把握科学探究要素 提高学生的物理学习能力

李占一

《普通高中物理课程标准》明确提出：“高中物理课程有助于学生继续学习基本的物理知识与技能；体验科学发展探究过程，了解科学研究方法；增强创新意识和实践能力，发展探究自然、理解自然的兴趣与热情；认识物理学对科技进步以及文化、经济和社会发展的影响；为形成科学世界观和科学价值观打下基础。”高中物理课程的重要宗旨是进一步提高学生的科学素养，使学生更好地适应社会发展的挑战。科学探究是高中学生学习物理过程中必须经历的过程，在新的课程标准下，学习科学探究方法，有利于学生自主学习能力的培养，有利于培养学生的小组合作学习精神，有利于提高学生运用物理知识和科学方法解决生活和社会生产中遇到的实际问题。那么应该如何进行科学探究呢?

进行科学探究应该了解科学探究的方式，把握科学探究的要素。《物理课程标准解读》中提出科学探究的要素有以下七个：(1)提出问题；(2)猜想与假设；(3)制定计划与设计实验；(4)进行实验与收集数据；(5)分析与论证；(6)评估；(7)交流与合作。具体的探究过程可以只包含其中的几个要素，而且也不一定按以上的顺序进行。科学探究可以是学生围绕科学性问题展开探究活动。还可能是学生要根据事实现象形成解释，对科学性问题做出合理解释。

一、突出提出问题过程。不断增强学生的质疑意识

物理学是一门与人们的日常生活生产实际紧密联系的自然科学。在人类历史的发展过程中，物理学的发展总是推动了科学技术和社会、经济、文化的发展的动力。在日常生活中的许多现象都与物理知识紧密联系的。学习物理必须时刻关注身边的现象。发现问题并提出问题，最终才能找出解决问题的方法。所以，提出问题是进行科学探究的重要过程之一。通过发现问题、提出问题的过程，可以提高学生的思维能力、不断增强质疑探究意识。

在用光的折射测定玻璃的折射率的实验中，有学生提出：所用玻璃砖的两个光学表面是否一定要平行?若不平行能否用它测出玻璃的折射率?若不平行也能测出玻璃的折射率，那么与两表面平行时比较光路有无差别?若采用理论分析往往费时又不容易记住。我们可以提示学生采用实验探究的方法来解决问题，让学生先猜测实验结果，再寻找到有两个不平行的表面的玻璃砖，利用实验器材自己探究得出正确结论。这样的探究过程学生容易理解，而且由于学生体验了探究的全过程，所以印象特别深刻，同时将学生的学习重心自然地转向知识的探究过程，还为学生提供充分自由的探究、讨论问题、交流思想的机会。让学生通过探究活动，体会到科学探究的兴趣和乐趣。

二、突出控制实验变量的方法，培养学生的科学态度

学生通过初中的学习，对科学探究的过程有了一定的体验，同时也具有了初步的科学探究能力，在高中物理学习中。更应该关注学生在科学探究过程中的学习质量。尽可能让学生加深对科学探究的理解，从而进一步提高学生的科学探究能力。高中物理课程标准进一步倡导科学探究，希望促进学习方式的改变，使学生在教师的启发和引导下，主动参与探究过程，做到勤于动手和动脑。从而逐步培养学生的科学探究能力。

为了更好地进行科学探究，我们不妨再来看看科学探究的特点。科学探究是学生用已获取的知识。领悟科学的思想观念，领悟科学研究方法而进行的各种探究活动，而科学探究能力是学生通过完成部分探究活动或完整的探究活动而形成和发展的。

在“探究单摆的振动周期与什么因素有关”的教学中，我们改变教师演示的传统方法，将学生分成若干个学习小组。向每个小组学生提供这样一些实验器材：几个质量不相等的小钢球，几条细丝线，铁架台，秒表等。首先提出问题：“单摆的振动周期究竟跟什么因素有关?”由学生自行讨论并设计实验方案验证，通过改变单摆的摆长、摆球的质量、摆角的大小等，比较不同单摆的振动情况，学生发现需要讨论的物理量是多个的，因此应该运用控制变量的方法：构造两个单摆，(1)先保持质量和摆角相等。发现摆长不等的单摆振动快慢是不同的；(2]再保持摆长和质量相等，发现摆角不同的单摆振动快慢是相同的；(3)最后保持摆长的摆角相等，发现质量不同的单摆振动快慢是相同的。通过小组合作讨论及与其他组同学交流，定性地得出与单摆的振动周期有关的因素。通过科学探究使学生领悟科学探究的思想，从学生被动接受知识向主动获取知识转化，从而培养学生的自主学习能力、科学探究能力。利用同样的实验器材，在教师的启发下提出问题：既然单摆的振动周期与摆长有关，那么如果多次改变单摆的摆长，同时测出对应的周期，能否进一步探究出摆长L与周期T的数量关系呢?学生通过数据分析发现它们的关系不是简单的正反比关系，这时引导学生讨论L与T²的关系，让学生自己体会到做L-T²图像可以直观地看出两个物理量的关系。这样使学生的分析和处理问题的能力得到了发展。同时还可以培养学生实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神，增进对科学探究方法与过程的理解。

三、突出分析过程。提高实验数据分析和处理能力

分析和论证是科学探究的主要方法之一。共包含三个阶段：即对实验数据进行分析处理，尝试根据实验现象和数据得出结论，对实验结果进行解释和描述。其中对实验数据进行分析处理是最为复杂的，要做好这一复杂过程，就需要明确数据处理的基本方向、数学思路、处理方法等。所谓基本方向就是我们期望从实验数据中获得的结论，这源自探究假设。例如，研究小提琴(由两端固定的琴弦产生振动而发音的)同一根琴弦振动频率与哪些因素有关，可先让同学们猜想，之后有同学设计了如图1所示的实验装置：在一块厚木板上用A、B两个楔支撑着琴弦，其中A楔固定。B楔可沿木板移动，以此来改变琴弦振动部分的长度。将琴弦的末端固定在木板O点，另一端通过定滑轮接上砝码以提供一定拉力，轻轻拨动琴弦，在AB间即产生振动。某次实验数据如下：

(1)先保持拉力不变，改变AB的距离L(即改变自变量琴弦长度)，测出不同长度时琴弦振动的频率(因变量)，记录结果如表1所示。

从表1数据可判断在拉力不变时，AB距离L(即弦长)越小，琴弦振动的频率就越大，通过计算比较长度L与频率，两个物理量的乘积，发现乘积为定值，或者先求出1/L，再与频率比较，同样也能得出f∞1/L，所以琴弦振动的频率，与弦长L的关系为：频率f与弦长L成反比。

(2)保持琴弦长度不变，改变拉力(自变量)，测出不同拉力时琴弦振动的频率(因变量)，记录结果如表2所示。

从表2数据可判断在琴弦长度不变时，拉力越小。频率也越小，但又不是正比关系，通过计算频率f的平方值再与拉力大小比较，得出琴弦振动的频率f与拉力F的关系为频率f与拉力F的平方根成正比。

在上述数据处理过程中我们用了控制变量法。测量了因变量频率与自变量弦长拉力的关系，通过对数据进行计算列表的方法进行对比，找出了数据之间的依赖关系。对于数据的分析和处理还可以用图像法。例如，用单摆测重力加速度的实验中，做T²-L图像，由图像的斜率求出重力加速度。

总之，《普通高中物理课程标准》中把科学探究作为内容标准的一个部分，可见科学探究占有相当重要的地位，科学探究是高中学生完成物理课程所必须达到的学习目标，科学探究方法是物理课中的重要教学内容。体验科学探究过程有利于培养学生的自主学习能力，有利于培养学生的团结协作能力，有利于提高学生的科学素养和综合素质。

参考文献：

[1]物理课程标准研制组，物理课程标准(实验)解读[M]，斌汉：湖北教育出版社，2004