問題探究式校本課程“創客科學工作室”的理論與實踐研究

摘 要：探索了在新課改背景下對高中物理傳統教學模式的改革。以校本課程的開發設計為依托，采用了以問題為核心、基于問題探究的、在實驗探究過程中提煉物理知識、培養能力的教學模式，并對此教學模式進行了實踐，設計了《自行車的變速原理——圓周運動的描述》一課。

關鍵詞：教學模式改革；校本課程；問題探究

一、基于問題探究的校本課程教學模式的理論探究

（一）基本思路

本教學模式目的是從根本上改變“灌輸—接受”傳統物理教學方法，轉變為從分析與解決實際問題的過程中歸納出物理規律和物理知識，還原科學認知規律的本來面目，變被動為主動，提高學習效率，培養科學精神。

由于實驗探究是解決實際問題的主要方法，所以此模式進一步提高了實驗在物理課堂教學中的地位，并且采用了實驗教學和理論教學結合的課堂教學形式，沖破教室、實驗室的界限，把教室和實驗室融合在一起，不再可以區分實驗教學和理論課教學，把教室變成實驗室或直接在實驗室中進行課堂教學。

“創客”科學工作室：

基于“創客”教育理論設計的，以探究、實驗、發明創造等為主要內容的校本課程，旨在培養學生的自然科學素養、創新精神和實際創造力；以工作室形式組織開展。

基本設計思路：①設置主研究項目，指導學生在規定的周期內完成。②根據課程分層理論，把主項目分解成若干不同能力層次的子項目。③根據學生個性發展需求、不同能力層次，組成不同任務小組，負責各個子項目的研究。④在研究周期內，定期開設項目分析研討課，對各項目進展、研究心得討論、交流、分享，對面臨主要困難探討、論證，尋求解決方案。⑤整合各子項目，完成主項目，進行試驗論證，形成最終研究成果。

作為自然科學類綜合校本課程，“創客”科學工作室主要依托本年級教師團隊。課程開發團隊成員都是本年級任課教師。學生如果不能自己解決項目研究過程中所涉及的知識基礎、研究方法等方面的困難，需要求助于課程開發團隊中相關學科“學術顧問”，在“學術顧問”老師的指導下解決。

“創客”科學工作室課程開發團隊：

課程負責人：吳正博、申曉衛

物理學術顧問：吳正博、申曉衛（物理任課教師）

化學學術顧問：殷春燕、許曉娟（化學任課教師）

生物學術顧問：楊慧芳、楊麗萍（生物任課教師）

信息技術學術顧問：趙慧全、索玉敏（信息技術任課教師）

數學學術顧問：周靈華、李躍（數學任課教師）

通用技術學術顧問：敦志華（通用技術任課教師）

學術課程開發團隊老師定期開展課程開發分析交流研討會，匯總學生“求助”信息及“求助”過程中相關知識、能力的發展，以此為依據調整課程內容分層方式、學生小組分組方式，使課程實施過程更好地適應學生個性化發展需求。針對特定學生形成教育合力，使學生發展最優化。

（二）核心思想

問題為中心、實驗課和理論課融合的分層式校本課程。

（三）基本步驟

本教學模式的基本步驟可以分為以下幾步：

1.課前預習（大約用時30分鐘）

上節課結束時就通知學生本節所要研究的問題以及所涉及的物理知識，并要求學生預習教材上的相應知識，或者通過網絡、圖書等其他途徑初步學習相關知識，為本節課問題分析和探究作準備。

2.課堂教學

為使此教學模式區別于以往的高中物理課堂教學模式，主要分為以下幾步，在實際的課堂教學過程中根據需要合理增減。

（1）拋出問題

設計一個問題讓學生來解決。課堂教學的第一步，也是此教學模式的核心內容，即“基于問題的教學和學習過程”，所以問題的設計就至關重要，關系到這節課的效果甚至成敗。對于問題的設計要符合以下要求：

問題內容本質即本節課核心內容；

問題解決過程能充分體現本節課的知識和方法；

要有較強的可操作性，適合該年齡段的高中生的思維水平；

盡量要使生產、生活聯系緊密；要有趣味性。

（2）實驗與探究

實驗操作的目的是展示問題，探究問題，為討論、分析、解決問題打下基礎。所以，操作步驟要規范，層次要分明，要清晰地展現給大家，要以學生為主體，讓學生親自動手。

（3）討論與交流

要使討論與交流過程和諧有效地運行，必需注意教師、學生、教學內容及其物質載體各要素間的協同一致。這里，協同和啟發的原則是十分必要的。

（4）分析、歸納

分析、歸納是得出結論的主要方法，對學生的思維能力、邏輯推理能力要求較高。通過本環節可以培養學生的邏輯推理能力。在實施過程中要充分發揮老師的課堂教學主導地位，在以學生為主體的前提下，引導好分析、歸納的方向，提高課堂的效率。

（5）總結、得出結論

（6）實驗驗證

通過實驗驗證得出的結論，首尾呼應。

（7）提煉物理規律與知識

在解決問題的過程中注重物理規律的提煉，其中所包含的物理規律、物理知識，是本教學模式在知識層面的最終目的，所以本過程非常重要，是包含在（2）至（6）整個問題解決過程中的。

（8）練習與作業

（四）與傳統教學模式的差異

1.教學思路的差異：學習知識→解決問題變成了在解決實際問題中提煉知識、鍛煉能力。這一順序還原了科學認知的本來規律，學生在學習過程中興趣度更高，主動性更強，參與更充分，成就感更強、效率更高；在解決問題的過程中學生培養了發散思維能力、邏輯推理能力、歸納總結能力、試驗操作能力、創新能力和最基本的科學素養，在學知識的基礎上更進一步地培養了能力，符合素質教育要求，體現出新課改的核心思想。

2.教學手段的差異：把傳統的理論教學和實驗教學融合。教學手段更加靈活，打破了教室和實驗室之間的阻隔，使學生實驗和理論學習過程中形成一個有機的整體，能夠有機結合，相互影響，相互促進，符合建構主義學習觀。

3.教材地位差異：在以問題為核心模式的教學方法中，教材為解決問題的參考資料之一，變學教材為用教材，改變傳統的以教材為中心、死扣課本的教學方法，把教材作為唯一課程資源，另外還可以有網絡資源、圖書資源等，擴大了課程資源范圍；在用教材的過程中也應該更加靈活，在以問題為核心的要求下，如果需要可以不必嚴格遵守教材的編排順序、表述方法。

4.課堂組織形式的差異：改變了以往課堂教學中教師一言堂、教師講、學生聽的粗放的課堂組織形式，學生充分參與課堂教學的全程，并在探究過程中起主體作用；學生之間不再是各學各的互不影響，而是使交流、討論、甚至辯論等靈活多樣的溝通方式在思維的碰撞中拓寬思路，閃現新的思維的火花。

二、基于問題探究高中物理校本課程課例設計

課題：自行車的變速原理

（一）教學目標

能力目標：（1）培養解決實際問題的發散思維能力；（2）培養解決實際問題的創新能力；（3）培養用數學語言、數學方法來描述物理概念、歸納物理規律。

知識目標：（1）圓周運動概念；（2）理解線速度、角速度、周期概念；（3）理解線速度角速度周期間的關系。

（二）教學重點

線速度、角速度、周期的概念及引入的過程，掌握它們之間的聯系。

（三）教學難點

對實際問題的分析、討論、歸納過程。

（四）教學方法

實驗、探究、討論、歸納。

（五）教具準備

變速自行車；毫米刻度尺；游標卡尺；秒表；多媒體。

（六）教學活動

[課前預習]

利用課下時間約20分鐘預習§5.4圓周運動，初步了解描述圓周運動的物理量以及它們之間的關系。

[拋出問題]

問題：怎樣測量自行車的騎行速度？

設想：通過計算踏腳板轉動的快慢，推算自行車的騎行速度。經過騎行，得到如下的數據：在時間T內踏腳板轉動的圈數為N，推算自行車的騎行速度。

[實驗演示]

現場演示：學生利用變速自行車演示其變速過程。

注意：提示其他學生注意觀察自行車傳動、變速裝置，提示學生比較自行車上各部分的運動情況。

[交流與討論]

在腳踏曲柄轉動快慢恒定的情況下，自行車行進速度都與哪些因素有關呢？

學生討論交流，分組進行.

每組選出代表發言：

生1：牙盤的大小。生2：飛輪的大小。生3：后輪的大小。生4：鏈條的長短……

師：剛才同學們列舉了很多因素，都說得很好。那么，現在能不能再討論一下自行車行進速度與這些因素是什么關系呢？比如：當踏曲柄快慢不變時，自行車行駛速度與牙盤大小什么關系，牙盤越大，自行車速度會越怎樣呢？

討論：……

師：我們在討論、操作時要注意到保證其他量不變，這是什么科學實驗方法呢？

生：控制變量法。

討論結果：

實驗驗證：學生用變速自行車換檔演示。

[分析探究]

師：之前我們只是定性研究了影響自行車速度的因素，下面我們更加準確、定量地來研究這個問題。

測量我們所需的物理量：

師：我們剛才觀察，曲柄是怎樣帶動后輪轉動的呢？

生：……

師：傳動過程可表示為曲柄 牙盤 鏈條 飛輪 后輪

師：曲柄和牙盤轉動快慢有什么關系？

生1：相同時間內轉過的角大小相等。

生2：轉一圈所用的時間相等……

師：我們通過預習，1同學的意思即單位時間內轉過的角相等，怎樣用數學方法直觀準確地表示呢？

角速度：

（1）物理意義：描述質點轉過的圓心角的快慢。（2）定義：在勻速圓周運動中，連接運動質點和圓心的半徑轉過Δθ的角度跟所用時間Δt的比值，就是質點運動的角速度。（3）定義式：ω=Δθ/Δt.

角速度的單位

國際單位制中，角速度的單位是弧度/秒（rad/s）。

可得：ω1=ω=Δθ/Δt=N/T………①

師：牙盤和鏈條、飛輪轉動快慢有什么關系？

生1：要走多遠都走多遠。

生2：相同時間內轉過的路程（弧長）相等。……

師：2同學的意思即轉一周所用的時間，怎樣用數學方法直觀準確地表示呢？

周期：

定義：轉一周所用時間。

符號：T

師：我們通過預習，1、2同學的意思即單位時間內轉過的弧長相等，怎樣用數學方法直觀準確地表示呢？

（1）物理意義：描述質點沿圓周運動的快慢。（2）定義：質點做圓周運動通過的弧長Δs和所用時間Δt的比值叫做線速度。（比值定義法）（這里是弧長，而直線運動中是位移）（3）大小：v=Δl/Δt單位：m/s（s是弧長.非位移）。（4）方向；在圓周各點的切線上。

可得：v2=v1=Δs/Δt=Δθr1/Δt=ω1r1…②

則可知：ω3=ω2=v2/r2……………………③

v3=ω3r3…………………………④

綜合①②③④式可得：自行車運行速度：v3=Nr1/Tr2

[歸納總結]

師：通過以上探究過程，我們可知在分析描述圓周運動時幾個非常有用的物理量以及它們之間的關系，大家說說看有哪些？

生1：線速度。生2：角速度。生3：周期……

參考文獻：

[1]黃國雄.趣味物理探究[M].出東科學技術出版社，2010-03.

[2]鄭金洲.基于新課程的課堂教學改革[M].福建教育出版社，2003.

注：本論文為河南省教育科學“十三五”規劃課題“基于年級組教師團隊的分層式校本課程開發研究”部分研究成果。課題立項批準號：[2016]-JKGHB-0663。批準立項單位：河南省教育科學研究所。

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