发现物理规律的教学设计：培养学生科学探究能力

建立物理规律是一种创造性的脑力劳动，需要有物理知识作为基础，需要抽象思维、形象思维和直觉思维的共同作用，利用归纳、演绎、类比、理想实验、假说等各种思维方法，通过直觉的洞察、灵感的激发、想象的发挥、假说的试探，对观察实验结果和原有的理论进行综合的、全面的、深入的考察等。物理规律的建立过程归纳起来有两种形式。一种是综合方式，即在实验事实和数据的基础上，通过加工总结，概括出物理规律，如牛顿运动定律、能的转化和守恒定律、楞次定律、光的折射定律等多数高中物理规律都是这样建立的。另一种是分析方式，即在已有的概念和规律的基础上，运用数学工具推导出新物理规律，如动量定理、动能定理、理想气体状态方程等。

新课程标准对科学探究能力的培养提出了较高的要求，其中“发现问题并能提出问题”是其第一要素，那么，在物理规律教学过程中，如何引导学生发现值得探究的物理问题并能从物理学的角度较明确地表述这些问题呢？

（一）创设发现物理问题的情境

当前，把培养学生的创新精神和实践能力作为素质教育的重点，是我国教育思想观念的一次重大转变。就学生创新精神的培养而言，问题意识是培养学生创新精神的起点，发现问题比解决问题显得更为重要。在物理规律教学中，应努力创设发现问题的情境，引导学生发现值得探究的问题，创设探索物理规律的氛围。

1.通过演示实验，激发问题

物理学是一门实验科学，大部分物理概念和规律的得出都离不开实验。而且通过实验演示，设置问题情景，学生的兴趣很浓。

2.通过实例，引出问题

物理学作为自然科学的基础学科，与我们每个人都有着十分密切的联系。在课堂上联系生产、生活实际设置物理问题情景，让学生在生活世界中学习物理，学生会感到具体、亲切，有助于学生利用已有的生活经验，同时也有利于培养学生勤观察、多思考的良好学习品质。捷克教育家夸美纽斯（1592—1670）在《大教学论》一书中开宗明义地把教学看成是“把一切事物教给一切人类的全部艺术”。他认为“知识的开端永远必须来自感官”，用“感官去施教”是教学的金科玉律。因此，教授一切知识必须“从感官的感知开始，然后由想象的媒介进入记忆的领域，随后由具体事物的探讨对普遍性生出理解，最后才有对于业已领会的事实的判断”。

3.用错误经验，诱发问题

高中生在学习物理规律时，经常会受到一些“前概念”的影响，例如物体越重下落得越快；力是维持物体运动的原因等。在课堂教学中充分展现这些假象，通过讨论引起学生争论，设置问题情景。

（二）启发引导学生提出问题

“思维和惊奇自疑问开始”，问题的提出是探究自然规律的第一步。如果没有布鲁诺、哥白尼对“地心说”的质疑，可能“日心说”的发现要推迟若干年。在对物理规律探索过程中，应有意识地引导学生提出问题，培养学生质疑能力。

1.积极营造探究氛围，从情感角度，激励学生大胆提出问题

在教学中，我们发现很少有学生对课堂教学内容提出问题，实际上，这是个潜在的危机，并不是他们全部理解了教学内容，没有任何疑问。一是由于懒得思考，被动地接受知识已成为习惯；二是即使存在一些疑问，也缺乏探究的氛围和机会，羞于出口。针对这种现象，在课堂教学中，教师应积极为学生营造浓厚的探究氛围，鼓励他们提出问题。

对学生提出的问题，有确定答案的，教师当堂予以解答；对暂时无法解答的问题，建议学生课后查阅相关资料或自我探究或互相交流合作去寻求问题的答案。鉴于学生的能力差异，可能有的学生提的问题较到位，在教师的预料之中；有的学生提的问题不着边际，甚至无研究价值。教师都要对敢于提出问题的学生给予充分地肯定和恰当地评价，用心呵护在学生心头激起的这圈涟漪，激活我们的物理课堂。

2.减轻学业负担，留足培养“提出问题”能力的时空

当前，教育界大力倡导要减轻学生的学业负担，改革课程、教材、教法和考试制度。我们要以此为契机，“以人为本”，彻底抛弃那种只让学生死记硬背公式、定理、定律，然后利用公式去进行“题海战术”的阻碍学生发展的教学方法，而应重视物理规律的发现和创立过程，引导学生提出一个又一个问题，在问题的不断提出和不断解决的过程中发展了能力。

3.倡导多向怀疑

怀疑是创新的心理动力，是思维独立性、自主性的体现。数学家笛卡儿说得好：怀疑就是方法。我国著名物理学家周培源也说过：“如果把牛顿力学看成是至善至美的，相对论和量子力学就不会出现。”确实，物理学大师爱因斯坦就是从怀疑牛顿的绝对时空观入手，才创立狭义相对论的；同样，诺贝尔奖得主李政道、杨振宁是通过怀疑宇称守恒定律的普遍性才着力研究弱相互作用下宇称不守恒并获得成功的。“小疑小进，大疑大进”。在教学中，教师要大力倡导学生对教师的示范探究、对书本、对以往的结论敢于怀疑的精神，鼓励学生针对要怀疑的某一课题，多方面收集资料、信息进行探究，勇于从多角度、多层面提出自己的观点和研究方案。

（三）培养学生科学猜想与假设能力(www.xing528.com)

科学想象是一种创造性的思维形式和研究方法，正如廷德尔所说：“有了精确的实验和观测作为研究的依据，想象力便成为自然科学理论的设计师。”古往今来，物理学大师与发明家根据他们凭借想象力取得显赫成果的经验，认为想象力是从事物理学研究的重要能力，甚至看得比知识还重要。爱因斯坦指出：“想象比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，严格地说，想象力是科学研究中的实在因素。”从历史的角度来看，许多物理规律的发现都离不开科学的猜想和假设；从发展的观点来看，培养学生科学猜想与假设能力更具有深远的意义。

让学生经历假设和验证的全过程是培养学生猜想和假设能力的有效途径。科学假设的形成分为假定和验证两个过程，所谓“假定”即是对问题的答案提出设想，这一过程是非逻辑性的。“验证”即是根据已有事实和知识对假设的正确性进行理论或实验的验证，这一过程实质上是逻辑思维过程。

（四）制订计划，设计验证猜想与假说的实验探究方案

制订计划的前提是具有明确的探究猜想（假设），探究目的和已知条件均来自猜想（假设）。制订计划的实质是从操作的层面上实现对猜想（假设）检验的具体化和程序化。要把实验目的演变为一个实验方案，中间有一个桥梁，这就是实验原理。同样的实验目的，应用不同的原理，将会制订出不同的实验方案。

在方案设计的过程中应注意把科学探究能力的培养落实到学生的探究行为上来，给学生进行创造思维所需的空间和时间，让他们亲自进行方案的设计，在设计的过程中体味创造的快乐。防止教师包办替代，牵着学生按教师预设的路子去走，让学生感觉不到新奇，认为一切都在老师的操纵下，结论是早已定下来的，久而久之对所谓形式上的“实验探究”失去了信任和兴趣，这也是目前我们物理规律探索教学过程中出现的最大的败笔。

（五）选择实施验证方案

同一个实验目的，选择不同的测量方案组合会产生若干种实验方案。实验方案的选择是由各种因素综合考虑后确定的，应根据所具有的实验条件、所需要的实验精度、所允许的实验时间、实验操作的方便、实验者对实验原理的理解和对实验器材的熟悉程度综合考虑选择实验方法。如根据实验的条件和需要来确定是采取教师演示的方式还是采取学生分组实验探究的方式；根据实验所要求的精度、实验操作的方便等条件来选择实验的器材等。

例如，牛顿第二定律探究方案，若采取教师演示方式，则要求较高的实验精度，因此要求器材要精密，可采用气垫导轨以减小摩擦的影响，采用光电门及数字计时器记录时间。当然，在中学阶段对实验精度要求不高的情况下，也可以采用双层轨道小车这一套简单易行且易懂的装置进行演示；若采取学生分组实验自行探究方式，则实验的精度要求不高，定性或半定量即可。相应的要求器材要易得，操作方便，且实验原理简单易懂。每个实验小组可选用两块一端带滑轮的长木板，两辆相同小车并排放置，利用比较法进行探究。

再比如自由落体运动规律的探究方案的实施，也要根据实际条件和需要进行组合选择。可采用打点计时器（此方案适用于学生分组探究）频闪照相、数码照相机或摄像机、光电门和电子计时器、微电脑和传感器、“落棍”实验等其他方法。当然，在具体实施过程中还应进行明确的分工，让全体学生参与到探究活动中来，下面以单摆为例说明其实施过程。

新课程标准要求高中学生在科学探究和物理实验中应学会对实验数据进行分析处理，并尝试根据实验现象和数据得出结论。而在传统物理规律教学过程中通常是教师给出结论，剥夺了学生自主对数据进行归纳分析的能力，不利于学生科学素养的提高。

（六）物理规律教学中教学评价观的转变

新课程标准要求教师积极转变评价观，不仅要关注学生最终的学业成绩，还要关注学生成长的过程，不仅要为学生的今天负责，更重要的要为学生的终身发展负责。

物理规律教学中教学评价观的转变主要包括以下两个方面：①由只注重结论的评价转向注重过程的评价；②评价的根本目的是学生的发展。

新的课程标准带来了全新的教学理念，它将掀起一场“教的方式、学的方式、评的方式”的重大转变。如何在物理规律教学过程中体现这些新的理念是摆在我们面前的一个崭新的课题，需要我们大家共同去探讨和研究。

【注释】

[1]王从戎，杨思锋，顾江鸿，等.物理课教学设计经典案例研究[M].武汉：武汉大学出版社，2015.

[2]马红.基于人本轮的高一物理概念教学设计策略研究[D].兰州：西北师范大学，2017.

[3]马晨.高中物理课堂教学中探究规律型教学模式的研究[D].济南：山东师范大学，2019.