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如何在高中物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力
高中《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》將科學(xué)探究放到了前所未有的高度，目的在于將學(xué)生學(xué)習(xí)的重心從過分強(qiáng)調(diào)知識的傳承與積累向培養(yǎng)學(xué)生的探究能力轉(zhuǎn)化，讓學(xué)生從被動接受知識向主動獲取知識轉(zhuǎn)化，從而培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)素養(yǎng)、科學(xué)探究的能力、敢于探索的創(chuàng)新精神。
從心理學(xué)角度看，能力是一種影響人的活動效率，促使活動順利完成的個性心理特征。根據(jù)美國國家研究理事會1996年發(fā)布的《美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，科學(xué)探究在教育上指的是學(xué)生們用以獲取知識、領(lǐng)悟科學(xué)的思想觀念、領(lǐng)悟科學(xué)家們研究自然界所用的方法而進(jìn)行的各種活動。因此可以將科學(xué)探究能力界定為影響人的科學(xué)探究活動效率，促使科學(xué)探究活動順利完成的個性心理特征。
在物理教學(xué)中，教師應(yīng)該創(chuàng)設(shè)多樣化的教學(xué)情境，重視學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。
1 注重實驗教學(xué)，使之成為培養(yǎng)科學(xué)探究能力的重要途徑
物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。高中物理新課程的各個模塊均安排了一些典型的物理實驗，對其所要解決的問題進(jìn)行了精彩的驗證或探索。物理實驗從確立實驗?zāi)康牡皆O(shè)計實驗直至最后的結(jié)果分析，其實驗過程實質(zhì)就是科學(xué)探究的過程，因此物理實驗是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的重要途徑。
然而，過去教師在教學(xué)過程中，往往是應(yīng)用經(jīng)過幾次消化了的材料來講授，或者經(jīng)過抽象的理論分析加以表述，把已有的知識進(jìn)行系統(tǒng)歸納，形成簡明扼要的理論體系。比如研究變壓器的輸出電壓與哪些因素有關(guān)的問題時，教材即是以變壓器的結(jié)構(gòu)與原理為切入點，簡明扼要從理論上推導(dǎo)出了 的結(jié)論。這樣的結(jié)論當(dāng)然是必要的，但是這樣的教學(xué)方式，往往會造成學(xué)生對科學(xué)概念的產(chǎn)生和發(fā)展的誤解，以為什么結(jié)論都可用數(shù)學(xué)方式推導(dǎo)出來，失去了對觀察實驗的興趣，使學(xué)生們不了解科學(xué)結(jié)論到底來自何方。
為了培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力，我們可以以實驗為載體，把輸出電壓與哪些因素有關(guān)的問題盡可能設(shè)計成富有探究性、創(chuàng)造性，并具有可操作性的實驗或?qū)嵺`課題。比如：
�。�1）提出問題：由教師直接提問變壓器的輸出電壓與哪些因素有關(guān)？
�。�2）猜想與假說：由學(xué)生思考并互相補(bǔ)充得出輸出電壓可能會跟輸入電壓、原副線圈匝數(shù)、電流頻率、鐵芯等因素有關(guān)。
（3）制定計劃與設(shè)計實驗：引導(dǎo)學(xué)生制定利用控制變量法來進(jìn)行實驗的計劃，思考需要測量的數(shù)據(jù)與可能需要的實驗器材，如電源、原副線圈可變的變壓器、多用電表等。
�。�4）進(jìn)行實驗和收集證據(jù)：對學(xué)生進(jìn)行分組，并各選擇一個因素進(jìn)行實驗研究。
�。�5）根據(jù)證據(jù)進(jìn)行解釋：由各組選派代表，提供實驗數(shù)據(jù)并作出解釋： 與鐵芯、頻率無關(guān)。
（6）交流與檢驗：引導(dǎo)學(xué)生從理論上推導(dǎo)結(jié)論，將其與學(xué)生的實驗結(jié)論進(jìn)行比較，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗誤差分析。
事實證明，學(xué)生通過實驗獲得的學(xué)習(xí)效果與科學(xué)探究能力發(fā)展，比教師做演示實驗或在黑板上講理論的效果要好得多。只有在實驗基礎(chǔ)上建立了正確的、經(jīng)得起實踐檢驗的理論，才能由表及里，達(dá)到對客觀事物的規(guī)律性認(rèn)識。在物理教學(xué)中，創(chuàng)造條件加強(qiáng)探究性實驗教學(xué)，是培養(yǎng)學(xué)生實踐操作和科學(xué)探究的能力、發(fā)展新知的重要途徑。
2 滲透物理學(xué)史，使之成為培養(yǎng)科學(xué)探究能力的有力示范
物理學(xué)史是人類在物理領(lǐng)域認(rèn)識自然、改造自然、獲得知識的歷史記錄。無數(shù)的科學(xué)家為物理學(xué)大廈的構(gòu)筑付出了艱辛的勞動，才結(jié)出了今天造福萬民的智慧之果。人們在回顧物理學(xué)史時總會感慨萬千，而在以往的物理教學(xué)過程中，我們通常更關(guān)注物理學(xué)科知識對于學(xué)生科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神的教育，而忽視了物理學(xué)史在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的示范作用。
物理學(xué)的每一步發(fā)展，都離不開科學(xué)探究；物理學(xué)的科學(xué)觀和研究方法的演化、變革與發(fā)展就是一個探究的過程。在這過程中，存在著許多有價值的歷史爭論，盡管在物理教材的知識體系中并未留下太多痕跡，但是如果我們在物理教學(xué)中能適度地涉及這些內(nèi)容，無疑會讓學(xué)生隨著歷史的爭論而深入當(dāng)初科學(xué)探究的每一環(huán)節(jié)中去。
比如牛頓在1672年發(fā)表了《關(guān)于光和色的新理論》一文，認(rèn)為光具有微粒的性質(zhì)，在當(dāng)時就引起了物理學(xué)界極大的爭論，胡克就曾質(zhì)問牛頓為什么光束相交時不發(fā)生碰撞（即“光為什么不為光自身所散射”）。物理學(xué)家托馬斯?楊通過雙縫干涉實驗證明了“光的波動說”的正確。從“光的微粒說”到“光的波動說”，再到“光的波粒二象性學(xué)說”的提出，其中所包含的對于科學(xué)的每一次質(zhì)疑與推敲，都會給學(xué)生以極大的智慧啟迪�？茖W(xué)家的思路是怎么產(chǎn)生的，他是如何思考的，他用了哪些方法質(zhì)疑，從哪些角度質(zhì)疑，而最終這些疑問又是怎樣在實驗和理論研究中得以深入并最終獲得結(jié)論的，而這些結(jié)論還有哪些疑問等等。
所以，物理學(xué)史本身作為科學(xué)探究的歷史，也應(yīng)當(dāng)讓其更加突出探究歷程，為學(xué)生進(jìn)行自己探究開闊思路，加深對科學(xué)探究過程的理解并發(fā)展科學(xué)探究能力，使教育功能更加完善地得以發(fā)揮。
3 授以方法，為培養(yǎng)科學(xué)探究能力尋找路徑
能力與方法是密切相關(guān)的，教師要培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，就意味著要幫助他們掌握完成某種科學(xué)任務(wù)的方法。物理學(xué)方法是指人們在學(xué)習(xí)或研究物理問題的過程中發(fā)現(xiàn)問題、提出假說、搜集事實、作出解釋論證等所遵循的途徑和使用的手段，實際上是思維的方法和程序。物理學(xué)研究方法，主要是以觀察和實驗為基礎(chǔ)，經(jīng)過科學(xué)抽象，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具，概括總結(jié)出實驗規(guī)律，然后經(jīng)過實踐的檢驗，發(fā)展為物理理論。
物理學(xué)方法是物理學(xué)發(fā)展的靈魂，是以知識學(xué)習(xí)到能力發(fā)展的橋梁。物理學(xué)方法是指物理學(xué)的具體科學(xué)方法，通常認(rèn)為有：觀察法、實驗法、理想化方法、類比方法、假設(shè)方法和數(shù)學(xué)方法六種。教師如果能以物理學(xué)方法為線索組織教學(xué)過程，實施知識教學(xué)與物理學(xué)方法教育的良好結(jié)合，必然使教學(xué)過程更符合學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律，也更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。
例如，在庫侖定律的教學(xué)中，教師不必要求學(xué)生預(yù)習(xí)，直接在上課之初先讓學(xué)生進(jìn)行兩個帶電體之間相互作用力的大小可能與哪些因素有關(guān)的猜想。猜想是探索性實驗的前提，學(xué)生可能會想到：帶電體的形狀，大小，兩帶電體帶電的多少，兩帶電體間的距離，兩帶電體間的介質(zhì)等。然后，再讓學(xué)生考慮這么多的因素怎么研究，有沒有主次之分，哪些是主要因素，哪些是次要因素，次要因素在什么條件下可以忽略，等等。當(dāng)還剩下“電荷量”和“距離”兩個因素時，再讓學(xué)生考慮兩個因素對作用力的影響如何思考，并提出控制變量法。這樣模擬科學(xué)家的探索過程使學(xué)生體會與學(xué)習(xí)物理學(xué)方法，達(dá)到理想的教學(xué)效果。
4 建構(gòu)物理概念規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力
物理概念是反映物理現(xiàn)象和過程的本質(zhì)屬性的思維形式；物理規(guī)律是物理現(xiàn)象、過程在一定條件下發(fā)生、發(fā)展和變化的必然趨勢及其本質(zhì)聯(lián)系的反映。形成概念和掌握規(guī)律就是對觀察和實驗得到的感性材料進(jìn)行理性加工，并把有關(guān)物理問題的本質(zhì)抽象出來。
教師應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生明白，任何概念和規(guī)律都是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究的結(jié)果，使學(xué)生在建構(gòu)新的概念規(guī)律時，要學(xué)會質(zhì)疑，學(xué)會盡可能經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄吭俳?gòu)自己可以接受的知識體系。例如在講解牛頓第一定律時，可把牛頓和古希臘自然哲學(xué)家亞里士多德的觀點進(jìn)行比較，并結(jié)合伽利略的實驗研究成果。牛頓認(rèn)為任何物體都將保持靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止；而亞里士多德認(rèn)為物體的運(yùn)動需要靠外力來維持。牛頓和亞里士多德都是千古流芳的人物，但在此問題上卻有著截然不同的觀點，孰是孰非，爭論也許并不能夠令人信服，只有通過實驗才能得出肯定的回答。在此基礎(chǔ)上，再來講述伽利略的實驗研究成果，就可以讓學(xué)生清楚地認(rèn)識到亞里士多德的觀點的錯誤性。
為了豐富科學(xué)探究能力培養(yǎng)的內(nèi)容，可以將某些科學(xué)概念規(guī)律的典型探究方法作為重點使之凸現(xiàn)，針對于學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)突出某些能力的培養(yǎng)，從而實現(xiàn)對于科學(xué)探究能力的滲透式培養(yǎng)。
5 嘗試STS教育，使生活成為培養(yǎng)科學(xué)探究能力的良好素材
STS是一門研究科學(xué)、技術(shù)和社會相互關(guān)系的新興學(xué)科，它強(qiáng)調(diào)科學(xué)技術(shù)在社會生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。在教授物理知識的同時，滲透STS教育，在拓寬知識的過程中，有利于學(xué)生提高對科學(xué)的過程與方法的認(rèn)識，增強(qiáng)對科學(xué)的情感、態(tài)度與價值觀的體驗，加深對科學(xué)、技術(shù)與社會關(guān)系的理解。
例如，學(xué)習(xí)原子能的知識，教師既要讓學(xué)生了解核技術(shù)可以用作醫(yī)療、能源，同時也必須向?qū)W生介紹核污染、核放射可以殺傷人類甚至毀滅地球；了解聲學(xué)知識時，可以讓學(xué)生調(diào)查身邊的聲污染情況，并嘗試提出減小噪聲污染的有效措施等。這些都超出了物理學(xué)科自身的研究范圍，然而是教師培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力的良好素材。
學(xué)生的科學(xué)探究能力的發(fā)展不是“自然而然”就能完成的，它需要教師精心設(shè)計和培養(yǎng)。因此，在物理教學(xué)中，實驗的開展、物理學(xué)史的滲透、物理學(xué)方法教學(xué)、概念規(guī)律的建構(gòu)、STS教育的嘗試，多路并舉，消除學(xué)生對于科學(xué)探究的神秘感，促使學(xué)生進(jìn)行切實有效的探究，可以為學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)打好基礎(chǔ)。
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