高中物理教材中科學(xué)探究素養(yǎng)的呈現(xiàn)方式及教學(xué)應(yīng)用

牟嗣珍 田仁軍

摘 要：科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，是高中物理課程的重要目標(biāo)。文章探討科學(xué)探究素養(yǎng)在人教版高中物理必修教材中的呈現(xiàn)方式，力圖領(lǐng)會(huì)教材編寫者的編寫意圖，提出在必修教材實(shí)施中要整體把握、分塊實(shí)施、前后呼應(yīng)、逐步深入， 猜想要有理由、結(jié)論依賴于證據(jù)，把探究的思路應(yīng)用于物理學(xué)習(xí)的全過(guò)程。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；高中物理必修教材；呈現(xiàn)方式；教學(xué)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2019）2-0073-3

1 科學(xué)探究素養(yǎng)及其內(nèi)涵

科學(xué)探究素養(yǎng)是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力[1]。它是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，與科學(xué)思維等一起構(gòu)成通過(guò)高中物理學(xué)習(xí)后形成的關(guān)鍵能力。

2 科學(xué)探究在教材中的呈現(xiàn)方式

物理必修教材是所有學(xué)生必修的共同基礎(chǔ)，在人教版教材中安排了大量的科學(xué)探究的內(nèi)容，這些內(nèi)容分布在教材的各個(gè)部分，從不同的角度來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)，它們?cè)诮滩闹械某尸F(xiàn)方式也不盡相同。

2.1 顯性與隱性

顯性的內(nèi)容在節(jié)標(biāo)題或某個(gè)部分以“探究”二字直接指明以探究為目標(biāo)，如“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”“探究求合力的方法”“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”“探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式”“探究功與速度變化的關(guān)系”等。隱性的內(nèi)容沒有明確地標(biāo)注“探究”二字，但也以探究的方式來(lái)呈現(xiàn)物理知識(shí)，如“走進(jìn)物理課堂之前”“勻速直線運(yùn)動(dòng)的位移時(shí)間關(guān)系”“勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度位移關(guān)系”“自由落體運(yùn)動(dòng)”“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”“牛頓第一定律”“太陽(yáng)與行星間的引力”等。

2.2 整體與局部

科學(xué)探究過(guò)程一般包含提出物理問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋等要素。但不能每節(jié)內(nèi)容都需要這么多要素，教材中有的包含了科學(xué)探究的各個(gè)要素，有的只包含其中的幾個(gè)要素。

“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”集中于“獲取處理信息”這一要素，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出物體在不同時(shí)刻的速度，用圖像法處理數(shù)據(jù)，用圖像來(lái)表達(dá)小車速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。“探究求合力的方法”重點(diǎn)關(guān)注設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論。“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”則是一次全面的科學(xué)探究活動(dòng)，教材從提出問(wèn)題、科學(xué)猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理等部分來(lái)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究活動(dòng)，讓學(xué)生經(jīng)歷了一次全面的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程。

2.3 實(shí)驗(yàn)與理論

科學(xué)探究有實(shí)驗(yàn)探究也有理論探究，教材為我們提供了這兩類范例，如“探究求合力的方法”“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”“探究功與速度變化的關(guān)系”等是實(shí)驗(yàn)探究，“行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)”“探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式”等則主要是理論探究。

3 教學(xué)應(yīng)用

科學(xué)探究素養(yǎng)作為物理學(xué)科四大核心素養(yǎng)之一，是學(xué)生通過(guò)高中物理學(xué)習(xí)后應(yīng)該形成的關(guān)鍵能力。對(duì)于科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)，筆者認(rèn)為：

3.1 整體把握、分塊實(shí)施、前后呼應(yīng)、逐步深入

“必修1”一開始是“走進(jìn)物理課堂之前”，這相當(dāng)于高中物理課程的前言，給了學(xué)生一個(gè)科學(xué)探究的全貌，讓學(xué)生有一個(gè)大概的了解。教學(xué)中可以讓學(xué)生閱讀教材，感受物理學(xué)科學(xué)探究的基本方法?！疤骄啃≤囁俣入S時(shí)間變化的規(guī)律”讓學(xué)生知道怎樣從實(shí)驗(yàn)中收集數(shù)據(jù)，怎樣分析所獲得的數(shù)據(jù)，從中得到勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度時(shí)間關(guān)系?！百だ詫?duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”讓學(xué)生研究科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究的經(jīng)典案例，從中了解科學(xué)探究的要素，對(duì)科學(xué)探究有一個(gè)全面而深入的認(rèn)識(shí)。“探究求合力的方法”是一個(gè)實(shí)驗(yàn)探究，這個(gè)案例指導(dǎo)學(xué)生怎樣去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和采集數(shù)據(jù)，但怎樣處理數(shù)據(jù)僅建議“用虛線把合力的箭頭端分別與兩個(gè)分力的箭頭端連接起來(lái)，也許能夠得到啟示”?！疤骄考铀俣扰c力、質(zhì)量的關(guān)系”是一個(gè)完整的科學(xué)探究實(shí)例，是“必修1”所學(xué)的科學(xué)探究方法的綜合，也是對(duì)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的檢驗(yàn)。

“必修2”所提供的與科學(xué)探究有關(guān)的內(nèi)容有“太陽(yáng)與行星間的引力”“探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式”和“探究功與速度變化的關(guān)系”。前兩個(gè)進(jìn)行理論探究，第三個(gè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。“太陽(yáng)與行星間的引力”和“探究功與速度變化的關(guān)系”所得到的結(jié)論另有“萬(wàn)有引力定律”和“動(dòng)能定理”進(jìn)行研究，“探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式”所得的結(jié)論在高中物理中不作要求。這三個(gè)探究的能力要求也高于“必修1”。

科學(xué)探究過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不可能在每一節(jié)課上都實(shí)施科學(xué)探究的全過(guò)程，應(yīng)在整體把握科學(xué)探究素養(yǎng)后，明確各個(gè)不同的教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)。如“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”中訓(xùn)練學(xué)生怎樣收集數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)；“自由落體運(yùn)動(dòng)”中訓(xùn)練學(xué)生如何根據(jù)所觀察到的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題，如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并用它解釋所觀察的現(xiàn)象； 而在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”中學(xué)生需要經(jīng)歷問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流等科學(xué)探究的要素。

3.2 猜想要有理由，結(jié)論依賴于證據(jù)

科學(xué)探究離不開問(wèn)題和猜想，但問(wèn)題和猜想不是天馬行空地亂猜亂想，必須有思考、有理由。如伽利略使用邏輯推理懷疑亞里士多德的“物體下落的快慢由它們的重量決定”，提出“重物與輕物應(yīng)該下落得同樣快”，可以讓學(xué)生感受一下，伽利略為什么要這樣猜想。同樣，我們?cè)谶M(jìn)行“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”時(shí)，應(yīng)該讓學(xué)生猜想影響加速度的因素有哪些？為什么？教師可引導(dǎo)學(xué)生回顧牛頓第一定律的內(nèi)容，知道加速度與力有關(guān)；可引導(dǎo)學(xué)生思考同樣的力作用在不同的物體上時(shí)加速度有何差別，來(lái)猜想加速度與物體的質(zhì)量有關(guān)?！疤骄壳蠛狭Φ姆椒ā敝校滩奶崾尽昂狭Φ募^端分別與兩個(gè)分力的箭頭端連接起來(lái)”后又該怎樣呢？學(xué)生預(yù)習(xí)后會(huì)猜測(cè)或知道是一個(gè)平行四邊形，但為什么這樣猜呢？要有個(gè)理由。教師可引導(dǎo)學(xué)生回顧伽利略的做法，“自然界的規(guī)律是簡(jiǎn)潔明了的”，思考在求合力的圖示中什么樣的四邊形是最簡(jiǎn)單的，沿著正方形、長(zhǎng)方形、菱形、平行四邊形這個(gè)思路進(jìn)行判斷可以得到合理的結(jié)果。“加速度與質(zhì)量的關(guān)系”“探究功與速度變化的關(guān)系”中，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，也用了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的猜想思路。在學(xué)生就某個(gè)問(wèn)題提出猜想時(shí)，多問(wèn)一個(gè)“為什么”，能避免學(xué)生胡思亂想，張口亂猜。

探究的結(jié)論依賴于證據(jù)，利用證據(jù)通過(guò)推理得出的結(jié)論才是可靠的。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是一種重要的證據(jù)，伽利略做了多次實(shí)驗(yàn)說(shuō)明“小球沿斜面滾下的運(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng)，與小球的質(zhì)量沒關(guān)系”。從更廣的角度來(lái)看，物理學(xué)中所得出的結(jié)論都是有證據(jù)的，在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)要特別加強(qiáng)依賴證據(jù)說(shuō)話的意識(shí)。

3.3 把探究的思路應(yīng)用于物理學(xué)習(xí)的全過(guò)程

教材中沒有標(biāo)注“探究”的章節(jié)也可以把它提升到探究的水平來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)。如“自由落體運(yùn)動(dòng)”可以定位于探究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，“勻變速直線運(yùn)動(dòng)速度與位移的關(guān)系”可以定位于探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度隨位移變化的關(guān)系，既可進(jìn)行理論探究，也可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。對(duì)于“功”我們?cè)瓉?lái)只會(huì)求力與運(yùn)動(dòng)共線時(shí)力的功，所以“功”的教學(xué)可定位于探究力與運(yùn)動(dòng)不共線時(shí)力的功的計(jì)算[2]。我們?nèi)绻麖目茖W(xué)探究的視角來(lái)審視教學(xué)內(nèi)容，科學(xué)探究能力的培養(yǎng)就可以滲透于物理教學(xué)的整個(gè)過(guò)程。在更廣的層面上進(jìn)行科學(xué)探究的教學(xué)還可以避免學(xué)生進(jìn)行虛假的探究。因?yàn)榻滩纳蠜]有的內(nèi)容甚至學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，更能引起學(xué)生的思考與關(guān)注，探究的真實(shí)感更強(qiáng)。問(wèn)題的解決是利用已有的知識(shí)去進(jìn)行探索的過(guò)程，物理學(xué)習(xí)的一個(gè)重要任務(wù)是應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題，指導(dǎo)學(xué)生用探究的思路去解決問(wèn)題比告訴學(xué)生答案更有價(jià)值[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：1.

[2]龔浩，田仁軍. 高一“功”的教學(xué)實(shí)施——兼論核心素養(yǎng)的培養(yǎng)[J].物理教學(xué)探討，2018，36（8）：79-80.

[3]田仁軍.學(xué)生實(shí)驗(yàn)中反常結(jié)果的教學(xué)價(jià)值[J].物理教學(xué)探討，2012，30（4）：33-34.

（欄目編輯 李富強(qiáng)）