高中物理新课程中的科学探究

高中物理新课程中的科学探究西南师范大学物理学院《物理教学探讨》杂志社赵保钢[e-mail]引言：走进新课程改变课程过于注重知识传授的倾向，强调形成积极主动的学习态度，使获得基础知识与基本技能的过程同时成为学会学习和形成正确价值观的过程。改变课程实施过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力。——《基础教育课程改革纲要》2001年7月科学探究（和科学实验）要素：提出问题猜想与假设制定计划与设计实验进行实验与收集证据分析与论证评估交流与合作——2001《全日制义务教育物理课程标准》——2003《全日制高中教育物理课程标准》一、课程标准中的科学探究二、科学探究的教学设计三、科学探究的评价方法高中物理新课程中的科学探究一、高中物理课程标准中的科学探究1、学术意义与课程意义上的科学探究2、验证性实验与探究性实验的比较3、部分国家和地区高中科学（物理）课程标准中的科学探究4、我国高中物理课程标准中的科学探究学术意义上的科学探究科学探究是一种系统的调查研究活动，其目的在于发现并描述物体和事物之间的关系。其特点是采用有秩序的和可重复的过程；简化调查研究对象的规模和形式；运用逻辑框架作为解释和预测。探究的操作活动包括观察、提问、实验、比较、推理、概括、表达、运用及其它活动。K.D.Peterson支持猜想或假设不支持猜想或假设得出结论分析与论证进行实验与收集证据提出问题自然现象制定计划或设计实验猜想或假设课程意义上的科学探究科学探究既是学生的学习目标又是重要的教学方式之一。学生在科学探究活动中，通过经历与科学工作者进行科学探究时的相似过程，学习物理知识与技能，体验科学探究的乐趣，学习科学家的科学探究方法，领悟科学的思想和精神。——《全日制义务教育物理课程标准》验证性实验与探究性实验的比较验证性实验实验步骤驱使，少量的智力活动，机械式操作，强调行为与规则一致。探究性实验问题需要驱使，持续的智力活动，较高水平的思维技巧，强调独立思考与行动验证性实验学生活动的中心是验证教学中讲述的概念、原理或关系，强调从抽象到具体。探究性实验学生活动中心是发现新的概念、原理或关系，强调从具体到抽象。验证性实验学生按照给定的实验设计进行实验；告知学生应该使什么变量不变，什么变量改变，什么变量是独立的，什么变量不独立。探究性实验学生自己设计实验；识别、区别、控制相关的独立和非独立的变量。验证性实验告诉学生收集什么数据，如何收集数据，学生设计给定数据的表格。探究性实验学生决定收集数据的种类和数量，自己设计实验并收集数据。验证性实验实验前已知结果，强调完成特定的任务。探究性实验通过探究过程获得结果，强调利用数据获得概念，促进其对科学的理解。验证性实验很少让学生面对并处理错误的、不确定的问题和概念。不利于促进程序性知识的发展。探究性实验允许学生从他们的错误和失败中学习。有利于促进程序性知识的发展。Am.J.Phy,62(7),1994综合性问题分析性问题部分国家和地区高中科学（物理）课程标准中的科学探究美国英国新西兰加拿大阿尔贝塔省按8个条目展开，分别为：确定指导科学研究的问题和概念；设计并进行科学探究；利用适当的工具和技术收集、分析和解释数据；培养运用证据进行描述、解释、预测和构建模型的能力；通过批判性和逻辑性思维建立证据与解释之间的关系；承认和分析提出的可供选择的解释和预测；交流科学过程与解释；将数学运用于科学探究的各个方面。美国英国新西兰加拿大阿尔贝塔省按4个要素展开，分别为：计划；获得和展示证据；分析证据；评价。例：计划使用科学知识和理解，将想法转化为能够探究的问题，确定恰当的策略；决定使用第一手资料或二手资料获得的证据；进行准备工作，并做出预测；考虑收集证据过程中需要重视的关键因素，考虑当变量不易被控制时如何收集证据；确定待收集数据的范围和数量级，需要使用的技术、设备和材料。美国英国新西兰加拿大阿尔贝塔省按4个要素展开，分别为：提出问题与计划探究；信息收集；处理与解释（数据）；报告。例：提出问题与计划探究根据自己或集体的有关问题提炼出适合于进行科学探究的问题；整合自己和他人的观点和观察结果，做出能观测的预测，确定可能的实验方案；确认变量，设计准确测量和控制变量的方法。美国英国新西兰加拿大阿尔贝塔省按6个要素展开，分别为：发起和计划；收集和记录；组织和交流；分析；联系、综合与整合；评价（过程和结果）例：发起和计划识别并清晰地陈述将要探究的问题或论点；区别相关和不相关数据或信息；集合和记录背景信息；确认所有的变量和控制参数；确认需要的材料和装置；阐明问题、假设或预测以引导实验；设计和/或描述研究或解决某个问题的计划；准备所需要的观察图表，并进行初步计算；我国高中物理课程标准中的科学探究分2部分第一部分提出“科学探究和物理实验能力要求”按7个要素展开，共27条。第二部分规定必须进行的科学探究活动，按模块展开，共9项。物理学是一门以实验为基础的自然科学。在高中物理课程各个模块都安排了一些典型的科学探究或物理实验。高中学生应该在科学探究和物理实验中达到以下要求（7个要素，27条）提出问题，猜想与假设，制定计划与设计实验，进行实验与收集证据，分析与论证，评估，评估交流与合作——《普通高中物理课程标准》1、科学探究和物理实验能力要求提出问题能发现与物理学有关的问题；从物理学的角度较明确地表述这些问题；认识到发现问题和提出问题的意义。提出问题发现问题对探究的认识书面表述口头表述明确表述问题猜想与假设对解决问题的方式和问题的答案提出假设；对物理实验结果进行预测；认识到猜想与假设的重要性制定计划与设计实验知道实验目的和已有条件，制定实验方案；尝试选择实验方法及所需要的装置与器材；考虑实验的变量及其控制方法；认识到制定计划的作用。进行实验与收集证据用多种方式收集数据；按说明书进行实验操作，会使用基本的实验仪器；如实记录实验数据，知道重复收集实验数据的意义；具有安全操作的意识；认识到科学收集实验数据的重要性。通过实验，探究加速度与物体质量、物体受力的关系。（物理1）通过实验，探究恒力做功与物体动能变化的关系。（物理2）通过实验探究变压器的电压与匝数的关系。（选修2-1）通过实验，探究决定导线电阻的因素，知道电阻定律（选修3-1）2、标准规定必须进行的科学探究活动探究并理解透镜成像的规律。（2－3）通过探究，理解楞次定律。（3－2）通过实验，探究变压器的电压与匝数的关系。（3－2）通过实验，探究单摆的周期与摆长的关系。（3－4）探究物体弹性碰撞的一些特点。（3－5）二、科学探究的教学设计1、科学探究教学设计的心理学问题2、科学探究教学设计实例分析匀变速直线运动研究的教学设计建立概念，了解规律学习研究匀变速直线运动规律的方法探究特定的匀变速直线运动通过历史认识科学探究自由落体运动规律的探究宇航员斯科特在月球上，用羽毛和锤子向人们演示了伽利略三百多年前的推断物理科学探究教学的若干问题实验探究活动基本特点教学与评价相结合，评价成为教学活动的一个重要组成部分完整的探究同与某个或部分环节的为重点的探究向结合个人进行的实验探究与小组合作开展的实验探究相结合科学探究既是教学内容，又是一种教学方法科学探究是一种精心安排的教学设计，一个结构优化的教学能够发展学生的探究能力，并帮助学生更好地理解科学。在探究性教学中，有必要回答学生提出的问题吗？是的，理解需要知识。但不是所有的知识都可以通过探究而获取，要决定如何回答学生的提问，这取决于教师的教学目标和所涉及的内容。教师可以否决学生提出的探索方案吗？提高学生的科学探究的能力和学习科学概念与原理，哪一样更重要？是否建议教师应该在每一堂课中都使用探究教学？在探究科学课程中，教师应给学生提供多少组织和自由？学习者探究直接来自教师、教科书或者其它途径的问题学习者探究的问题来自教师、教科书或其它途经，但问题不直接，需要有所改变或自己体会其含义学习者从所提供的问题中选择、据此提出新的问题学习者自己提出一个问题学习者探究科学问题课堂探究的不同程度水平设计高高教师在开展探究时怎样对学生进行管理？要开展富有成效的实验，探究活动需要教师和学生都能有效地制定计划，组织实施。教师要创建小组，进行资源管理，运用资源和讨论形式给学生以指导。链接用资料全日制普通高级中学教科书（必修）物理第一册怎样做好学生实验1、实验前做好准备（1）明确实验目的，弄懂实验原理；（2）明确所用仪器装置，弄清楚操作步骤及注意事项；（3）设计好记录数据的表格2、手脑并用，正确地操作、观测和记录不能只动手不动脑，机械地安规定的实验步骤操作，……。按实验步骤操作时，……在进行每一步操作前，先想想可能出现的结果，……3、正确分析和处理数据，写好实验报告验证力的平行四边形定则（7）单摆探究性实验运动、方向和速度材料：几段长短不同的绳子、一卷胶带以及几个尺寸和重量各不相同的垫圈实验：1）做一个单摆，2）把单摆固定在桌上使其能自由摆动，3）观测并记录15秒内单摆摆动的次数。单摆提出问题：为什么每个小组记录的摆动次数不一样？猜想与假设：测量有问题、与绳子的长度有关、与垫圈的直径有关、与垫圈的质量有关、启动高度……设计实验：分组做不同的实验单摆分析与讨论：比较每组的数据结论：摆动次数的差别是绳子的长度不同造成的。进一步：将不同绳长的单摆与摆动次数对应起来。分析、讨论、结论：一定时间内单摆摆动的次数随绳子的长度的减少而增加。水火箭的科学探究例4某班科技活动小组将一些大小不同的正方形塑料薄膜，细绳以及回形针制作了部分降落伞，如图示。其中，有的同学在降落伞下部挂一枚回形针，有的挂两枚甚至更多的回形针。同学们将降落伞从距离地面1.5m的高度释放降落伞，并测量其降落至地面的时间。1）请说明可能影响降落伞降落时间的一个因素。2）预测该因素变化（如增大、减小）时，降落伞降落时间会发生什么变化。3）请你设计一个探究方案，并详细描述实验步骤，使其他同学能根据你的描述做实验，检验你的预测是否正确。例8设计斯诺克台球球桌桌边的高度，要求当球撞击桌边时球的动能损失最小。请你设计一个探究方案，探究球正常撞击桌边时，球与桌边接触点的高度对球的能量损失的影响。要求尽量使用学校实验室常见的器材，并设计一个可以调节桌边高度的机械装置。建议用适当的图帮助说明探究方案。碰撞高度你的探究方案应该包括下列各项：你要测量的量以及如何测量这些量。如何测量、确定接触点的高度对球的动能损失的影响。将要控制的因素，如何控制。为了得到可靠的结果，你需要努力克服一些什么困难。评价例105图所为一热敏电阻两端电流与电压曲线图。画出实验电路图并简述实验步骤，使其他同学根据你的描述能通过实验收集相应的实验数据。如果该热电阻与一个2.0k电阻并联，流过该电阻的电流为6.0mA。计算热电阻两端的电压。I/mAU/V例5三个同学做实验，研究纸片、塑料薄膜以及棉布对电视机遥控器遥控信号的阻挡能力。探究过程是：同学A回家后，将纸片放在遥控器与电视机之间，按遥控器控制键，如果能控制电视机，则增加纸片的数量。如此重复实验，直到遥控器不能控制电视机为止，记录纸片的数目。同学B、C回家后分别用塑料薄膜、棉布，按照与同学A同样的方法进行实验。其实验结果见下表学生材料能完全阻挡遥控信号的最少张数A纸片14B塑料薄膜25C棉布6他们的结论是，与纸张、塑料薄膜相比，棉布能更有效地阻挡电视机遥控器的信号。三个同学的探究过程存在一些问题，请你指出其中的3个问题。请从指出的3个问题中选出1个说明如何改进。例105图所为一热敏电阻两端电流与电压曲线图。画出实验电路图并简述实验步骤，使其他同学根据你的描述能通过实验收集相应的实验数据。如果该热电阻与一