提升学生科学探究能力教学策略的探讨

徐卫兵

(西安交通大学苏州附属中学，江苏 苏州 215021)

物理学科核心素养是物理学科育人价值的集中体现,是学生通过物理学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力．物理学科核心素养主要包括“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”4个方面．“科学探究”是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力．体现“科学探究”本质的四要素为问题、证据、解释、交流等要素．

1 唤醒学生问题意识

“问题”是指学生具有科学探究意识,能在学习和日常生活中发现问题,提出合理的猜测与假设．

1.1 少疑钝化思维,质疑创新思维

爱因斯坦曾经说过:“提出问题比解决问题更重要”.那是因为解决问题是被动行为只需要学习或实验上的技能,而提出“新”的问题,是主动行为,需要的是创造性的想象力． 在这里我们把能提出问题简称为学生的“问题意识”,“问题意识”是创新精神的基石,强化学生的“问题意识”可以说是培养学生创新精神的起点． 但在目前的教学中不少教师怕影响教学进度,基本是由教师提出问题让学生去回答,学生几乎不主动提出问题,即使提问题也只是问的哪个知识点没理解或哪道题不会做等． 从长远来看,这种教学方法将催眠学生的“问题意识”,并使学生的思维钝化． 这样的课堂,实际上剥夺学生提问的机会,禁锢学生思维的翅膀,僵化教师的教学方式． 形成被动接受状态的学生,几乎没有疑问,他们确信任何结论,他们缺乏怀疑． 思维总被教师牵着走,哪里说得上“主动地发展”,更谈不上创新． 质疑是创新的基石,历史上有很多这方面的事例,比如伽利略在学习的过程中养成了爱质疑的习惯,对学校的教学方法和教学内容也会产生质疑．甚至对哲学家们所崇奉的那些“绝对真理”,他也探明它们究竟包含什么意义,最典型的事例就是对古希腊伟大的哲学家亚里士多德的物体下落快慢的主张也提出了质疑,这才有了自由落体定律．[2]再比如在湖北电视台的一档“童声朗朗”栏目中,有一期节目小学生质疑电影《侏罗纪世界》漏洞:一是穿高跟鞋的女主角竟然赢了霸王龙(据科学家研究它的奔跑速度可达72 km/h),二是电影里的恐龙大部分是来自白垩纪,电影偏偏叫《朱罗纪世界》． 这种挑战权威的精神、挑剔性的思维是科学家必备的素质之一,没有挑剔就没有批判,没有批判就没有创新．

所以在物理教学中培养学生提出问题、发现问题的能力,不但能增加学生的学习物理的兴趣和效率,而且能开发学生的创造潜能．

1.2 利用演示实验,提供问题情境

在物理教学中我们采取什么措施去培养学生的“问题意识”,并让他们通过物理教学做到敢于提问、学会提问、善于提问呢?

1.2.1 设疑激趣

车尔尼雪夫斯基说: “只有人们自愿做的事才做得好．”因此教师在教学中就应千方百计地让学生对要做的事成为自愿做的事． “激趣”就是要求教师千方百计激发出学生“自愿做”的热情,按照中国的汉字“趣”也可以释义为在行“走”中“取”． 激趣最有效的方式就是教师从生产、生活、科技等多个角度创设物理情境,引导学生提出与物理相关的问题,并进行讨论． 在创设情景时我们应尽可能地通过演示实验来展示情景,无法用实验展示的,也可以通过实物、模型或动画模拟等来激起学生强烈的好奇心,可以让学生产生困惑、质疑、探索的创造性学习动机, 从而唤起学生的问题意识.例如《高中物理课程标准》必修3第13页提到“在实验探究金属导体的电阻与材料、长度和横截面积的定量关系,以及闭合电路欧姆定律等内容的学习中,努力创设激发学生探究欲望的问题情境, 引导学生进行科学探究”．

图1

“激趣”还涉及时机的选择,或行课初(即课堂引入),或行课末(即课堂结束时留给学生课后探究),或行课中(课堂进行中), 但我们要特别重视在行课的初始时刻,因为涉及课堂的目标和学生积极性的调动． 表1是对课堂引入法喜欢方式的调查表,可以看出占比比较高的几种方法使学生在课堂上的积极性的确得到提高,其中利用实验引入是最受学生欢迎的,因为实验可以激起学生的好奇心、激发学生的求知欲、激活学生的思维, 从而形成学生主动学习的氛围,课堂上就会带着问题去思考、讨论、探索.例如，在探索产生感应电流的条件时：用线圈绕制,连接发光二极管(如图1),放在电磁炉上方,如果电磁炉不通电,二极管不亮,电磁炉通电后二极管亮了,学生自然会提出一些问题．

表1 不同液体密度与浸入深度的关系

1.2.2 刨根问底

中国科学院高能物理研究所粒子天体物理重点实验室主任,中国科学院国家天文台空间科学部首席科学家张双南在专栏文章中说中国人缺少“刨根问底”的精神,并列举事例说明,其中一个事例: “两小儿辩日”,……一个小孩说,是早晨的太阳大,那时候太阳离我们近,为什么呢?早晨看起来太阳很大,那大嘛表明太阳离我们近,另外一个小孩说,早晨的时候特别凉,中午的时候很热,那热很显然是离我们近嘛,但是看起来小一些,早晨说那个又大又凉,中午说这个又热又小,孔子说不知道这个答案是什么? 所以这个故事就在这里,怎么会结束,这两个孩子嘲笑孔子,哈哈,你不知道的比我们多． 但事实上,无论是早上离我们很近还是中午离我们很近,一定只有一个答案． 为什么中午看起来很小,但它很热? 我们没有回答问题的根源,问题背后的真相是什么? 这是典型的使用诡辩而不是突破性的问题来赢得辩论,更没有追求真理．

比如,上面的二极管为什么会亮,学生得“刨根问底”,先提出猜想, 猜想是对实验结果的预测,能培养学生的发散思维能力,为后面的实验设计做准备． 教学中有时要引导学生结合已有知识和生活经验展开丰富的猜想,学生的猜想可能千奇百怪,但教师应尊重每个学生的猜想,不要轻易地否定他们的猜想, 这样学生才会继续探索他们的猜想是否正确．

2 加强学生证据意识

“证据”是学生具有设计探究方案,证据收集和数据处理的能力．能正确实施探究方案,使用各种手段和方法收集信息．

2.1 设计实验

学生对于观察到的实验现象,一定会根据已有的知识进行猜想,为什么会是这样的现象,猜想后就要检验提出的猜想是否正确, 那就要写探究的实验方案,包括实验目的、原理、器材、步骤等.这样做能培养学生实验技能和科学方法、科学态度和探究精神以及提高分析能力.这也是科学探究过程中关键的一步． 但目前的教学中往往是教师直接提供给学生实验方案,这样做不利于学生探究的主动性和积极性的培养． 其实应让学生利用教师平时渗透的实验设计思想,进行充分的讨论,探索实验方法、选择实验器材、设计实验操作步骤． 如: 探究自由落体运动性质时,需要测下落物体的速度,学生会利用前面所学知识进行设计,有的是用打点计时器、有的是光电门、有的是频闪照片． 在课堂上到底用哪一种,要看实验室条件,最好不要选择学生不能动手,只有教师演示的实验． 只要条件许可就应该是学生自己设计、自己操作,不是教师完成探究学生当观众． 也就是教师的任务是做好充分的准备,准备足够的实验器材,让学生自主选择．

2.2 搜集证据

做实验不只是观察现象,还要进行数据的搜集,这一步是科学探究中的一个重要环节,这个环节要让学生自己去操作、观察、体验、思考, 获得自己所需要的实验数据,并记录在自己设计的表格里．收集证据可以培养学生的观察能力和信息收集能力.

2.3 处理证据

得到了实验数据之后,一定要趁热打铁,让学生对数据及时处理． 但教学中往往出现不少学生不重视数据的处理,有的是就感觉实验的任务完成了,往往只重视现象,有的是怕麻烦, 也有的是教师怕耽误教学进程,让学生课后处理,事实会不了了之． 比如探究弹簧弹力大小与形变量的关系时,处理的方法可以是公式、图像等方法分析处理数据,只有这样才能得出正确的结论,从而透过现象找本质．

3 重视学生解释意识

“解释”是指学生具有分析论证的能力,会使用各种方法和手段分析、处理信息,描述、解释探究结果和变化趋势,基于证据得出合理的结论．

解释是在观察的基础上思考,合理地解释事物变化的原因,事物之间的联系,或事物发展的规律,许多科学结论都是令人信服的解释． 著名科学家钱学森先生曾经要求过本科以上的学生除了有优秀的论文外还要能够写出通俗易懂的科普类论文,科普类论文写得好与差就是看一个人解释的能力,他的意图就是想通过此举实现普及本科生解释的能力．爱因斯坦可以给普通家庭妇女解释相对论, 当然这也体现了他们个人的非凡智慧．

探究过程结束后,教师要求学生基于数据,分析相关的现象或原因,然后让每组学生汇报探究结果和得出实验的结论, 同时对得出的实验结论进行解释,并为自己的正确观点进行答辩,以及回报实验中是否发现了新的问题? 想不想继续进行探究? 然后进行头脑风暴,学生总结并得出统一的结论． 如果每个实验都坚持这样做,学生对实验结论的解释不但能达到“切磋”的目的,实现思维的碰撞,而且还能培养学生语言表达能力和逻辑思维能力． 在平时听课中,发现有的班级学生表述非常清楚,有的班级学生不善于表达,其实与教师平时的培养有很大的关系．

4 培养交流合作意识

“交流”是指具有交流与合作的意愿和能力,能准确表述、评估和反思探究过程与结果．

心理学理论表明: 良好的同学关系应该改善学生在不同认知,情感和行为水平上的学习心理状态． 在科学探究过程中教师要提供学生良好的“合作交流”氛围,让学生通过实验合作,动手实践,在实验中发现,探究科学的奥秘; 在探究活动中,教师应引导学生进行讨论和交流活动,让学生充分表达自己的探究问题、过程和结果, 选择和使用适当的媒介与他人有效沟通,倾听他人的询问并对他人探究的过程和结果提出建设性的评论．这些感受和经历中的许多是理解科学本质以及科学精神的意义和价值的基础. 即使有些实验探究，学生走了弯路，遭遇挫折和艰辛，甚至有可能找不到问题的答案，但学生仍能从这一亲历过程中学到科学探究的方法.

兴趣是学生最好的老师,老师的作用是引导． 居里夫人曾经说: 好奇心是人类最宝贵的品质． 好奇心是科学研究背后的驱动力,也是科学梦想的新起点． 在教学中,我们就尽力让学生永葆好奇之心,学习知识,打下坚实的基础,勇于追求科学的心灵梦想,开辟一条美好的科学人生道路． 学生无限的想象力、梦想就像是天上的繁星那么璀璨、那么的多彩,但是只有仰望天空的同时脚踏实地才能向自己的梦想越来越靠近,带着批判性带着思辨性还要带着创造力来看待身边的事物,来观察发生的实验现象.这就使得中学物理教学中的科学探究既具有多样性和综合性,又具有学生学习方式的主动性和独立性,还具有学习过程的开放性和民主性． 在探究过程中,学生是否掌握某个具体知识并不是最重要的,重要的是要善于引导学生发现问题、提出问题,并学会通过收集资料、提出假设、实验探究、验证假设、交流讨论等探究步骤, 最终实现培养学生科学探究能力的目标．