探究性科学学习环境——一种科学过程的物理学习方法

周小燕，黄 桦

（湛江师范学院 物理科学与技术学院，广东 湛江 524048）

1 引言

在物理教学中，通常上物理教师使用实验有两种情况，一是为了说明一个物理概念或者是为了解释一个物理原理.二是在课堂上验证物理定律，例如指导学生做实验验证牛顿第二定律.在这两种情况下，教师通常有很多口头说明或者书面指导.有研究表明，这样使用实验在帮助学生理解物理概念或者是发展学生实验技能方面的效果不是很好.因为这种情况下学生只是接受相互脱节的科学的知识，而不去试图了解物理是如何构建一个“事实”的[1].任何一种学习都必须在一定的环境下进行，探究性学习也是如此.探究科学学习环境反映了建构主义的学习观，强调学习者主动基于自己与世界相互作用的独特经验去建构自己的知识，通过自主探究经历科学探究过程，理解科学探究思维[2].现在科学教育界在在科学发展历史的角度上，提出科学教育要让学生像科学家一样思维.物理教学应该提供这样的一种探究性的学习环境，一种科学过程的学习方法.让学生在这个环境中去了解科学家是如何思维，让学生去经历科学家的思维过程，探究性地学习物理[3].

2 探究性科学学习环境

本论文介绍了由美国罗格斯大学的Alan Van Heuvelen和Eugenia Etkina开发的一种探究性科学学习环境（Investigativ e Scienc e learning Environment简称ISLE）中科学过程的科学学习方法以及它的理念.经过在中学、大学、教师培训等课堂的实践表明，这种学生自主建构和学习物理的科学过程学习方法达到了很好的教学效果[4].

ISLE认为学生在物理实验过程中参与学习和科学家建构、应用知识的过程是相似的，是一种互动式且能体现科学家思维过程的教学方法.这种方法主要有两个特点，一个特点是注重学生物理前概念，涉及到学生学习观念的变化.另外一个特点是鼓励学生以不同的方式展现物理过程，并帮助他们作出科学性推论和解决问题陈述.ISLE是由三种不同的实验来展现探究性科学学习过程.这三种实验分别是：观察性实验、验证性实验和应用性实验[5,6].在每个单元的开始，学生通过观察性实验，观察实验现象，收集数据，分析实验数据中的模型，用假设、演绎、推理来建构可能的科学概念.接着在验证性实验阶段，学生用他们构建的概念来预测新实验的结果，并完成实验.如果实验结果和预期的结果不符合，就修正他们的解释.最后，在应用性实验阶段，他们用这些修正后的科学解释去解决实际问题.

3 探究性科学学习过程

下面结合圆周运动这一具体例子来讲述ISLE中探究性科学学习的过程.

在探究性科学学习环境中，要求教师要对学生知识情况要有一个调查了解.例如教师要知道学生在学习圆周运动之前，已经学习了线性运动学、动力学、受力分析图.在圆周运动这一单元的一开始，有三个观察性实验.实验1是一个人用锤子敲击一个大球让它滚动，同时以某固定点为圆点，使得大球做圆周运动.实验2是一个人用木棒打击一个小球让它滚动，以自己为圆心，使得小球做圆周运动.实验3是一个溜冰者两脚平行滑行，不管她身体怎么倾斜都无法做圆周运动.接着让另一个人站住不动用绳子拉着她，她就可以做圆周运动.还有当她不断地用一只脚往外用力轻轻滑动，也可以使得她做圆周运动.这三个观察性实验可以教师可以在课堂中现场演示，这三个实验比较容易演示同时现象非常直观.同时也是直接采用ISLE中的实验视频.在观察性实验中要求学生做一些思考和猜想如：观察前两个实验中的人是如何敲击球？敲击球的力方向是怎么样的？溜冰者怎么一开始做不了圆周运动？当她拉着绳子做圆周运动时，绳子的作用是什么？当她没有绳子时想做圆周运动时她需要做一些什么？在每个实验中，与做圆周运动物体相互作用的物体是什么？绘制圆周物体在这些实验中的受力分析图？当一个物体做圆周运动时它的速度有变化吗？它作用力的方向是如何？要求学生对这些问题的思考写在报告中并在课堂中和同学们交流.

在这个过程中，学生很直观地感受一个物体做圆周运动需要有一个力的作用，同时很直观地感受到物体做圆周运动速度的变化情况.根据以上的观察和思考，学生寻找这些物理现象中的模型，这时学生可以提出假定性规律，这些规律可以是：一个物体以恒定的速度做圆周运动的时候，合力方向是水平并且总是指向圆心（猜想1）.物体做圆周运动，合外力的方向是沿着圆心向外（猜想2）.物体做圆周运动，合外力沿着运动的方向（猜想3）.

根据物理学家的思维过程，在提出猜想后，必须寻找证据来验证猜想.同样，在探究性科学学习环境中，学生也要对自己的猜想进行验证.这个验证的过程要求学生设计实验来验证，也可以根据教师提供的验证性实验来寻找证据.在圆周运动这个单元中的有几个验证性实验，这里简单介绍两个.实验1，一个大的金属环，一个小球，给小球一个力，让它在环中滚动.让学生根据前面提出的猜想预测小球运动的轨迹.实验2，一个大的金属环，一个小球，给小球一个力，让它在环中滚动.然后将金属环的一小部分拿开，让学生根据自己猜想，预测小球的运动的轨迹.学生通过小球的受力图，可以知道圆环对小球有一个作用力，且这个力的方向是指向圆心的.首先是预测小球在金属环中的运动轨迹，根据猜想1，如果球开始运动，那么在圆环中应该是做圆周运动.根据猜想3，那么球不应该做圆周运动，因为沿着圆环没有力的作用.他们通过自己演示实验并观察现象，小球在金属环中是沿是做圆周运动的，那么就可以将猜想3可以推翻.接下来预测如果金属环的一部分被拿开会有什么现象发生？当学生使用猜想1，他们认为如果环的一部分被拿开那么将没有合外力作用在小球上，所以根据牛顿第一定律，小球将会做直线运动.如果他们使用猜想2，那么球将会飞到外面去.这样通过检验性实验的现象，可以很直观地看到小球是沿着切线的方向飞出来的.猜想2也被推翻，就这样可以的到一个修正后的解释那就是物体以恒定速度做圆周运动的合外力方向是沿着圆心向外的.

探究科学学习环境还有一个重要的探究科学学习过程，就是将所获得的科学规律、概念应用于实际生活中.因而，学生必须在熟悉一个特定的概念之后设计、操作这类实验，或者把几个概念联合起来解决实际问题.ISLE鼓励学生用多种陈述去推理，鼓励学生提出多种设计实验方案，然后根据所选仪器选择最好的实验方案.在圆周运动这个单元中主要是提供几个实验情景，要求学生运用所学到的科学去解决提到的问题.下面简单介绍两个应用性实验.实验1有一个弹簧，被固定.下面用绳子吊着一个小球，当下面的小球做单摆运动时，弹簧的读数会发生变化.在演示实验之前，要求学生思考当小球做单摆运动时，弹簧上的读数是怎么变化的？实验2两个滑轮固定在一个杆子上，悬挂在支架上.两个重物分别系在一根绳子的两端.将系着重物的绳子放在滑轮上，平衡后让一个重物摆动，这时摆动的重物慢慢下降，另外一个重物慢慢上升.在演示实验之前，要求学生思考当其中一个重物做单摆运动时，另外一个重物会有什么样的变化？这连个应用性实验的要求，对学生来说有点难度，这要比学生之前遇到的情况要复杂一些，因为运动的速度发生了改变.一般来说，对于实验1来讲，学生会觉得小球静止时和摆动时，弹簧读数不会有什么变化.对于实验2来说，学生会觉得另外一个重物不会有什么变化.实际上，在小球摆动的过程中，弹簧的读书变大了，另外一个重物会被往上移动.这是因为物体静止时，拉力等于重力，物体在摆动时，由于有个指向圆心向心力，绳子拉力大于重力.这个实验现象是违反学生直觉的预测，因此给学生的认知带来很大的冲击，加深了学生圆周运动这个物理模型的理解[7,8,9].

在科学探究性学习环境中，除了以上介绍的三种实验，还有另一个重要的方面就是科学家们经常使用的一种策略——引导学生用多种陈述去推理.这个过程开始于观察实验，他们学会用各种各样的方法描绘物理现象，学生学会描绘实验图，在表格上记录数据，接着绘制图表和寻找模型.学会将一种表述转化另外一种，帮助他们在现象和假设的解释中确定模型.使用具体的陈述来帮助他们建构精确的物理数学模型，他们使用数学描述来做关于检验实验的预测.在概念建构和检验之后，学生定性和定量作出关于物理过程的推论[10].例如圆周运动这一单元中使用具体的图表法来帮助学生获得关于在平面中做加速运动的定性理解.还使用一种速度减法推理来寻找一个做圆周运动物体的加速度，帮助学生进一步相信理解圆周运动的加速度.

4 小结

探究科学学习环境中的学习思维过程是学生通过选择性的现象和描述观察，收集数据并分析，并从中寻找物理模型.使用归纳、类比、演绎等不同的推理方法做出科学解释.并对物理模型通过检验性实验做出预测，根据检验性实验对理论和解释做出修正.将修正后的解释和规律应用于生活中的现象.在这种科学学习过程中，锻炼了学生观察能力、信息搜集和整理能力、实验数据处理能力、实验设计能力、分享交流能力等.特别是从已有数据中提出猜想，对猜想进行预测，设计实验找证据来支持自己观点，将修正后解释在新的情景中预测等这些科学探究的能力在物理教学中是特别重要的.

〔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〕龙文静.探究性学习环境的设计及其在科学概念学习中的应用[D].上海：华东师范大学，2004.

〔3〕何美.基于模型的科学学习及其学习环境设计[D].上海：华东师范大学，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.