在一定的約束作用.綜合性太強(qiáng)的選題不但難以落實(shí),同時(shí)也背離了高中課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生能力和素養(yǎng)的要求.在教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出以下兩種有效的選題方式.

1.1 充分利用教材中的研究主題

6個(gè)版本的高中物理新教材中人教版和滬教版都專門為研究性學(xué)習(xí)制定了學(xué)習(xí)模塊.人教版高中物理教材每分冊(cè)均提供兩個(gè)研究主題,其內(nèi)容圍繞當(dāng)前所學(xué)物理知識(shí)的拓展應(yīng)用或者探究實(shí)驗(yàn)展開.例如人教版必修第一冊(cè)的研究課題是“球形物體空氣阻力大小與速率關(guān)系的研究”,通過“問題的提出”“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”“實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)”和“數(shù)據(jù)處理和結(jié)論”4個(gè)環(huán)節(jié)詳細(xì)展示研究性學(xué)習(xí)的開展流程和方法.另外提供“橡皮筋彈力與伸長(zhǎng)量關(guān)系的研究”作為參考選題[3].而滬教版的教材沒有提供完整的研究案例,而是提供了豐富的課題選題.除了測(cè)量類課題、探究類課題和應(yīng)用設(shè)計(jì)課題以外還提供了調(diào)研課題和綜述課題素材,如“尋找生活中顯現(xiàn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的實(shí)例”“合理開發(fā)和利用能源的調(diào)查”“華人科學(xué)家在粒子物理領(lǐng)域的貢獻(xiàn)”等[4].滬教版教材在必修和選擇性必修共6冊(cè)教材中提供了30個(gè)課題以供學(xué)生選擇研究.

1.2 聚焦學(xué)習(xí)生活中的問題展開研究性學(xué)習(xí)

日常教學(xué)中會(huì)遇到許多學(xué)生感興趣的問題,但是這些問題又超出了課程內(nèi)容,此時(shí)引導(dǎo)學(xué)生展開研究性學(xué)習(xí),能夠跟課堂教學(xué)形成互補(bǔ),提升能力,形成素養(yǎng).研究性學(xué)習(xí)往往起源于問題,并聚焦一個(gè)小問題,通過深入研究對(duì)學(xué)科的學(xué)習(xí)起到以點(diǎn)帶面的作用.通常在教學(xué)實(shí)踐中提出研究性學(xué)習(xí)主題的方式有以下幾種.

(1)習(xí)題問題轉(zhuǎn)化為研究問題.學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到下面問題:“某用燈泡工作的電壓閾值為2 V,當(dāng)施加的電壓超過閾值時(shí)燈泡發(fā)光.當(dāng)在燈泡兩端施加峰值為3 V,頻率為50 Hz的正弦交變電流時(shí),求燈泡閃爍的頻率.”當(dāng)學(xué)生們經(jīng)過分析得到100 Hz的結(jié)論時(shí),課堂上馬上有學(xué)生提出該情境跟電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作原理接近,電壓大于某個(gè)閾值時(shí)電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器放電針跟石墨盤間放電并擊穿空氣打出黑點(diǎn).然而電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的輸入頻率為50 Hz,而一個(gè)周期內(nèi)達(dá)到電壓閾值的次數(shù)為2次,故打點(diǎn)的頻率應(yīng)該為100 Hz,這顯然跟實(shí)際情況是矛盾的.為了解決這個(gè)問題,學(xué)生開展了題為“電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電路設(shè)計(jì)研究”的研究性學(xué)習(xí)主題,最終繪制出電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電路圖,學(xué)生從中學(xué)習(xí)了變壓器、二極管、三極管等電子元件的相關(guān)知識(shí),掌握了電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí).

(2)常規(guī)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和拓展.測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)中,許多學(xué)生測(cè)量出的結(jié)果都出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差.經(jīng)過分析,發(fā)現(xiàn)測(cè)量的偏差跟測(cè)量器材、操作方案等因素都有關(guān).于是筆者給學(xué)生布置了一個(gè)特殊作業(yè):使用不同的方案,盡可能精確測(cè)量重力加速度.于是便有了“探究西鄉(xiāng)中學(xué)重力加速度”的小課題,課題的最初目的就是讓學(xué)生在探究過程中學(xué)會(huì)尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí),實(shí)事求是,然而學(xué)生在探究過程中獲得的比預(yù)期多得多.

(3)為解決實(shí)際問題開展研究.由于深圳市西鄉(xiāng)中學(xué)高中部建在機(jī)場(chǎng)附近,每天受飛機(jī)的噪音困擾,于是有學(xué)生提出了“探究降低西鄉(xiāng)中學(xué)飛機(jī)噪音的方案”的研究性學(xué)習(xí)課題.根據(jù)防治噪音的3個(gè)方面“聲源防治”“傳播防治”和“受音者防護(hù)”進(jìn)行分析,最后決定結(jié)合聲子晶體的模型通過傳播防治的途徑隔斷噪音.通過測(cè)量飛機(jī)噪音的主頻,制作匹配的聲子晶體模型測(cè)試隔音效果.

2 例說研究性學(xué)習(xí)的開展

研究性學(xué)習(xí)的一般流程是:提出假設(shè)→建立模型→尋找證據(jù)→印證或推翻模型→總結(jié)及反思,如圖1所示.研究性學(xué)習(xí)的開始是“問題”,這是選題的關(guān)鍵,這里不再贅述.在解決問題時(shí)需要提出基本的假設(shè),并在假設(shè)的基礎(chǔ)上建立物理模型.結(jié)合模型能夠推演出某些推論,再通過實(shí)驗(yàn)或者客觀事實(shí)尋找證據(jù)印證或推翻模型.下面以“探究旋渦的力學(xué)模型”為例簡(jiǎn)述物理研究性學(xué)習(xí)的開展過程.

圖1 研究性學(xué)習(xí)的一般流程

2.1 提出疑問 明確研究的問題

學(xué)生學(xué)習(xí)了萬(wàn)有引力定律后發(fā)現(xiàn)宇宙中的天體運(yùn)動(dòng)圖像很像水中的旋渦,于是提出疑問:天體旋渦與水中的旋渦是否滿足相同動(dòng)力學(xué)規(guī)律?根據(jù)萬(wàn)有引力定律,天體受萬(wàn)有引力作用,滿足受力與距離的二次方成反比,結(jié)合圓周運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程,推導(dǎo)出:越接近旋渦中心,天體的向心加速度越大,線速度越大,角速度也越大.比較水旋渦的受力情況、線速度、角速度和向心加速度,看是否能得到相同的結(jié)論?

2.2 提出猜想 建立模型

水旋渦形成的水面形狀是錐面,如果只考慮重力和水的支持力,結(jié)合水的旋轉(zhuǎn)可以視作圓周運(yùn)動(dòng),很容易就能夠聯(lián)系到錐面上的圓周運(yùn)動(dòng)模型.水在錐面的同一個(gè)水平面上可以看作是勻速圓周運(yùn)動(dòng).設(shè)圓錐母線與水平方向的夾角為θ,模型建立如表1所示.

表1 錐面上的勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型

2.3 探究實(shí)驗(yàn) 尋找證據(jù)

水旋渦大致可以分為擾動(dòng)型旋渦和漏斗型旋渦兩種,擾動(dòng)型旋渦通過攪動(dòng),使水面形成穩(wěn)定的旋渦,例如洗衣機(jī)、水流沖擊到岸邊形成的旋渦等.而漏斗型旋渦則是水從排水口流出時(shí)沿側(cè)向的分速度不斷放大形成的旋渦,如常見的洗手盆、漏斗等放水時(shí)形成的旋渦.

擾動(dòng)型旋渦:在圓形臉盆中放入清水,把卷尺固定在盆的直徑上用于讀取小紙片隨旋渦圓周運(yùn)動(dòng)的半徑.用手?jǐn)噭?dòng)水,使水面形成旋渦.放入小紙片,觀察并記錄小紙片圓周運(yùn)動(dòng)的半徑并用停表記錄周期.使用的實(shí)驗(yàn)器材、測(cè)量方法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)論如表2所示.

表2 擾動(dòng)型旋渦模型檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

從實(shí)驗(yàn)中可以明顯觀察到靠近旋渦中心的紙片轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度大,線速度小,經(jīng)過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的紙片的向心加速度幾乎相等,這跟圓錐面上的圓周運(yùn)動(dòng)模型是完全吻合的.

表3 漏斗型旋渦實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)證據(jù)與所建立的模型并不匹配.

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)洗手盆放水時(shí)并不是每次都能夠形成旋渦,當(dāng)不形成旋渦時(shí)水流是沿著斜面流入排水口的,其力學(xué)模型類似于斜面模型,水流應(yīng)該是勻加速進(jìn)入排水口的.

2.4 修正模型 分類探討

通過觀察發(fā)現(xiàn)水流沿著漏斗狀洗手盆下滑時(shí),水流是在加速的.水流沿著錐面上的螺旋線下滑,如果把螺旋線拉直可以把水流看做沿著斜面勻加速下滑,速度越來越快,進(jìn)而分析角速度和向心加速度.修正的模型如表4所示.

表4 螺旋線加速模型

可見隨著紙片順著旋渦下滑,圓周軌跡的曲率半徑減小,物體線速度增大,角速度增大,向心加速度增大.該模型與漏斗型旋渦的觀測(cè)結(jié)果是吻合的.盡管該模型跟天體運(yùn)動(dòng)形成的旋渦在線速度、角速度和向心加速度的變化趨勢(shì)上近似,然而因?yàn)槠涫芰υ聿煌?故滿足的力學(xué)模型是不同的.

3 展示和評(píng)價(jià)

研究性學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)應(yīng)側(cè)重過程性評(píng)價(jià),對(duì)問題、建模、推理論證、質(zhì)疑、實(shí)踐、證據(jù)、解釋、交流等要素需要融合到評(píng)價(jià)中,如表5所示.研究后需要完成研究報(bào)告,并通過研究成果分享會(huì)的方式展示.由研究報(bào)告、小組評(píng)價(jià)和教師評(píng)價(jià)的方式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).研究報(bào)告結(jié)構(gòu)和內(nèi)容如圖2(a)和(b)所示.

表5 研究性學(xué)習(xí)研究報(bào)告的評(píng)價(jià)維度

(a) (b)圖2 研究性學(xué)習(xí)報(bào)告

每位學(xué)生填寫一份研究報(bào)告,經(jīng)過自我反思、小組評(píng)價(jià)并由教師綜合考慮評(píng)價(jià)要素最終給該成員打出成果報(bào)告的評(píng)價(jià)分.

集中3～4個(gè)相似的課題組進(jìn)行集中展示.成員輪流上臺(tái)介紹研究過程、成果和體會(huì)(圖3),給每個(gè)學(xué)生提供合作、反思、表達(dá)的機(jī)會(huì).最后由其他小組和教師共同對(duì)課題研究的“價(jià)值”“過程”和“展示”進(jìn)行評(píng)價(jià).

(a)

(b)圖3 研究性學(xué)習(xí)匯報(bào)會(huì)

4 開展研究性學(xué)習(xí)的建議

4.1 重視研究性學(xué)習(xí)的學(xué)科屬性

研究性學(xué)習(xí)被定義為一門實(shí)踐課程,這就賦予了研究性學(xué)習(xí)綜合性、探究性和學(xué)習(xí)性的屬性.然而正是因?yàn)榫C合性,使研究性學(xué)習(xí)被排除在學(xué)科之外.任何一個(gè)學(xué)科都能參與研究性學(xué)習(xí),然而又沒有一個(gè)學(xué)科能夠獨(dú)立開展研究性學(xué)習(xí).目前研究性學(xué)習(xí)的開展都是由其他學(xué)科教師兼任,受限于教師自身學(xué)科背景的局限,研究性學(xué)習(xí)的開展困難重重.在沒有形成獨(dú)立課程之前,研究性學(xué)習(xí)的開展應(yīng)提倡從單一學(xué)科的視角開展.例如從物理學(xué)科的角度展開相應(yīng)的研究,解決實(shí)際問題,聚焦培養(yǎng)物理學(xué)科素養(yǎng).讓多個(gè)學(xué)科共同支撐起研究性學(xué)習(xí)的課程.

4.2 建立基于學(xué)科的研究性學(xué)習(xí)的選題目錄

研究性學(xué)習(xí)側(cè)重于學(xué)習(xí),是為學(xué)習(xí)而進(jìn)行的研究.研究的選題應(yīng)該有目的性,不可漫無(wú)目的地研究.選題既需要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容,也需要接近學(xué)生的認(rèn)知和能力水平;既需要依據(jù)課標(biāo)內(nèi)容凝練出研究的問題,又需要考慮學(xué)生的生活體驗(yàn)和興趣點(diǎn),激發(fā)研究的興趣.因?yàn)槊總€(gè)學(xué)段學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容是相同的,認(rèn)知和能力水平也接近,因此研究性學(xué)習(xí)的選題也具有相對(duì)穩(wěn)定性.在實(shí)踐中可以根據(jù)本校的實(shí)際情況,選取以一批經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)切實(shí)可行的課題,編制研究性學(xué)習(xí)的選題目錄,供學(xué)生選擇.

4.3 建立研究范例

研究范例指普遍適用于學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)的研究方法和研究路徑.研究性學(xué)習(xí)又區(qū)別于正規(guī)的課題研究,其研究往往已知結(jié)果,并可以重復(fù).在研究中更關(guān)注學(xué)生的配合、參與,解決問題的決心,以及在過程中體現(xiàn)出的證據(jù)意識(shí)和科學(xué)精神.中學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)可以歸納為探究、調(diào)研和綜述3類,制定相應(yīng)的研究范例可以規(guī)范研究性學(xué)習(xí)的過程.

4.4 規(guī)范的評(píng)價(jià)形式

研究性學(xué)習(xí)作為過程性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容,起到考試評(píng)價(jià)無(wú)法替代的作用.尤其是對(duì)科學(xué)態(tài)度和責(zé)任、科學(xué)探究素養(yǎng)的呈現(xiàn)比考試評(píng)價(jià)更全面、更客觀.研究性學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的規(guī)范性和在學(xué)生升學(xué)中的作用都有待提高.采用研究報(bào)告結(jié)合成果分享會(huì)的雙項(xiàng)評(píng)價(jià)以及結(jié)合“自主反思”“相互評(píng)價(jià)”和“教師評(píng)價(jià)”的立體評(píng)價(jià)方式,更能客觀反映學(xué)生在研究性學(xué)習(xí)中的真實(shí)表現(xiàn).

5 總結(jié)

研究性學(xué)習(xí)不僅是高中物理課程內(nèi)容的一部分,也是落實(shí)多元化評(píng)價(jià)體系建設(shè)的重要方式.通過開展研究性學(xué)習(xí)能夠加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解,培養(yǎng)科學(xué)思維和方法,還能提高跨學(xué)科綜合能力,培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和價(jià)值觀,激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究興趣,為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)和科學(xué)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).研究性學(xué)習(xí)選題時(shí)教師可以通過充分利用教材提供的研究主題和引導(dǎo)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)生活中的問題展開研究來實(shí)現(xiàn).在實(shí)施過程中,教師則需要指導(dǎo)學(xué)生制定研究框架,充分發(fā)揮學(xué)生的好奇心和主動(dòng)性,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究.評(píng)價(jià)上則需要研制評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生的研究過程和結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力.