淺談高中物理教學中“理論”探究教學模式的應用

王化銀

《普通高中物理課程標準》中指出：高中物理課程應促進學生自主學習，讓學生積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考.通過多樣化的教學方式，幫助學生學習物理知識與技能，培養其科學探究能力，使其逐步形成科學態度與科學精神.由此可見，科學探究法是今后高中物理教學中很重要的方法.

1 有效教學模式分類

參與教學活動的要素很多，但基本的或關鍵的要素只有三個：教師、學生、所教/學的內容.這三個要素構成“教學三角”，形成三種教學關系，也衍生出三種教學模式.

在教學活動中，如果強調“教師——內容”邊，則會將教學理解成以教師為中心的傳授活動，這是對教學最為傳統的理解，此時最為有效的教學模式是講授教學模式.如果強調“學生——內容”邊，則會將教學理解成以學生為中心，強調學生通過自主學習與探究等方式，主動地、個性化地建構內容的意義，此時最為有效的教學模式是探究教學模式.如果強調“教師——學生”邊，則會將教學理解成師生之間、生生之間圍繞學習內容展開的交往對話活動，此時最為有效的教學模式是對話教學模式.

上述三種教學模式，反映了對教學主體地位的不同理解.

2 探究教學模式的理論基礎

2.1 杜威的“五步教學法”

杜威倡導反省思維，并將反省思維分類五個階段，即著名的“思維五步”，繼而提出了相應的“教學五步”：第一，學生要有一個真實的經驗的情境——要有一個對活動本身感興趣的連續的活動；第二，在這個情境內部產生一個真實的問題，作為思維的刺激物；第三，要占有知識資料，從事必要的觀察，對付這個問題；第四，必須負責一步一步地展開他所想出的解決問題的方法；第五，要有機會通過運用來檢驗他的想法，使這個想法意義明確，并且讓他自己去發現它們是否有效.

2.2 布魯納的發現學習理論

發現學習就是以培養探究性思維的方法為目標，以基本教材為內容，使學生通過再發現的步驟進行的學習.其三個基本步驟：激發、維持和引導，即促使活動得以啟動，維持活動的繼續以及避免該活動的隨機化發展.布魯納認為，教授人們某些學科知識并不只是讓他們把結果記在腦中，而是讓他們參與到可能性的知識建構的過程中來.我們教授一門學科并不是要在每個學生頭腦中建立一個學科方面的小型圖書館，而是要使學生自己能夠以數學的方式進行思考，能夠像歷史學家那樣考慮問題，能夠參與到知識的過程中來.認知是一個過程而非結果.

2.3 基于問題的學習

基于問題的學習就讓學生在實際問題情境中學習，讓他們把所學知識和實際生活聯系起來，以此培養他們的學習興趣和學習主動性，同時也讓他們構建自己的知識框架.它主要具有以下特點：第一，以問題為焦點啟動課程；第二，學生根據對問題的理解開展調查，進行探究；第三，在基于問題的教學中，教師的角色不再是提供知識，而是創設問題情境，通過提問等方式引導、促進學生進行學習.

3 理論探究教學模式例說

3.1 瞬時速度教學

3.1.1 微元法

“微元法”通俗地說就是把研究對象分為無限多個無限小的部分，取出有代表性的極小的一部分進行分析處理，再從局部到全體綜合起來加以考慮的科學思維方法，通過這種方法可以使許多復雜的物理過程用我們熟悉的物理規律迅速的加以解決，使復雜的問題簡單化.

3.1.2 瞬時速度

教材在定義了平均速度v=ΔxΔt后進一步指出“平均速度只能粗略地描述運動的快慢，為了使描述精確些，可以把Δt取得小一些，物體在從t到t+Δt這樣一個較小的時間間隔內，運動快慢的差異就小些.Δt越小，運動的描述就越精確.可以想象，如果Δt非常非常小，就可以認為ΔxΔt表示的是物體在時刻t的速度，這個速度叫瞬時速度.”

這里的語言很通俗，較清晰地體現了極限的思想，但又回避了嚴格的極限概念和計算，也沒有引入“極限”這個術語.我們在教學中如果就按照課本這樣來講述，學生對瞬時速度的概念是能理解的，對極限這樣一種思想也是能初步了解的.但由于第一次碰到這樣把近似值當成精確值的思想方法，是抱有很大的懷疑態度，認為這是一種近似、模糊的處理方法，在以后碰到同樣的問題時，可能不會意識到用這種方法，在這里我們不妨借助習題，來加深對瞬時速度和極限思想的理解.

例題 某做直線運動的質點的位移隨時間變化的關系式為x=5t2，x與t的單位分別是m和s，

（1）求t1=2 s到t2=3 s這段時間的平均速度；

（2）求t1=2 s到t2=2.1 s這段時間的平均速度；

（3）求t1=2 s到t2=2.01 s這段時間的平均速度；

（4）求t1=2 s到t2=2.001 s這段時間的平均速度.

解 由位移x與時間t的關系式x=5t2可以得到各段時間的平均速度

（1）=xt=5×（32-22）3-2 m/s=25 m/s；

（2）=xt=5×（2.12-22）2.1-2 m/s=20.5 m/s；

（3）=xt=5×（2.012-22）2.01-2 m/s=20.05 m/s；

（4）=xt=5×（2.0012-22）2.001-2 m/s=20.005 m/s.

從上面的計算發現，當時間間隔取得越來越短時，物體平均速度的大小愈來愈趨近于數值20 m/s，實際上，20 m/s就是物體在2 s時刻的瞬時速度，它反映了物體在2 s時刻運動的快慢程度.可見，質點在某一時刻的瞬時速度，等于時間間隔趨于零時的平均速度值，用數學語言講，瞬時速度是平均速度的極限值.通過這樣的計算，容易困擾學生的三個問題也就很好地解決了——

問題1 任何運動是且只能是一個過程，而絕不是一個位置點或一個時刻，那么什么是物體在某一位置（或某一時刻）的速度？

問題2 即使Δt無限趨近于零，它還是一段時間，并不等于零，那么相應的速度還是平均速度，為什么現在認為是等于瞬間速度而不是近似等于瞬時速度？

3.2 向心加速度教學

3.2.1 “從平均值到瞬時值”滲透極限思想

本課教學中，理論探究過程并非一蹴而就，而是遵循學生的思維發展過程，由淺入深、由表及里地逐步推進.先是提出課題：如圖2所示，已知質點做半徑為r的勻速圓周運動，線速度大小為v.經過時間Δt，物體從A點運動到B點，試求該過程中物體的加速度.

學生會覺得一籌莫展，教師提醒學生：研究物理問題的基本思路是“從簡單到復雜”，不妨從特殊到一般，若Δt=T呢？這個啟發使學生受到了鼓舞，有了探究的熱情，很快得出

（1）Δt=T，Δθ=2π，Δv=vB-vA=0，a=ΔvΔt=0.

第一步探究結果完全出乎意料，向心加速度竟然會是零？學生討論之余，教師應“舊事重提”：瞬時速度v=ΔxΔt是如何得出的？從而使學生“恍然大悟”，加速度也有平均值和瞬時值之分，一周內的平均值為零符合實際.

學生的探究熱情逐步高漲，順理成章地按以下步驟展開探究，具體矢量圖對應圖3所列.

（2）Δt=T2=πrv，Δθ=π，Δv=2v，

a=ΔvΔt=2v2πr=0.64v2r.

（3）Δt=T3=2πr3v，Δθ=2π3，Δv=3v，

a=ΔvΔt=33v22πr=0.83v2r.

（4）Δt=T4=πr2v，Δθ=π2，Δv=2v，

a=ΔvΔt=22v2πr=0.90v2r.

（5）Δt=T6=πr3v，Δθ=π3，Δv=v，

a=ΔvΔt=3v2πr=0.96v2r.

（6）Δt=T12=πr6v，Δθ=π6，Δv=6-22v，

a=ΔvΔt=3（6-2）v2πr=0.99v2r.

至此，學生自然猜想到當Δt→0時a=ΔvΔt=v2r.這個過程看似繁瑣，對思維要求卻不高，結果令人信服，教師可趁熱打鐵引導學生進一步深入探究.

3.2.2 從“小量近似”滲透曲與直的辯證關系

在數學推演過程中，有多種方法可供選擇.看似途徑不同，本質都涉及曲與直的辯證關系.如圖4所示，當Δt→0時，Δθ→0，弧長與弦長近似相等，即AB=AB=vΔt.根據vA、vB、Δv組成的矢量三角形與幾何三角形△ABO相似，可得

Δvv=ABr=ABr=Δθ=ωΔt，

于是a=ΔvΔt=vω=v2r=rω2.

4 反思

（1）教學中學生充分感受了科學探究的方法，如基于“小量近似法”的理論探究過程，培養了學生科學探究能力.

（2）教學過程充分關注“極限”、“變恒辯證關系”、“曲直辯證關系”等思想和方法的滲透，有利于培養學生的科學素養和抽象思維能力.

（3）在探究教學模式中，教學活動的重心是“學”而不是“教”，學生進入一個具體的問題情境中，以自身已有的知識經驗為基礎，通過個人對問題的探究理解力來建構有意義的知識，而教師則扮演問題設計者、探究活動的組織者和促進者的角色.