初中物理研究性學習的實踐和思考

程宏亮　韓沐晨　趙琪

摘 要：在新課改“三維目標”的基礎上，教育部提出了發展學生核心素養的要求。自此，提升學生的核心素養成為中小學教育的一個明確方向，尋找合適的教育形態成為重要的教育任務。廣大教育工作者通過大量的理論研究和教學實踐發現，立足于教材的研究性學習活動與提升學生的學科核心素養的要求能夠較好地契合。以人教版“測量平均速度”研究性學習活動的實施為例，闡述提升學生核心素養與研究性學習活動之間的緊密聯系。

關鍵詞：初中物理；核心素養；研究性學習；“測量平均速度”

作者簡介：程宏亮（1975—），男，廣東省深圳市光明區教科院。

韓沐晨（1995—），女，廣東省深圳市坪山區坪山實驗學校。

趙 琪（1994—），女，廣東省深圳市坪山區坪山實驗學校。

2016年，教育部在“三維目標”的基礎上，發布了中國學生發展核心素養研究成果，公布了《中國學生發展核心素養》總體框架。在《義務教育物理課程標準（2022年版）》中，物理學科核心素養包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度和責任”。其中，“物理觀念”是物理學科核心素養的基石，是學生形成的從物理視角對事物進行研究的思想、方法和觀點，也是根植于學生頭腦的科學思維、探究意識、合作精神、科學態度，以及對他人和社會的一種責任感。核心素養理論的提出，為初中物理教師教學指出了更加明確的方向。指向核心素養的初中物理課堂教學，要求學生在知識建構的過程中，通過對知識的探索，總結物理研究的方法和思想，進而形成物理觀念，這就是我們常講的要從關注“知識為本”轉變為關注“觀念建構”。

一、研究性學習活動概述

研究性學習強調在教學過程中創設一種類似科學研究的情境或途徑，讓學生主動地探索、發現和體驗，學會收集信息并進行分析和判斷，從而增強思考力和創造力。從教學的角度來看，研究性學習更符合學生本位、問題本位和過程本位。在初中物理教學中，研究性學習的設計更多是以綜合實踐活動的形式展開，通過創設開放性、創造性的空間，促進學生對問題的研究。教師可充分挖掘初中物理教材內容，開展基于教材內容的研究性學習活動，以提升學生的物理學科素養。下面，以人教版八年級“測量平均速度”一課為例，對研究性學習活動進行探討。“測量平均速度”的主要內容如下所示。

斜面的一端用木塊墊起，使它形成很小的坡度。實驗步驟如下。

1.把小車放在斜面頂端，金屬片放在斜面底端，用刻度尺測出小車將要通過的路程s1，把s1和后面測得的數據填入表1中。

2.用停表測量小車從斜面頂端滑下到撞擊金屬片的時間t1。

3.根據測得的s1、t1，利用公式v1=s1/t1算出小車通過斜面全程的平均速度v1。

4.將金屬片移至斜面的中部，測出小車到金屬片的距離s2。

5.測出小車從斜面頂端滑過斜面上半段路程s2所用的時間t2，算出小車通過上半段路程的平均速度v2。

從課程教學計劃來看，這是一節學生實驗課，其教學目標是提升學生的實驗探究能力、實驗數據分析能力，幫助學生養成科學思維。如果將其設計為研究性學習活動，可使教學素材既立足于物理課堂教學，又拓展至物理課堂之外，能夠提升學生的思維能力，培養學生的創新能力。更為重要的是，這樣能夠最大限度地培育學生的物理學科素養。

從活動方式上來看，物理研究性學習活動可分為調查訪問型、實驗觀測型、課題研究型、文獻研究型、游藝娛樂型等。“測量平均速度”研究性學習活動以活動方式來劃分，應該屬于典型的實驗觀測型活動。對于注重定量研究的課題，學生可通過科學實驗和科學觀測來獲得數據，進而進行研究性學習。論證評價的一般程序，可分為創設情境、實驗分析、假設驗證、拓展提升這四部分。

二、活動過程

（一）創設情境

1.完善研究性學習的組織結構

要想更好地創設情境，首先要完善研究性學習的組織結構。如可設定每個學習小組為四名成員，并滿足同組異質的分組原則，實行組長負責制，組長負責各成員實驗探究任務的分配，并在小組交流時起到主導作用。小組組長不能擔任匯報人，由組長指定小組其他成員匯報發言。第一小組匯報結束后，第二小組的發言人由第一小組發言人指定，以此類推。這樣，可最大限度地提高小組研究的整體水平，使組內實驗探究氛圍更和諧、更深入。每個小組成員必須以科學、負責任的態度進行合作，才能高質量地完成實驗探究任務，同時提高自身的實驗探究能力。

2.問卷調查

【設計問卷】

為提高學生在研究性學習中的思維深度和廣度，形成正確、科學的思維方向，在開展研究性學習活動之前，筆者設計了一份學生問卷如下：

各位同學，這份問卷是想了解你對平均速度的已有認識，以便老師幫助大家更好地學習平均速度，本問卷不會對你造成任何影響，請真實回答。

1.你能夠正確地使用停表嗎？

2.小車下滑前，將車頭還是車尾放置在起點處？

3.路程除以時間很難整除，有什么辦法可以提高計算效率？

4.預測一下小車在前半程和后半程的平均速度大小，想一想有可能一樣大嗎？

5.日常生活中，哪些物體上有平均速度這一物理量？你認為平均速度這個概念存在的意義是什么？

【問卷統計分析及教師的指導策略】

筆者用該問卷對一個班全體45名學生進行了調查，回收了問卷45份。通過回收的問卷，筆者獲得了很多的信息。對于第一個問題，約64%的學生回答不能正確使用停表，甚至有兩名學生不知道停表是什么，但也有約13%的學生表示很熟悉停表，自己家中有并經常使用。對于第二個問題，學生回答的情況較為理想，約96%的學生都認為應該把小車頭放置在起點處。這兩個問題主要調查學生實驗探究的操作能力。

第三個問題的調查結果比較出乎筆者的預設，有約81%的學生準備用計算器計算路程除以時間。有一個小組的回答令人眼前一亮，該小組組長引入電子表格來處理數據，并且應用數據生成圖像的功能，使數據規律可視化。快速準確的數據分析是實驗的重要組成部分，所以，學生處理數據的方法也是實驗探究能力的體現。如果在班級內推廣這種數據處理方法，全體學生的實驗探究能力都將得到提高。學生制作的電子表格和數據生成的圖像如圖1和圖2所示。

第四個問題的調查結果在預料之中，約89%的學生認為小車會越滑越快，即后半程的平均速度會大于前半程。也有一個小組認為小車有可能做勻速直線運動，后半程平均速度與前半程相等，但無法闡明理由。這個調查結果是筆者樂于見到的，其體現了利用教學素材引導學生批判性思考，養成科學思維習慣，形成科學態度和責任感的過程。

第五個問題的目的是讓學生將物理知識向自然、社會拓展，嘗試引導學生產生深度思考，培養科學的精神。

從整體上來看，學生問卷調查結果比較淺顯，有待進一步設計改進，以幫助學生建立清晰的物理觀念。

（二）實驗分析

1.動手實驗

在課堂上，讓學生按照課本的實驗步驟分組實驗。

2.活動的實施及教師的指導策略

教師在課堂上組織學生分組實驗，必須提高課堂效率，留給學生更多的思考空間。所以，教師在實驗開始前要做好針對性的指導工作。對于很多學生不能正確使用停表的問題，教師可先將停表發給組長，由組長教授組員。生生互助的過程，傳遞的是實驗技能，傳播的是科學精神。

對于學生自主開發的用電子表格處理數據和插入點狀圖生成圖像的方法，教師可在全班推廣、分享。這既是對開發電子表格的學生的一種褒獎，也可極大地提高實驗效率，利于學生探究更多的實驗規律，增強學生的實驗探究能力。

3.誤差分析

在處理實驗數據的過程中，不同的測量人、器材和方法，甚至不同的測量時間，都會得到不同的測量結果，產生該現象的原因就是誤差。教師應引導學生深刻理解誤差的概念，感悟用求平均值的方法處理實驗數據只能減少實驗誤差而不能避免誤差的科學思想。在學生深刻理解誤差的概念之后，教師可進一步引導學生將誤差的概念與實驗結果數據的處理聯系起來，明晰實驗結果的有效數字個數超過測量值的有效數字個數是沒有意義的。在此基礎上，教師可繼續提出“較陡和較緩的斜面哪個可能引起的誤差更大”等問題，從而讓學生得出為了使下滑時間的測量數據更加準確，應該使斜面保持一個合適的坡度的結論。問題層層遞進，形成邏輯上的閉環，能鍛煉學生的科學思維。

（三）假設驗證

1.進行實驗

利用現有的實驗器材，使小車在斜面上做勻速直線運動。

2.活動的實施及教師的指導策略

在學生完成基本實驗后，針對大多數學生在調查問卷中的回答和學生的實驗結果，教師可提出問題：后半程的平均速度一定大于前半程嗎？事實上，當小車所受重力和支持力的合力與摩擦力平衡時，小車就會做勻速直線運動。這種舉反例的科學思維方法在我們探索自然規律時常常被使用，利用假設驗證，可以讓學生形成一種科學的態度。

在研究性學習中，假設驗證是最為重要的思維環節，是學生抽象思維具體化的過程。從教育心理學的角度來看，假設驗證也是青少年學生具體運算階段的重要訓練方式。任何偉大的科學發現都要依靠大膽的假設，而科學的論證才是成功的關鍵。所以，假設驗證的過程，是實實在在提升學生物理學科核心素養的過程。

（四）拓展提升

1.活動方案

將學生從教室帶到操場，用科學方法測量學生跑、走、走走停停的平均速度。組織學生在前期調查研究的基礎上，交流在日常生活中平均速度的應用，讓學生進一步加深對平均速度概念的理解，建立物理觀念。

2.活動的實施及教師的指導策略

開展研究性學習活動時，教師應注意充分發揮學生的自主性，盡可能讓學生自主進行實驗，盡量給足實驗時間，讓學生的相關實驗行為得到落實。學生有了充分的實驗活動，才能逐漸將物理觀念滲透于生活中。

學生在小組交流過程中，能認識到在很多交通工具中都出現了平均速度這個物理量，也能夠講述在公路限速、預算到校時間的情境中平均速度的概念。在這個環節里，學生自然地把平均速度的知識和技能轉化成了自己的能力和素養。

3.建立科學思維

要想深入理解平均速度這個物理概念，學生就要學會“平均”的科學思維方法。下文以例題進行深入解析。

例：一艘輪船，往返行駛于甲、乙兩碼頭間，已知甲碼頭到乙碼頭為順水，水流速度為V水，船在靜水中的速度為V船，請問船在甲、乙兩碼頭間往返一次的平均速度為多少？

通過這道習題可知，船在甲、乙兩碼頭間往返一次的平均速度小于船在靜水中的速度。可能有學生對此不太理解，錯誤地認為船的平均速度應與水流速度無關。反駁這個錯誤的認識可用極限的科學思維方法：我們假設水的速度大于船在靜水中的速度時，從甲碼頭到乙碼頭（順水）時，雖然船速很快，但從乙碼頭向甲碼頭（逆水）時，水速大于船的靜水速度，這時船根本就開不回來，所需的時間無限長。反駁這個錯誤的認識也可以用“平均”的科學思維方法：在物理學中，“平均”是一個物理量對另一物理量的累積效應。逆水時，由于時間較長，水流速度對船速的累積效應更大，所以逆水時的積累效應更大，這樣，船的在流水中的平均速度就會小于在靜水中的平均速度了。這兩種反駁的思維過程，無論是從數學方法的角度，還是從科學思維的角度，對學生物理學科核心素養的提升都具有指導意義。

三、總結

本文圍繞“平均速度”這一物理概念展開，使學生明晰“平均速度”的物理概念，建立物理觀念，提高學生的實驗探究能力，鍛煉學生的科學思維，培育學生的科學態度和責任。“平均速度”物理概念的展開平臺是研究性學習活動，研究性學習活動改變了學生被動接受的單一學習方式，更有助于學生能力和品格的養成。從物理學科知識體系來看，“平均”科學思維方法的建立，有利于學生理解瞬時速度、加速度、線速度等概念，使物理概念鏈條變得完整和統一，實現貫通教學。物理概念教學是落實物理學科核心素養培養過程中最重要且最基礎的一環，重視物理概念的內涵和外延，理清概念間的邏輯聯系，對完整的物理知識體系的建構尤為重要。

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