高中物理教学实施导航：科学探究学习目标

科学探究的学习目标，除情感目标外，还有探究结果的知识目标和探究过程的能力目标。本节所说的学习目标，专指能力目标，即《标准》所指的“科学探究及物理实验能力要求”。要高质量地达成科学探究的能力目标，教师应该首先抓住科学探究能力目标的本质，才能合理地设计探究过程的教学方案。同时，教师应该对相应的探究课题做具体分析，规划不同课题所侧重的能力目标，使学生在完成全部探究课题后，其探究能力得到全面提高。

（一）抓住科学探究目标的本质

1.关于提出问题

提出问题是科学探究的前提，如果不能提出问题，科学探究便无从谈起。提出问题的重要性是毋庸置疑的。现在要讨论的是，培养学生提出问题的能力，应抓住的本质因素是什么？

《标准》对提出问题的能力列出了两点要求，一是“能发现与物理学有关的问题”，二是“从物理学的角度明确地表述这些问题”。就这两点要求而言，前者是后者的基础，而且，前者比后者更难，更富有创造性，因而前者是提出问题的关键因素。奥斯特之所以能提出电流的磁效应问题，是因为它发现了通电导线旁边的磁针发生了“异动”；开普勒之所以能提出行星运动的轨迹是椭圆的问题，是因为他发现了如果用匀速圆周运动模型来计算行星运动，其结果与第谷观测数据将有不可容忍的8′误差；在天文研究中之所以能提出天王星的外面是否还存在着一颗新行星（海王星）的问题，是因为发现了天王星的实际轨道和计算结果有偏离；卢瑟福之所以提出原子的核式结构问题，是因为发现了。粒子散射的实验现象。因此，要培养学生提出问题的能力，重要的是要发展学生发现问题的能力。

不要简单地把“能提出问题”作为培养学生提出问题的能力的最终目的，因为有一些问题的提出，对学生能力的培养并没有什么价值。例如，走到屋外，看到天空是蓝色的，提出“天为什么是蓝的？”看到树是绿色的，提出“树为什么是绿的？”把看到的现象机械地添一个问号加以陈述，就是一个问题，这并不能培养学生的创造能力。

有价值的问题常常来自于问题背景中的有关质疑。卢瑟福看到了。粒子散射实验与汤姆生枣糕式原子结构模型的矛盾，于是对于枣糕模型产生了质疑；开普勒根据第谷的观测资料对“天体做匀速圆周运动”的说法提出了质疑。因此，要培养提出问题的能力，就要善于把新发现的事实与原有认知之间的矛盾揭示出来，也就是增强学生根据事实进行质疑的意识。上面所举的“天为什么是蓝的”问题，假如这个问题是经过质疑之后提出的，那么它的价值就大不相同。比如，学生原有的认知是：一、空气是无色透明的；二、仰望无云的天空时看到的就是空气。根据这两条进行推理，应该得出“天空无色”的结论，而事实却是蓝色的，这就是客观事实跟原有认知之间的矛盾。如果学生是在这种背景下提出的问题，其价值就大不相同，因为它动摇了“空气无色”这一原有认知，使其能发展为“组成空气主要成分的气体究竟是什么颜色”等各种探讨议题，这是创造性思维的表现。

2.关于猜想与假设

猜想与假设是科学思维的一种形式，是根据已知事实或已有知识对事物或现象之间的因果性、规律性做出的尝试性解释。

科学猜想并不是随意的猜测。例如，把一个不知性质的物体放入水中，让学生们猜它是沉还是浮，这对培养学生的能力没有任何意义，因为在这个过程中学生没有发生进行科学猜想所必须的思维活动，它没有体现猜想的本质特征。

猜想和假说的基本思维过程，就是根据所观察、发现的事实，调动原有的知识和经验，对该事实的成因或结果作出假定、进行解释的过程。一是客观事实，二是原有认知，两者结合起来，就是这一过程的基本特征。因此，要在物理教学中培养学生的猜想能力，就要增强学生应用自己的原有的知识和经验来审视所面对的事实的意识，要学会仔细观察、分析新的事实，并在其中寻找跟原有经验和知识中相似的特征，并尝试对它做出解释。

为培养学生猜想和假设的能力，教师可以采取以下教学方法：

·选择恰当的事例，教师对事例所发生的可能原因做出猜想，或者对事例的可能结果进行假设，教师为学生具体地剖析猜想、假设的思维过程；

·让学生经历猜想和假设的过程，而且让学生陈述猜想、假设的理由；

·在学生提出了某些猜想与假设之后，让学生对这些猜想与假设的合理性进行评价，增强学生利用已有的知识和经验解释新事实的意识和本领。

3.关于设计实验与进行实验

《标准》要求学生“知道实验目的和条件、制定实验方案、尝试选择实验方法及所需要的装置与器材、考虑实验的变量及其控制方法”。在具体实施时，实验目的、实验方案、实验装置与器材、以及包括控制变量在内的实验方法等，多数情况下都已经在教科书中做了一定的陈述，这是因为教科书很难通过交互的方式和学生一起共同来探讨实验方案，不交待一个比较确定的实验过程，教学内容的展开就难以承接下去。当然，不少教科书的编者为此苦费匠心，安排了一些启发环节让学生部分地经历实验设计的过程。但不管怎么说，学生在制定探究计划、设计实验方案方面的机会不可能太多，因此，教师对这个方面的教学应该予以必要的关注。

提高学生实验设计能力的途径，一是尽量让学生亲身经历实验设计的过程，分析实验要解决的主要问题，提出解决这些问题的各种实验方法，通过筛选、优化、组合形成实验方案。在实验结束时，还要根据实施情况评价这个实验方案。除此之外，从《标准》关于实验设计的基本要求入手，对现有的实验方案进行一些比较深入的讨论，也是提高学生实验设计能力的一种途径。例如：把实验的目的、条件和科学探究的假设联系起来，让学生体会到，实验方案实际上就是验证假设的具体化和程序化的计划，使学生能够根据探究的假设来思考实验目的和条件。也可以让学生根据同样的实验目的和条件，提出另一个实验方案，跟原方案进行比较，尝试修改原来的实验方法、改进原来的实验装置或更换原来的实验器材。为了提高学生设计实验的能力，还可以深入分析实验中的各种变量，对实验中控制变量的具体方法进行评价，如此等等。换句话说，在教学中有重点地逐步提高《标准》中关于实验设计能力的某些方面，并最终达到提高学生设计实验的整体能力，这也是发展学生实验设计能力的一种思路，而且常常是可行和有效的。(www.xing528.com)

过去的物理教学也很重视进行实验、收集实验数据的工作。《标准》在这方面更进一步，体现了自主性和时代性的特征。例如，学生应该学会阅读仪器说明书，按照说明书的要求使用仪器。尽管仪器说明书上会有些看不懂的内容，例如仪器生产环节中的某些指标、规格和说明，但学生应该有能力从说明书中找到与操作相关的陈述，并能遵照说明书提出的要求自主地操作仪器。《标准》要求学生用多种方式收集数据，这是时代发展的需要。随着信息技术的发展，物理实验数据的采集方式已呈现多样化和现代化的趋势，应该尽可能把现代信息技术应用在实验教学中。

4.关于分析与论证

在分析与论证方面，《标准》对学生提出了三个方面的要求：分析和处理数据、形成结论、描述和解释结论。

在分析、处理数据方面有这样几点应该注意。（1）学生首先要明确，本探究活动要解决什么问题，需要研究什么物理量之间的关系，涉及这些物理量变化关系的数据有哪些。也就是说，学生首先应该具备选择实验数据的能力。（2）在已选择的这些数据中，学生应该有能力确定，哪些属于实验中的常量，哪些是变量。（3）学生对于得到的数据，应该有对它们进行比较、分析的能力。对于无法一眼看出的关系，应该借助图像进行处理。例如，闭合电路中电源的路端电压U和电流I两个变量，其U－I图像是直线，可以利用图像进行处理，从而确定U、I之间的数学关系。在通过数据处理得出了物理量之间的数学关系之后，为了形成结论，还要明确物理量之间的因果关系。为此，可以让学生从物理现象发生的先后来进行因果关系的推理，例如手握住橡皮绳的一端上下振动使绳上产生横波，手握绳的振动在先，是因，绳上横波传播在后，是果。还可以让学生从物理条件和物理现象来分析物理量之间的因果关系，所控制的物理条件是因，所产生的物理现象是果。例如：物体所受的力发生了变化（条件），由此引起了它的加速度发生相应变化（现象）；变压器原副线圈的匝数比发生变化（条件），由此引起了原副线圈电压比的变化（现象）。如果学生能够分析两个变量之间的因果关系，又能得出这两个变量之间的数学关系，那么探究的结论就初步形成了。

描述和解释结论，要力求简明扼要。表述的语言要科学，就应该准确、客观地表述探究结论的适用条件和物理规律，特别是要养成表述物理条件的习惯。例如：“在……情况下，系统的总动量保持不变”；“在……情况下，一定质量气体的体积跟压强的乘积不变。”在概括物理规律时，学生应该意识到以上省略号所表示的物理条件是必须表述的。表述的语言要简洁，就应该使探究结论具有高度的概括性。例如，楞次定律的表述可以称之为概括性的典范，其简练的语言不仅完全概括了各种情景下的电磁感应方式，而且巧妙地陈述了感应电流方向的判定方法。因此，在探究感应电流方向的教学中，最好不要事先提供楞次定律的表述，应该让学生学会自己概括、表述探究的结果，并通过交流和评价，提高学生对探究结果的表述能力。

5.关于评估与交流

这里所说的评估，是指探究者对自己探究过程的回顾和反思，其内容包括：提出的猜想与假设是否有问题；所制定的实验方案是否完备；所收集的实验数据是否可靠；数据分析和处理的过程是否严密；实验结论的形成是否合理；探究结果的表述是否明确，其概括性如何，等等。对自己的行为养成反思的习惯，将有利于总结和吸取经验教训，有利于批判性思维的发展，有利于发现新的矛盾，有利于提出新的问题。

学生应该具有表达和交流自己探究情况的能力。它通常表现为两个方面：一是组织内容提纲（如果是语言表达，常称为“腹稿”）的能力，二是用文字、语言表述提纲中具体内容的能力。为了培养学生表达和交流的能力，教学中应该尽量让学生自己独立地撰写探究报告，逐渐学会组织探究报告的内容，设计和绘制图表。通过相互交流，体会到只有结论而没有过程的探究报告是没有价值的，因为没有过程的结论，其探究方法的科学性和探究结论的可靠性根本无法评价。在指导学生撰写探究报告时，教师不要用统一、刻板的格式强求学生，更不要让学生不动脑筋地在事先全部印好的《探究报告册》中填写。

（二）对科学探究课题的具体目标进行分析和规划

高中物理课的科学探究课题可以分为两类。一类是学生根据自己的观察和发现所提出的课题（或者是在教师推荐下由学生选择的课题），是利用课外时间进行的，学生自主程度较高，探究活动的环节较多，探究周期较长，但每一个学年所能完成的课题数目极其有限。另一类是在课堂内进行的，课题的内容服从教学进度的需要，课题由教科书或者教师提出，因受到课堂教学时间的限制，每个课题所花费的时间不可能太长，因此探究活动的环节一般较少，这类探究课题的数量比较多。下面的陈述是针对后一类探究课题的。

1.对探究活动的过程目标进行具体分析

分析每个探究活动的过程目标，侧重在某一个或某几个方面让学生深刻地体会科学探究的实质，这对提高科学探究的质量是重要的。

教师对一个具体探究课题的过程目标的分析，应结合该课题的教学设计同步进行。分析时，应抓住课题的内容特征，发掘课题在某些环节上的教学潜力。例如，探究“弹性碰撞的特点”时，如何测量物体在碰撞前、后的瞬时速度，这是探究活动的重点，也是难点。因此，这个探究活动，应该把精力放在设计实验和收集信息这两个环节上，探究过程的教学设计也应该围绕着这两个环节来深入思考。又如，探究“单摆的周期和摆长的关系”时，数据的分析和处理则是重点，应该让学生经历周期和摆长二者关系的分析过程，让学生通过分析得出摆长l和周期二次方T2关系的图像。再如，关于“感应电流的方向（楞次定律）”的探究，其重点环节是探究结论的形成和表述，如何使学生通过自主概括形成结论，其教学设计是很有文章可做的。

2.对探究活动过程目标的实施进行合理规划

尽管一个探究课题所强化的过程目标只有某个方面，但由于不同的课题，涉及不同的方面，因此我们期望，通过若干课题的探究后，所有的过程目标都能得到强化，从而使学生科学探究的整体能力得到全面提高。要做到这点，需要对各个课题的过程目标进行整体规划。

给规划带来困难的是，有些探究能力涉及的课题很少，如提出问题。在课堂教学中，探究问题通常是，由教学进度决定的，不可能由学生自发提出。而另外有一些环节则涉及的频率很高，如收集数据、分析与论证。因此，如何在教学中加强薄弱环节，这是在整体规划中值得考虑的问题。薄弱环节的加强，需要设法增加该环节的活动频率，另外，它还可以通过其他环节中的渗透来实现。例如在分析和处理数据环节中，就可以渗透对发现问题、提出问题能力的培养。像以上“单摆周期和摆长的关系”的探究活动中，作出了l－T2图像以后，如果进一步琢磨，就可能发现和提出一些问题。如：各个小组所作出的l－T2严图像都是一条直线，那么，“全班不同的小组实验得出的l—T2严图像都会一样吗？”通过对比，发现都一样，如果坐标系单位的设定都相同的话，连图像的倾斜程度都是一样的。于是，新的问题出来了：“这些倾斜程度一样的l—T2图像的斜率（l与T2的比值）究竟是多少？”通过计算，发现每个小组l与T2的比值都约等于0.25m/s2。深入思考后又产生了一个问题：“既然各实验小组的数据处理中都出现了一个相同的加速度值，那么各小组的实验中，是否有一个以加速度形式存在的相同的实验条件？”有，这就是重力加速度，因为各实验小组所在地的重力加速度g是相同的。此时，有理由猜想各小组实验中的0.25m/s2也许就等于（k约等于40，为一常数）。把这个猜想写成公式就是，从中解出。至此，这实际上已经变成一个新的探究问题了。在以上过程中，学生经历了发现问题、猜想和提出问题的过程。既然提出问题、猜想等可以渗透在整个过程中，同样的道理，制定计划、评估、交流等，在进行教学规划和设计时，也可以把它们渗透在其他过程中，这是在进行规划时值得发掘的地方。