探究性學習模式在高中物理教學中的應用

馬懷美

(云南省昆明市尋甸縣民族中學,云南 昆明 655299)

探究性學習模式是一種以學生為中心,讓學生在教師或多元化教學支架的引導驅動下主動圍繞某一問題、課題、項目以自主獨立或合作協作的方式進行科學探究的學習模式.在培養學生學科核心素養、促進學生全面發展的今天,探究性學習模式以其突出的生本化優勢被廣泛地應用到數理化生等理科性質較為突出的學科教學之中,并取得了事半功倍的成效.

1 參照學者探究方法,引領學生探究物理理論知識

理論是高中物理教學的重要組成,也是學生學習物理的基礎關鍵[1].因此,在核心素養導向下的高中物理教學中,將探究性學習模式與物理理論教學有機結合起來至關重要.教師可在具體的理論教學實踐中,積極鼓勵學生效仿、模擬物理學家的科學探究方法展開實事求是、嚴謹求真的科學探究,一來將教材中結論式的物理原理轉化為過程式的物理知識,二來讓學生通過自主探究、邏輯推理對物理理論知識形成更為深刻的印象與記憶,進而為其深度學習的實現與物理核心素養的發展夯實基礎.

例如,在指導學生學習人教版必修第一冊“自由落體運動”一課中自由落體運動規律時,教師便可利用微課技術為學生呈現著名物理學家伽利略在比薩斜塔做自由落體運動實驗的物理歷史故事,以鮮活生動的物理學家軼事調動激發學生的物理學習興趣,提升學生物理課堂的參與度.之后,教師以此為切入點,在課堂中為學生還原伽利略自由落體運動實驗:讓兩個大小不一的紙團在同一高度落下,并在下落紙團前向學生提問:“同學們,你們認為那個紙團會最先落地?”激活學生的思維,引發學生對自由落體運動的熱議,為學生物理理論知識探究活動的展開做好準備.

在學生的學習興趣與探究欲望被物理學家故事、物理演示實驗充分調動激活后,教師便可基于對學生學習水平、能力的把握將學生劃分為若干個物理探究學習小組,讓學生效仿伽利略的科學探究、邏輯推理過程展開如下物理探究:

第一,將一張草稿紙與一塊橡皮在同一高度上同時下落,猜測哪個更快落地;將草稿紙揉成很緊的紙團,重復第一步操作,觀察紙團與橡皮下落的速度是否有變化,對自由落體運動中輕物與重物下落情況作出邏輯推理.

第二,基于邏輯推理嘗試描述自由落體運動概念,預測自由落體運動屬于加速運動、減速運動抑或是勻速運動,并圍繞紙團、橡皮下落的實驗現象,對自由落體運動中物體加速度變化情況展開有理有據的科學猜想與探究假設.

第三,根據所提出的猜想假設用如圖(圖1)所示的實驗裝置研究自由落體運動的規律.

圖1 研究自由落體運動規律的實驗裝置圖

首先,將打點計時器固定在鐵架臺上;其次,將一端系有重物的紙帶穿過打點計時器;再次,用手握住紙帶的上端,啟動打點計時器,松手讓系有重物的紙帶自由下落.多次更換紙帶一端重物質量,進行多次實驗;最后,運用已知的小車運動研究經驗,自主繪制實驗數據表格,計算重物的加速度.

第四,總結歸納實驗探究結論,類比推理勻變速直線運動的基本公式及其推論,得出自由落體運動中速度、位移與時間的關系式.

在這一過程中,學生不但親身經歷了伽利略的科學探究過程,體會到了物理學家進行物理研究的科學思維方式與科學研究方法,得到了思維能力的有效提升,其在以小組合作的方式展開物理探究活動的過程中,對自由落體運動的概念、相關公式等物理理論知識也會形成相較于以往更為深刻的認識[2].這不僅有效驅動了學生被動接受式學習方式的轉化,同時也為學生高效物理學習的實現與物理學習品質的良好形成夯實了基礎.

2 構建立體實驗情境,驅動學生展開物理探究實驗

物理是一門以實驗為基礎、以研究物質基本結構、物體相互作用關系與物體運動規律為主要內容的基本自然科學[3].因此,在核心素養視域下應用探究性學習模式對高中物理教學進行創新優化時,教師就不能夠將教學眼光僅局限在理論教學層面,而是要通過積極創設立體真實物理實驗情境的方式引導學生展開探究性物理實驗,以此來驅動學生展開更深層次的物理探究學習,使其通過深入探究,得到科學思維能力的進階與物理學習品質的提升.

例如,在教學人教版必修第二冊教材《圓周運動》章節內容后,教師便可從物理學科與學生現實生活之間的關聯性出發,利用多媒體電教設備為學生呈現與人們習慣動作有關的圖像影像.如人在洗手后的甩手動作、人閱讀紙質書籍時的翻頁動作等,以此來為學生創設立體形象的教學情境,以問題“人在洗手后通常會通過甩手將手上的水珠甩掉,人的甩手動作是怎樣的?甩手動作中蘊含著怎樣的物理原理?”驅動學生圍繞這一生活現象展開思考與探究,并為學生提供人甩手動作的軌跡圖與甩手動作過程的分析圖(圖2),讓學生以小組合作的形式結合圖示自主提出與之相關的物理猜想,并展開探究性物理實驗活動:

圖2 甩手動作過程的分析圖

首先,人甩手動作的運動模型分析.人在甩手時需綜合運用上臂、前臂、手掌三個部分.從運動分析的角度來看,在進行甩手動作的過程中,上臂r1以肩關節O1為轉動軸轉動,肘關節O2以肩關節O1為圓心做圓周運動;腕關節O3是以肘關節O2為圓心,前臂r2為半徑的圓周運動;手指上水滴P則是以腕關節O3為圓心、手掌r3為半徑的圓周運動.與此同時,水滴P在繞腕關節O3做圓周運動的同時,還疊加了腕關節O3相對肘關節O2的運動與肘關節O2相對肩關節O1的相對運動.因此,水滴P的線速度較大,并且由于水滴P繞腕關節O3做圓周運動的半徑r3相對較小.所以,根據向心力公式Fn=mω2r、an=ω2r可知,如果想要通過甩手動作將手上的水滴P甩掉,需要相對較大的向心力,才能夠使水滴做離心運動,徹底飛離手指.

再次,檢驗分析實驗數據.用智能手機的加速度傳感器驗證本次探究性物理實驗數據的可信性與準確性.

最后,總結歸納探究實驗結論.人甩手動作中包含了運動的合成、圓周運動兩個物理原理.一方面,在運動的合成中涵蓋了手指對手腕、手腕對前臂以及前臂對上臂三個運動,這三個運動的疊加讓人在做甩手動作時指尖最后獲得了最大瞬時速度;另一方面,在圓周運動中,則是在手臂最后運動的一刻,指尖以腕關節為圓心做圓周運動.并且由于半徑,即手掌相對較小,指尖在此刻產生了巨大的向心加速度,最大可達到重力加速度的25倍.但水滴之間的相互作用力無法滿足這一運動的受力需求,所以人在進行甩手動作時可輕易地將手上的水滴甩掉.

在學生圍繞“人甩手動作”這一常見習慣動作展開充分、深入的物理實驗探究后,教師便可鼓勵各個探究學習小組表達與交流在本次探究性物理實驗活動中所的收獲,從而在有效深化學生物理實驗探究感悟、鍛煉學生物理探究能力的同時,讓學生更為深刻地感知與體會到物理學科與現實生活之間所存在的緊密關聯,進而生成主動運用物理知識、物理方法造福人類、建設文明社會的科學態度與社會責任,得到物理核心素養的穩定發展[4].

3 發揮小組學習優勢,促進學生合作探究解題過程

運用物理知識解決相關物理問題,不僅是高中物理教學的重難點,同樣也是造成多數高中生出現物理厭學、畏難等消極學習情緒的主要原因.這是因為物理解題不但全面考查學生對物理知識的掌握程度,同時也檢驗學生的思維能力發展水平與學以致用能力[5].因此,為在核心素養視域下的高中物理教學中更好促進學生物理學習心態的轉化,全面推進“以人為本”理念的落地,教師便可將小組合作學習模式與探究性學習模式有機銜接起來,讓學生通過對問題的合作思考、共同研討得到解題思路的清晰與解題方法的明確,進而實現高效物理解題,得到物理核心素養的提升發展.在合作探究物理問題的過程中,學生不僅能夠得到解題思路的開闊發散,其在小組合作中交換彼此解題思路與想法時,對物理規律的應用及價值也會有更深刻的理解.

總而言之,物理是一門實踐性、邏輯性與綜合性相對較為突出的學科,也是一門與學生現實生活、社會發展、現代科學技術有著密切聯系的自然科學.在核心素養視域下的高中物理教學中,將探究性學習模式與物理理論教學、物理實驗教學以及物理解題教學進行密切融合,不但是轉化學生被動接受物理學習狀態,提升高中物理教學有效性的可行路徑,同時也是培養學生物理核心素養、落實立德樹人根本教育任務的有效舉措.