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如何在高中物理教學(xué)中培養學(xué)生科學(xué)探究能力
高中《物理課程標準》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)習的重心從過(guò)分強調知識的傳承與積累向培養學(xué)生的探究能力轉化，讓學(xué)生從被動(dòng)接受知識向主動(dòng)獲取知識轉化，從而培養學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)素養、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(dòng)效率，促使活動(dòng)順利完成的個(gè)性心理特征。根據美國國家研究理事會(huì )1996年發(fā)布的《美國國家科學(xué)教育標準》，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(guān)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(dòng)。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(dòng)效率，促使科學(xué)探究活動(dòng)順利完成的個(gè)性心理特征。
在物理教學(xué)中，教師應該創(chuàng )設多樣化的教學(xué)情境，重視學(xué)生科學(xué)探究能力的培養。
1 注重實(shí)驗教學(xué)，使之成為培養科學(xué)探究能力的重要途徑
物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗為基礎的自然科學(xué)。高中物理新課程的各個(gè)模塊均安排了一些典型的物理實(shí)驗，對其所要解決的問(wèn)題進(jìn)行了精彩的驗證或探索。物理實(shí)驗從確立實(shí)驗目的到設計實(shí)驗直至最后的結果分析，其實(shí)驗過(guò)程實(shí)質(zhì)就是科學(xué)探究的過(guò)程，因此物理實(shí)驗是培養學(xué)生科學(xué)探究能力的重要途徑。
然而，過(guò)去教師在教學(xué)過(guò)程中，往往是應用經(jīng)過(guò)幾次消化了的材料來(lái)講授，或者經(jīng)過(guò)抽象的理論分析加以表述，把已有的知識進(jìn)行系統歸納，形成簡(jiǎn)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(wèn)題時(shí)，教材即是以變壓器的結構與原理為切入點(diǎn)，簡(jiǎn)明扼要從理論上推導出了 的結論。這樣的結論當然是必要的，但是這樣的教學(xué)方式，往往會(huì )造成學(xué)生對科學(xué)概念的產(chǎn)生和發(fā)展的誤解，以為什么結論都可用數學(xué)方式推導出來(lái)，失去了對觀(guān)察實(shí)驗的興趣，使學(xué)生們不了解科學(xué)結論到底來(lái)自何方。
為了培養學(xué)生科學(xué)探究的能力，我們可以以實(shí)驗為載體，把輸出電壓與哪些因素有關(guān)的問(wèn)題盡可能設計成富有探究性、創(chuàng )造性，并具有可操作性的實(shí)驗或實(shí)踐課題。比如：
�。�1）提出問(wèn)題：由教師直接提問(wèn)變壓器的輸出電壓與哪些因素有關(guān)？
�。�2）猜想與假說(shuō)：由學(xué)生思考并互相補充得出輸出電壓可能會(huì )跟輸入電壓、原副線(xiàn)圈匝數、電流頻率、鐵芯等因素有關(guān)。
�。�3）制定計劃與設計實(shí)驗：引導學(xué)生制定利用控制變量法來(lái)進(jìn)行實(shí)驗的計劃，思考需要測量的數據與可能需要的實(shí)驗器材，如電源、原副線(xiàn)圈可變的變壓器、多用電表等。
�。�4）進(jìn)行實(shí)驗和收集證據：對學(xué)生進(jìn)行分組，并各選擇一個(gè)因素進(jìn)行實(shí)驗研究。
�。�5）根據證據進(jìn)行解釋?zhuān)河筛鹘M選派代表，提供實(shí)驗數據并作出解釋?zhuān)?與鐵芯、頻率無(wú)關(guān)。
�。�6）交流與檢驗：引導學(xué)生從理論上推導結論，將其與學(xué)生的實(shí)驗結論進(jìn)行比較，引導學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗誤差分析。
事實(shí)證明，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗獲得的學(xué)習效果與科學(xué)探究能力發(fā)展，比教師做演示實(shí)驗或在黑板上講理論的效果要好得多。只有在實(shí)驗基礎上建立了正確的、經(jīng)得起實(shí)踐檢驗的理論，才能由表及里，達到對客觀(guān)事物的規律性認識。在物理教學(xué)中，創(chuàng )造條件加強探究性實(shí)驗教學(xué)，是培養學(xué)生實(shí)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，使之成為培養科學(xué)探究能力的有力示范
物理學(xué)史是人類(lèi)在物理領(lǐng)域認識自然、改造自然、獲得知識的歷史記錄。無(wú)數的科學(xué)家為物理學(xué)大廈的構筑付出了艱辛的勞動(dòng)，才結出了今天造福萬(wàn)民的智慧之果。人們在回顧物理學(xué)史時(shí)總會(huì )感慨萬(wàn)千，而在以往的物理教學(xué)過(guò)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(kāi)科學(xué)探究；物理學(xué)的科學(xué)觀(guān)和研究方法的演化、變革與發(fā)展就是一個(gè)探究的過(guò)程。在這過(guò)程中，存在著(zhù)許多有價(jià)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容，無(wú)疑會(huì )讓學(xué)生隨著(zhù)歷史的爭論而深入當初科學(xué)探究的每一環(huán)節中去。
比如牛頓在1672年發(fā)表了《關(guān)于光和色的新理論》一文，認為光具有微粒的性質(zhì)，在當時(shí)就引起了物理學(xué)界極大的爭論，胡克就曾質(zhì)問(wèn)牛頓為什么光束相交時(shí)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(guò)雙縫干涉實(shí)驗證明了“光的波動(dòng)說(shuō)”的正確。從“光的微粒說(shuō)”到“光的波動(dòng)說(shuō)”，再到“光的波粒二象性學(xué)說(shuō)”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(huì )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(wèn)又是怎樣在實(shí)驗和理論研究中得以深入并最終獲得結論的，而這些結論還有哪些疑問(wèn)等等。
所以，物理學(xué)史本身作為科學(xué)探究的歷史，也應當讓其更加突出探究歷程，為學(xué)生進(jìn)行自己探究開(kāi)闊思路，加深對科學(xué)探究過(guò)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，教師要培養學(xué)生科學(xué)探究能力，就意味著(zhù)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)習或研究物理問(wèn)題的過(guò)程中發(fā)現問(wèn)題、提出假說(shuō)、搜集事實(shí)、作出解釋論證等所遵循的途徑和使用的手段，實(shí)際上是思維的方法和程序。物理學(xué)研究方法，主要是以觀(guān)察和實(shí)驗為基礎，經(jīng)過(guò)科學(xué)抽象，運用數學(xué)工具，概括總結出實(shí)驗規律，然后經(jīng)過(guò)實(shí)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，通常認為有：觀(guān)察法、實(shí)驗法、理想化方法、類(lèi)比方法、假設方法和數學(xué)方法六種。教師如果能以物理學(xué)方法為線(xiàn)索組織教學(xué)過(guò)程，實(shí)施知識教學(xué)與物理學(xué)方法教育的良好結合，必然使教學(xué)過(guò)程更符合學(xué)生的認識規律，也更有利于培養學(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)生預習，直接在上課之初先讓學(xué)生進(jìn)行兩個(gè)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(shí)驗的前提，學(xué)生可能會(huì )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(méi)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。當還剩下“電荷量”和“距離”兩個(gè)因素時(shí)，再讓學(xué)生考慮兩個(gè)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(guò)程使學(xué)生體會(huì )與學(xué)習物理學(xué)方法，達到理想的教學(xué)效果。
4 建構物理概念規律，培養學(xué)生科學(xué)探究的能力
物理概念是反映物理現象和過(guò)程的本質(zhì)屬性的思維形式；物理規律是物理現象、過(guò)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。形成概念和掌握規律就是對觀(guān)察和實(shí)驗得到的感性材料進(jìn)行理性加工，并把有關(guān)物理問(wèn)題的本質(zhì)抽象出來(lái)。
教師應當讓學(xué)生明白，任何概念和規律都是嚴謹的科學(xué)探究的結果，使學(xué)生在建構新的概念規律時(shí)，要學(xué)會(huì )質(zhì)疑，學(xué)會(huì )盡可能經(jīng)過(guò)嚴謹的探究再建構自己可以接受的知識體系。例如在講解牛頓第一定律時(shí)，可把牛頓和古希臘自然哲學(xué)家亞里士多德的觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行比較，并結合伽利略的實(shí)驗研究成果。牛頓認為任何物體都將保持靜止或勻速直線(xiàn)運動(dòng)狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止；而亞里士多德認為物體的運動(dòng)需要靠外力來(lái)維持。牛頓和亞里士多德都是千古流芳的人物，但在此問(wèn)題上卻有著(zhù)截然不同的觀(guān)點(diǎn)，孰是孰非，爭論也許并不能夠令人信服，只有通過(guò)實(shí)驗才能得出肯定的回答。在此基礎上，再來(lái)講述伽利略的實(shí)驗研究成果，就可以讓學(xué)生清楚地認識到亞里士多德的觀(guān)點(diǎn)的錯誤性。
為了豐富科學(xué)探究能力培養的內容，可以將某些科學(xué)概念規律的典型探究方法作為重點(diǎn)使之凸現，針對于學(xué)生的薄弱環(huán)節突出某些能力的培養，從而實(shí)現對于科學(xué)探究能力的滲透式培養。
5 嘗試STS教育，使生活成為培養科學(xué)探究能力的良好素材
STS是一門(mén)研究科學(xué)、技術(shù)和社會(huì )相互關(guān)系的新興學(xué)科，它強調科學(xué)技術(shù)在社會(huì )生產(chǎn)、生活中的應用。在教授物理知識的同時(shí)，滲透STS教育，在拓寬知識的過(guò)程中，有利于學(xué)生提高對科學(xué)的過(guò)程與方法的認識，增強對科學(xué)的情感、態(tài)度與價(jià)值觀(guān)的體驗，加深對科學(xué)、技術(shù)與社會(huì )關(guān)系的理解。
例如，學(xué)習原子能的知識，教師既要讓學(xué)生了解核技術(shù)可以用作醫療、能源，同時(shí)也必須向學(xué)生介紹核污染、核放射可以殺傷人類(lèi)甚至毀滅地球；了解聲學(xué)知識時(shí)，可以讓學(xué)生調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，它需要教師精心設計和培養。因此，在物理教學(xué)中，實(shí)驗的開(kāi)展、物理學(xué)史的滲透、物理學(xué)方法教學(xué)、概念規律的建構、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(shí)有效的探究，可以為學(xué)生科學(xué)探究能力的培養打好基礎。
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