高中物理探究教学过程策略：基于核心素养下的能力探究

一、高中物理探究教学过程

（一）提出问题

在物理探究式教学的课堂中，问题是研究的出发点。问题是多种多样的，按问题的分类，我们可以大致地把物理问题分为界定良好问题和界定不良问题。毫无疑问，界定不良问题对教师和学生的挑战更大，对其探究能力的要求更高。而物理课堂中探究的问题一般都采用界定良好的问题。所以，探究问题的提出要层层深入，由界定良好到界定不良，不能陵节而施。问题不是孤立的，问题常常寓于物理情境之中，问题好比骨骼，情境就是血肉，这样的物理问题才能活灵活现，激起学生的探究兴趣。教师在创设问题情境时一定要创设宽松、民主的交流环境，问题可能是由教师、学生共同提出。教师设计一个物理情境，将学生置于情境中，尽可能地让学生自己发现疑惑，提出大家需要解决的问题。这样更能启发学生的问题意识，促使学生主动学习，培养探究思维。

提出问题的基本教学要求包括六个方面，即切合生活实际、基于学生的最近发展区、引发学生的认知冲突、激发学生探究兴趣、具备一定的开放性、具有探究价值。

（二）猜想与假设

猜想与假设是科学研究常用的方法之一，在物理课堂中，学生是根据生活经验对教师提出的问题进行猜想。猜想是建立在大量的科学事实基础之上的，学生提出的各种猜想，需要教师进行引导。提出各种猜想后，就需要对猜想进行假设。教师引导学生提出的假设，应该根据学生所学过的物理知识和已具备的知识水平，对探究活动中研究的事物或变量之间的关系进行讨论，然后形成一对或几对可靠的假设关系。假设推理是探究思维的核心，接下来的探究环节将围绕确定下来的可靠假设关系展开。可见，猜想与假设的过程是确立变量之间可能存在什么关系、为什么会存在这样的关系，以及这种关系如何证明。这是一个思维非常活跃的过程，教师要积极鼓励学生各抒己见，注重学生尊重的需要，并认真记录学生的猜想与假设。

猜想与假设的基本教学要求包括以下四个方面：一是建立在已有的物理知识水平之上；二是清楚地阐述自己的理由；三是理由可以是科学性的或日常经验性的；四是注重引导、鼓励、尊重学生想法。

（三）制订计划与设计实验

如何证实上一环节形成的假设关系呢？我们就需要将假设操作化，确定实验目的，采用定性（查阅文献资料等）或定量（物理实验、问卷调查等）的研究方法制订研究计划和设计实验方案。物理探究式教学中用得最多的是定量的研究方法，并且物理学的发展过程中形成了独到的物理研究方法和思维方法。通过摆事实，讲道理，师生互动，分成实验小组，做好分工，让学生先自主设计实验，然后大家讨论反思，针对原来实验设计的不足，寻找更为合适的实验思路，以实验证据为自己的观点辩护。

制订计划与设计实验的基本教学要求包括以下四个方面：一是明确研究目的；二是让学生自主设计实验方案；三是每个过程只讨论两个物理量之间的关系；四是注重物理研究方法的运用。

（四）进行实验与收集证据

进行实验与收集证据是科学探究过程中着重培养学生实践能力的环节，是学生的思维转化为实际的过程。之前的探究环节都必须通过此环节来检验与支持。

在这一环节中能检验学生对理论知识的掌握和操作技能的运用，还能培养学生的观察和信息收集的能力。这一环节主要是让学生放手去操作，获得支撑自己猜想与假设的实验数据。

进行实验与收集证据的基本教学要求包括以下四个方面：一是让学生自己通过观察和实验收集数据；二是掌握整理数据和分析数据的方法；三是引导不能过于细致；四是注意实验操作的安全性。

（五）分析与论证

探究者需要在整理、分析所获数据的基础上，探讨数据结果是否验证了假设，分析假设背后的理由是否成立、假设所揭示的关系是否具有一般性等。如果假设被否定，分析是哪些因素导致的，从而对数据形成合理的解释。这一环节在课堂探究过程中容易流于形式，探究的结论往往顺理成章地过渡到探究结论。分析与论证是一个思维、观点碰撞的过程，一些精彩的论证难免会形成争论。例如，牛顿与惠更斯对光的本质的争论，是物理学发展的典范。我们的探究课堂就缺少一些论证或是争论。

分析与论证的教学基本要求包括以下两个方面：一是引导学生进行因果推理；二是一定要在数据基础上进行分析才能形成结果。

（六）评估

评估就是对探究过程的反思，评估要体现在探究过程中。在探究的每个环节中，学生需要时刻进行自我监督、调节，以不断完善探究过程和方法，找出探究结果与真实值之间存在的差异。评估有利于发展学生的批判思维。评估是科学探究过程中不可缺少的环节，但评估之前，由于问题的结论已经得出，所以评估这一环节常被忽视。另外，许多学生不知道怎么去评估，所以学生要在了解评估重要性的同时，掌握一定的评估方法。

评估的基本教学要求包括以下三个方面：一是引导学生在探究过程中要有评估的意识；二是从评估中发现问题，吸取经验教训；三是使学生认识到评估对科学探究的意义。

（七）交流与合作

交流与合作是探究过程的最后环节，当探究者形成解释和结论后，需要将解释和结论以一定的形式组织起来，以某种方式向其他人展示，与其他人交流本次探究的结论与过程。这一环节最能培养学生的表达能力、归纳总结能力。让学生大胆发言，是充分给予学生尊重的需要，利于探究活动良性循环。

交流与合作的基本教学要求包括以下两个方面：一是充分尊重学生的观点；二是注重评价。

二、高中物理探究式教学中教师的指导

（一）问题情境的创设

在探究式教学中，如何将学生引入物理情境，发现值得探究的问题，使学生的注意焦点集中于探究，是教师的首要任务。物理问题情境的创设手段多种多样，可以利用创新实验、时事话题、日常经验、利用典故、利用科学趣闻、实践体验等。这一过程需要教师的搭建与引导，体现教师在探究式教学中的主导作用。问题情境的创设要符合学生的最近发展区、贴近学生的生活实际、要吸引学生的兴趣等。情境的导入要基于最近发展区，从生活中学生见过的实例出发，科学设问激发学生的探究欲望。在创设情境时，教师扮演的角色是一个引导者，为学生搭建环境，将学生引入将要探究的问题中。

（二）探究过程中的讲解和演示

在探究式教学中，讲解和演示已经失去了主要的教学指导形式的地位，不像传统课堂那样“满堂灌”。讲解和演示的作用依然重要，但要突出学生的主体性、自主性，所以必须要转变形式。信息技术的发展与普及为课堂探究的演示提供了技术支持。探究式教学中需要讲解和演示的内容有探究任务的背景与知识、探究规则与操作方法、探究中的疑难问题。关于与教学内容相关的物理学史的背景故事，教师要给学生做适当的介绍，诸如伽利略对自由落体运动的研究中涉及亚里士多德的观点，以及关于伽利略在比萨斜塔做实验的传说、物理学史上著名的公案等。又如，开普勒定律的探究课中，我们观测不到八大行星的数据，只能利用科学家的观测数据，这个数据不应直接呈现给学生，教师应该介绍相应的背景知识，介绍第谷是如何用二十年观测的行星数据，却又为什么没能得出相应的规律，今天我们如何用这些数据来探究出开普勒定律等。这些探究所需的背景知识是学生喜闻乐见的。

探究课堂中的生成并不能完全预设，对于学生提出的预设之外的问题，教师要花时间和耐心进行讨论与讲解。从价值取向上来讲，探究是为了培养学生的综合能力、核心素养，教师要肯花时间，满足学生的学习欲望。探究中遇到的复杂的数学难题，教师应根据学生的最近发展区，将数学问题融于物理情境，因势利导，然后完成探究活动。而且探究活动的设计不能有意绕开复杂的数学物理方法推导的内容。因为数学推导本身就是科学探究的一部分。

（三）探究过程中的提问和反馈

提问和给予学生恰当的反馈体现着教师的智慧和教学艺术。探究性提问是使学生置身于物理情境中，通过积极的思维活动，如比较、联想、推理等，自己去发现物理情境中的疑问，让学生发现物理规律和运用物理方法解决问题。探究性反馈是教师对学生提出疑惑的一种应答，如鼓励性反馈、方法反馈、答案反馈等。探究性提问和反馈在探究式教学中起到重要的作用，可以培养学生的问题意识，激发学生学习兴趣、积极思考的习惯，而且恰当的提问和反馈对建设民主开放的探究环境起到积极的作用，有利于维护和激发学生的创新意识。另外，在提问与反馈的指导过程中，教师要给予学生更多的尊重的需要。相关研究发现，学生越感觉到教师对他们的尊重，就会越喜欢学习。在探究中给予学生更多尊重、信任、鼓励，学生就会对探究产生积极的情感，专注于探究。正如奥克诺夫所说的那样，“改变一位老师的心态可以改变孩子对整个世界的体验”。

三、探究式教学课堂实录与评析

通过评析观看部级优课的课堂实录，我们可以对探究式教学在高中物理课堂中的应用的整体轮廓有一个初步的掌握，不至于有“不识庐山真面目，只缘身在此山中”的感觉。下面笔者以人教版高中物理选修3-2第四章第四节“法拉第电磁感应定律”的探究实录为例进行阐释。

一、创设物理情境，形成科学问题

师：今天很荣幸和大家一起研究物理问题。前面我们学习了电磁感应现象以及感应电流产生的条件，现在我们打开教材，一起来探究法拉第电磁感应定律。首先，我们来观看一则新闻（视频）。

视频内容：在2011年上海科技节活动开幕式上，由我国科技人员自主研发的发电地板公开亮相，并将永久地在南京路步行街广场上供游客体验，在这块地板上，人们相继行走跳跃，随着步频的变化，地球仪上的一个个小LED灯不断地亮起，大屏幕上时刻显示当前的发电量。

师：为了进一步研究这种新型的发电装置，老师也研制了一台，大家请看，这是一个普通的纸箱，我们来看看它能不能发电。我还设置了一个由二极管并联的两列灯柱。现在我们把两个灯柱与纸箱里的电线连接，大家猜一下会亮吗？

有的学生认为会亮，有的学生认为不会亮。

师：怎样才会亮呢？

生1：用力踩。

师：我改“踩”为用手按压，如果灯亮了，同学们请思考，这是怎么回事呢？（用手按纸箱上盖，灯闪亮一下）

学生鼓掌。

评析：根据上一节课学过的知识进行问题情境的创设，展示最新的科研成果，巧妙联结所学内容。有视频、有演示实验，其效果较好。

二、猜想与假设

师：根据我们以前学过的知识，大家猜想一下，纸箱里到底有什么？

生2：发电装置，有磁场，有线圈。

师：好，我们来看一看。（展示内部结构，果然有线圈和磁铁等构成）

师：大家思考，为什么老师按下去后，灯就亮了呢？

生3：磁生电，磁通量发生了变化。

师：当我压下去的过程中——

生（齐）：磁通量发生了变化。

师：那么，磁通量发生变化，就产生了什么？

生4：产生感应电流。

师：在闭合的回路中，有电流就形成了什么？

生5：电源。

师：有电源就有电动势，我们把这个电动势称为？（板书：感应电动势）

生6：感应电动势。

师：我们用大写字母E表示。

师：下面我们就用这台装置进行一场发电比赛，获胜的同学，我们就用最热烈的掌声鼓励一下。那么，下面我们就有请两位同学上来挑战一下。

生7女生，生8男生。

师：接好线后，两位同学谁先来？

生8：女生优先。

师：注意，我们的比赛规则是：如果谁的灯更亮谁就获胜。

生7连续下压七次，比较快，幅度大。

生8连续下压八次，比较温和，幅度小。

师：谁的灯更亮？

生（齐）：女生的灯更亮。（大家看到的实验现象）

师：好，大家掌声鼓励一下。

大家热烈鼓掌。

师：请这位男同学为大家分析一下，为什么灯的亮度不一样？

生8：按的频率不一样，按得快的话，灯就会更亮。

师：为什么按得快就会更亮呢？

生8：因为它的磁通量的改变就会更快，发电更快。

师：好，请回。

大家一起鼓掌。

师：我们来分析一下，无论我们按得快与慢，每一次按下去又弹回来，什么是一样的？

生（齐）：磁通量。

师：那么，我们按的快慢改变了什么？

生（齐）：时间。

师：所以，感应电动势的大小跟什么因素有关？

生（齐）：磁通量变化率。

师：因此，影响感应电动势大小的因素跟磁通量的变化率有关。我们用△Ø来表示磁通量，用△t表示时间变化量，这个比值就反映了磁通量的变化率。(www.xing528.com)

师：下面我们再请一位同学前来，因为老师还设计了另一台装置，大家看这套装置有什么不一样呢？

生9：这套装置有两个磁铁、两个线圈。

师：两个磁铁和两个线圈完全相同，那么现在把两个线圈和两个灯柱相连，甲线圈接A灯柱，乙线圈接B灯柱。我们请一位同学来实验一下，其余同学观测一下，这两个灯柱亮度是不是一样的？

生10按一下没亮，连续按了十几下。

学生看到A灯柱更亮，B灯柱不太亮。

师：通过观察，你来分析一下，为什么A灯柱更亮一些？

生10：我觉得甲线圈匝数更多一些。

师：你看一看，是不是匝数更多一些呢？

生10（手摸了一下）：甲线圈厚度大，线圈匝数多。

师：好，请回，大家掌声鼓励一下。

师：这说明感应电动势还与什么因素有关？

生（齐）：还与线圈匝数有关。

师：请大家思考感应电动势与它们之间到底有怎样的关系呢？（留思考空间）

生11：与匝数成正比，与时间成反比。

师：这位同学说得对吗？大家再思考一下。

生12：与磁通量的变化率成正比。

师：如何来证明大家的猜想？

评析：此环节，教师引导学生积极参与到物理问题上，结合上节课所学知识，充分让学生猜想，给予学生充分的尊重。

三、制订计划与设计实验

学生通过实验来证明猜想。

师：当研究一个物理量与几个物理量之间的关系时应该用什么方法？

生13：控制变量法。

师：大家看，这台仪器就是根据控制变量法设计的电磁感应定律探究仪。（教师出示一台简单的电磁感应定律探究仪）

师：这是一台简单的电磁感应探究仪，现在请同学们思考，这台装置如何在线圈中产生感应电动势呢？

生14：让其转动起来。

师：好，为了更好地演示，老师设计了一个动画。现在磁铁就会经过线圈表面，引起什么变化？（动画内容：当电动机输入电压，装置转动起来）

生15：磁通量就会改变。

师：进一步思考，这个磁通量是怎么变化的呢？

生16：当磁铁进入线圈时，磁通量变大；当磁铁远离线圈时，磁通量变小。

师：大家思考一下，如何才能使线圈产生更大的感应电动势？

生17：增加线圈匝数，增大转速。

师：如何让它转得快？

生18：增加电压。

生19：可以增加磁铁的数量，改变磁场大小，从而改变磁通量。

师：好，不错，掌声鼓励一下，大家还有没有其他方法？

生20：可以改变线圈面积。

师：老师的这个线圈好像已经固定了。

生20：可以增加线圈匝数。

师：好，不错，那么，我们如何增加匝数呢？

师：老师来演示一下这个装置增加线圈匝数的方法。（有不同的接线柱，适当调节）

师：下面还有一个问题，如何来测感应电动势的大小和时间呢？（留充足的思考时间）

师：我们将电压传感器、数据采集器和电脑相连接。现在，我来演示一下，打开电源开关，待电动机转速稳定后，我点击“开始”，大家看投影上的波形图。

师：波形图的纵坐标为感应电动势，横坐标为时间，现在我们点击“停止”，这样即可描绘出感应电动势随时间变化的图像。通过这个图我们可以看出，感应电动势有正负，我们这节课只研究感应电动势的大小，而且只研究一个过程。我们还可以看到，电动势是随时间变化的，接下来应该怎么办呢？

生21：求频率。

师：我们读出感应电动势的大小，然后横坐标是时间，把对应时间记下，我们就测得了一组数据。然后改变线圈的匝数或改变电动机的电压，点击“开始”，重复以上步骤，就可以测得相应数据。

师：全班分为两个工作组，一到三组的同学负责探究感应电动势与磁通量变化率的关系，四到六组的同学负责探究感应电动势与匝数之间的关系。现在开始分组实验。

以上教学内容用时二十分钟，接下来进入实验环节。教师流动观察，小组成员分工明确，投入积极，但小组成员有八人，受实验器材限制，本实验器材均为自制实验教具，电脑为笔记本电脑。学生实验操作过程用时十分钟。

评析：此环节实验目的明确，注重物理研究方法的应用，但所用实验都是由教师自主开发设计的，应该注重学生的自主设计；展示了教师优秀的教学技能，但学生在探究过程中的主体作用凸显不够。

四、进行实验与收集证据

（1）探究在磁通量变化相同的条件下，感应电动势的大小与时间变化之间的定量关系。

（2）探究磁铁以相同的速率穿过线圈时，线圈匝数与感应电动势之间的定量关系。

评析：实验过程中，教师没有过多地参与学生实验，只做了一些疑问解答。

五、分析与论证、评估

师：下面我们进行小组汇报，一至三组同学，哪位同学先汇报一下？

生22：我们组的实验结果是，感应电动势的大小与时间的导数成正比。

师：那图像是怎样的呢？

生22：是一条过原点的直线。

师：是与时间导数成正比吗？还是与其他因素有关系？

生23：感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比。

师：它的图像是什么样的？

生23：直线。

师：过不过原点？

生23：不过。

师：如果不过原点，那你怎么说是成正比呢？请坐。

师：好，这组是过原点的，那么，过原点说明是控制了哪个量不变？

生24：时间。

师：说明什么？

生24：感应电动势和磁通量的变化率成正比。

师：因此，我们得到第一个结论，感应电动势与磁通量变化率成正比。

师：四至六组的实验情况如何？

生25：我们组发现感应电动势的大小和线圈匝数成正比。

师：图像过不过原点？

生25：过原点

师：好，不错，请坐。我们通过实验得到另一个结论，感应电动势的大小与线圈匝数成正比。那么，我们就可以把这两个结论写为E=knΔØ/（Δt）当取国际单位时，k=1，因此我们就得到E=nΔØ/（Δt）。

评析：由于时间的限制，在分析论证环节略显单薄，对物理规律的物理意义讨论不够，评估应体现在探究的过程中，包括师生之间和生生之间的评估。

六、交流与合作

师：这个表达式的得出是韦伯和牛顿提出的，但为了纪念法拉第对电磁感应现象的开创性工作的研究，我们仍然以法拉第的名字来命名。现在我们大家静静思考一下，我们通过这节课都收获了什么？

生12：我最大的收获是学会控制变量的实验方法，知道了电动势和磁通量的变化率和线圈匝数的关系，还有学会如何看图像。

师：他总结得非常不错，我希望同学们通过这节课的学习，把我们所学的知识运用到我们的生活中去。今天下来我们的作业是预习之后的内容，用感应电动势的表达式推导感应电动势的另外一个表达式，并且写一篇关于高中阶段变化率的探究短文。

本案例作为一个现场实录，给我们呈现了一堂完整的探究式教学，探究七要素体现的完整。值得指出的是，如果探究式教学强制的按照探究七要素组织教学，势必会导致科学探究的形式化。仅以此案例为示例，我们也能够从中发现问题，这堂课充分展现了教师卓越的教学技能，探究预设全面和准备充分，但课堂中学生自主探究的地位被削弱了，学生一直跟随着教师的引导走，自主构建知识的能力和探究思维锻炼欠佳。总的来看，该堂课探究设计注重学生的主体性，引导学生积极参与了探究各方面的尝试，较好地完成了法拉第电磁感应定律的主要教学任务，值得我们研究学习。