把握科學探究要素 提高學生的物理學習能力

李占一

《普通高中物理課程標準》明確提出：“高中物理課程有助于學生繼續學習基本的物理知識與技能；體驗科學發展探究過程，了解科學研究方法；增強創新意識和實踐能力，發展探究自然、理解自然的興趣與熱情；認識物理學對科技進步以及文化、經濟和社會發展的影響；為形成科學世界觀和科學價值觀打下基礎。”高中物理課程的重要宗旨是進一步提高學生的科學素養，使學生更好地適應社會發展的挑戰。科學探究是高中學生學習物理過程中必須經歷的過程，在新的課程標準下，學習科學探究方法，有利于學生自主學習能力的培養，有利于培養學生的小組合作學習精神，有利于提高學生運用物理知識和科學方法解決生活和社會生產中遇到的實際問題。那么應該如何進行科學探究呢?

進行科學探究應該了解科學探究的方式，把握科學探究的要素。《物理課程標準解讀》中提出科學探究的要素有以下七個：(1)提出問題；(2)猜想與假設；(3)制定計劃與設計實驗；(4)進行實驗與收集數據；(5)分析與論證；(6)評估；(7)交流與合作。具體的探究過程可以只包含其中的幾個要素，而且也不一定按以上的順序進行。科學探究可以是學生圍繞科學性問題展開探究活動。還可能是學生要根據事實現象形成解釋，對科學性問題做出合理解釋。

一、突出提出問題過程。不斷增強學生的質疑意識

物理學是一門與人們的日常生活生產實際緊密聯系的自然科學。在人類歷史的發展過程中，物理學的發展總是推動了科學技術和社會、經濟、文化的發展的動力。在日常生活中的許多現象都與物理知識緊密聯系的。學習物理必須時刻關注身邊的現象。發現問題并提出問題，最終才能找出解決問題的方法。所以，提出問題是進行科學探究的重要過程之一。通過發現問題、提出問題的過程，可以提高學生的思維能力、不斷增強質疑探究意識。

在用光的折射測定玻璃的折射率的實驗中，有學生提出：所用玻璃磚的兩個光學表面是否一定要平行?若不平行能否用它測出玻璃的折射率?若不平行也能測出玻璃的折射率，那么與兩表面平行時比較光路有無差別?若采用理論分析往往費時又不容易記住。我們可以提示學生采用實驗探究的方法來解決問題，讓學生先猜測實驗結果，再尋找到有兩個不平行的表面的玻璃磚，利用實驗器材自己探究得出正確結論。這樣的探究過程學生容易理解，而且由于學生體驗了探究的全過程，所以印象特別深刻，同時將學生的學習重心自然地轉向知識的探究過程，還為學生提供充分自由的探究、討論問題、交流思想的機會。讓學生通過探究活動，體會到科學探究的興趣和樂趣。

二、突出控制實驗變量的方法，培養學生的科學態度

學生通過初中的學習，對科學探究的過程有了一定的體驗，同時也具有了初步的科學探究能力，在高中物理學習中。更應該關注學生在科學探究過程中的學習質量。盡可能讓學生加深對科學探究的理解，從而進一步提高學生的科學探究能力。高中物理課程標準進一步倡導科學探究，希望促進學習方式的改變，使學生在教師的啟發和引導下，主動參與探究過程，做到勤于動手和動腦。從而逐步培養學生的科學探究能力。

為了更好地進行科學探究，我們不妨再來看看科學探究的特點。科學探究是學生用已獲取的知識。領悟科學的思想觀念，領悟科學研究方法而進行的各種探究活動，而科學探究能力是學生通過完成部分探究活動或完整的探究活動而形成和發展的。

在“探究單擺的振動周期與什么因素有關”的教學中，我們改變教師演示的傳統方法，將學生分成若干個學習小組。向每個小組學生提供這樣一些實驗器材：幾個質量不相等的小鋼球，幾條細絲線，鐵架臺，秒表等。首先提出問題：“單擺的振動周期究竟跟什么因素有關?”由學生自行討論并設計實驗方案驗證，通過改變單擺的擺長、擺球的質量、擺角的大小等，比較不同單擺的振動情況，學生發現需要討論的物理量是多個的，因此應該運用控制變量的方法：構造兩個單擺，(1)先保持質量和擺角相等。發現擺長不等的單擺振動快慢是不同的；(2]再保持擺長和質量相等，發現擺角不同的單擺振動快慢是相同的；(3)最后保持擺長的擺角相等，發現質量不同的單擺振動快慢是相同的。通過小組合作討論及與其他組同學交流，定性地得出與單擺的振動周期有關的因素。通過科學探究使學生領悟科學探究的思想，從學生被動接受知識向主動獲取知識轉化，從而培養學生的自主學習能力、科學探究能力。利用同樣的實驗器材，在教師的啟發下提出問題：既然單擺的振動周期與擺長有關，那么如果多次改變單擺的擺長，同時測出對應的周期，能否進一步探究出擺長L與周期T的數量關系呢?學生通過數據分析發現它們的關系不是簡單的正反比關系，這時引導學生討論L與T²的關系，讓學生自己體會到做L-T²圖像可以直觀地看出兩個物理量的關系。這樣使學生的分析和處理問題的能力得到了發展。同時還可以培養學生實事求是的科學態度和敢于創新的探索精神，增進對科學探究方法與過程的理解。

三、突出分析過程。提高實驗數據分析和處理能力

分析和論證是科學探究的主要方法之一。共包含三個階段：即對實驗數據進行分析處理，嘗試根據實驗現象和數據得出結論，對實驗結果進行解釋和描述。其中對實驗數據進行分析處理是最為復雜的，要做好這一復雜過程，就需要明確數據處理的基本方向、數學思路、處理方法等。所謂基本方向就是我們期望從實驗數據中獲得的結論，這源自探究假設。例如，研究小提琴(由兩端固定的琴弦產生振動而發音的)同一根琴弦振動頻率與哪些因素有關，可先讓同學們猜想，之后有同學設計了如圖1所示的實驗裝置：在一塊厚木板上用A、B兩個楔支撐著琴弦，其中A楔固定。B楔可沿木板移動，以此來改變琴弦振動部分的長度。將琴弦的末端固定在木板O點，另一端通過定滑輪接上砝碼以提供一定拉力，輕輕撥動琴弦，在AB間即產生振動。某次實驗數據如下：

(1)先保持拉力不變，改變AB的距離L(即改變自變量琴弦長度)，測出不同長度時琴弦振動的頻率(因變量)，記錄結果如表1所示。

從表1數據可判斷在拉力不變時，AB距離L(即弦長)越小，琴弦振動的頻率就越大，通過計算比較長度L與頻率，兩個物理量的乘積，發現乘積為定值，或者先求出1/L，再與頻率比較，同樣也能得出f∞1/L，所以琴弦振動的頻率，與弦長L的關系為：頻率f與弦長L成反比。

(2)保持琴弦長度不變，改變拉力(自變量)，測出不同拉力時琴弦振動的頻率(因變量)，記錄結果如表2所示。

從表2數據可判斷在琴弦長度不變時，拉力越小。頻率也越小，但又不是正比關系，通過計算頻率f的平方值再與拉力大小比較，得出琴弦振動的頻率f與拉力F的關系為頻率f與拉力F的平方根成正比。

在上述數據處理過程中我們用了控制變量法。測量了因變量頻率與自變量弦長拉力的關系，通過對數據進行計算列表的方法進行對比，找出了數據之間的依賴關系。對于數據的分析和處理還可以用圖像法。例如，用單擺測重力加速度的實驗中，做T²-L圖像，由圖像的斜率求出重力加速度。

總之，《普通高中物理課程標準》中把科學探究作為內容標準的一個部分，可見科學探究占有相當重要的地位，科學探究是高中學生完成物理課程所必須達到的學習目標，科學探究方法是物理課中的重要教學內容。體驗科學探究過程有利于培養學生的自主學習能力，有利于培養學生的團結協作能力，有利于提高學生的科學素養和綜合素質。

參考文獻：

[1]物理課程標準研制組，物理課程標準(實驗)解讀[M]，斌漢：湖北教育出版社，2004