1 对物理教学中科学探究的一些认识(一) ——科学探究的含义、分类 刘 锋 （物理通报杂志社 河北 保定 071002）
注重科学探究，关注过程，是新课标与旧大纲的重要区别.这是科学教育本质的一次飞跃.科学探究是新课程标准的基本理念之一，科学探究已被列入内容标准，既是学生的学习目标，又是重要的教学方式之一.那么，什么是科学探究?怎样进行科学探究呢?这是进行课程改革必须回答的问题.下面根据本人编写教科版新课标物理教材中的体会，对科学探究谈一些认识. 1 科学探究的含义 探究(inquiry)一词起源于拉丁文的in和quaerere，是“求索知识或信息,特别是求真的活动；是搜寻、研究、调查、检验的活动；是提问和质疑的活动.”（《牛津英语词典》）美国《国家科学教育标准》对科学探究是这样表述的：“科学探究指的是科学家们用来研究自然界并根据研究所获事实证据做出解释的各种方式.科学探究也指的是学生构建知识、形成科学观念、领悟科学研究方法的各种活动.” 可见，科学探究可以有双层含义：一是指科学家的探究活动，一是指学生的探究性学习. 在中学物理教学中，科学探究主要指学生的探究性学习.学生的探究与科学家的探究有相似之处，但也有本质区别.科学家探究的目的是认识新现象，发现新规律.学生的探究不是对科学家探究活动的简单模仿，学生的探究是在老师指导下、以问题为导向、学生亲自经历问题的解决过程，从情感和智力上充分投入的一种学习活动. 物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学.但是，物理学不仅仅是一些事实和理论组成的科学体系，它还体现着思考和探索我们周围世界的方式，记录着人类探索自然的历程，是改变世界的科学. 人类有两种最基本的学习方式：一是通过老师的传授，让学习者系统地“接受”知识，叫做“接受性学习”；二是通过学习者体验、经历解决问题的过程，自主建构自己的知识体系，此即“探究性学习”.这两种学习方式对学生的发展有不同的价值.“接受性学习”是以演绎法为主的学习方法；“探究性学习”要求学习者经历从感性到理性的认识过程，是以归纳法为主的学习方法.演绎法和归纳法是科学研究最基本的方法，所以“接受性学习”和“探究性学习”都是必不可少的学习方式. 中学生特别是初中学生的认知特征是以形象、具体的感性认识为主，这就意味中学物理的学习应以“探究性学习”为主.但是，过去学生的学习方式主要采用“接受性学习”，与学生的认知结构不相适应，从而造成了难以把结论和学生的生活经验相联系，难以形成浓厚的兴趣、长久的学习动力和创新意识，这是学生感到物理难学的根源.“探究性学习”展示了学习者由感性到理性，最终归纳出结论的探究过程.在这种体现归纳法的物理学习中，通过科学探究“展开”过程，让学生既能看到结论，也能领略到探究过程的曲折和艰辛；让学生既能感受到成功的愉悦，又能体验到物理的魅力，从中汲取精神动力.这是中学生学习物理的主要方式. 建构主义理论认为，学习是一个不断建构和发展的过程.学习过程是通过学习者与外部环境相互作用，实现同化和顺应，来逐步建构有关外部世界知识的过程.学习者若能利用自己原有的认知结构中的有关知识与经验去“同化"新知识，便能赋予新知识以某种意义；如果经验不能“同化"新知识，则要通过“顺应"对原有认知结构进行改造与重组.学习者正是在同化和顺应中不断建构和完善其认知结构，实现认知的发展.可见，物理教学活动应该是让学生主动去体验、经历过程，这是因为通过体验、经历，能最有效地使新知识与学生原有经验相互作用，进行“同化”或“顺应”.这是中学物理教学中强调要关注过程，进行科学探究的理论基础. 2 科学探究的要素 物理教学中的科学探究是以探索未知问题为学习目标，通过一系列自主活动过程，得到结论的 2
学习方式.一般来说，从情景中发现问题是科学探究的开始.解决问题常常需要提出猜想和假设.为了验证或证伪，就得搜索证据.通过各种渠道得到证据后，还需经过分析和处理才能得出结论.对得出的结论，还必须进行批判性地思考，对其进行评价.据此，课标中提出了科学探究有七大要素：提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作. 科学探究的要素不能等同于探究的环节，这是因为科学探究的形式是多种多样的，科学探究的一些要素常常是互相联系的，并不是一个过程的不同环节.例如，在科学探究的一般模式中，讨论交流贯穿了整个探究的始终，制定的计划需要评价来参与，实验中也常常通过评价修改实验方案，在分析论证、得出结论过程中也离不开评价.
图1 科学探究的一般过程模式 科学探究不是学习科学的简单程序，需要将物理知识、科学方法和理性思维融于学生的情境之中，与学生的生活经验或实验观察相结合，学生主动探究，积极探究，这才是学生的探究性学习. 在中学物理教学中，“探究什么？”是科学探究中的一个首要问题.就科学探究而言，探究是对未知内容的认知过程.对于已知知识，不能激发探究者的探究激情，这种探究对学生意义不大！例如，如果你问学生：“光是怎样传播的？”学生会告诉你，光是沿直线传播的.如果你继续让学生将激光束射向空气，在水中传播，在玻璃中传播„„这一系列实验，很难激发学生的探究热情.在教育科学出版社出版的物理教材（8年级上册第52页）中，提出的探究问题是：“光总是沿直线传播吗？”然后引导学生将激光束射向光滑桌面，从空气进入水中，从空气进入玻璃中，观察传播方向在界面处有没有变化，在不均匀的糖水是不是还沿直线传播„„这些实验的结果，容易激发学生的探究欲望.可见，科学探究是探究学生未知的东西，或认识模糊的东西.学生已经认识很清楚的东西，就没有必要去探究！这可以叫做“探新不探旧”. 3 科学探究的分类 学生的探究不同于科学家的探究.学生的探究是一种学习活动，从科学探究的内容来看，不 仅规律需要探究，概念的建立过程也应该进行探究，知识的应用也可以探究. 例如：“密度”对于初二学生来说，是一个比较抽象、比较难懂的概念.为了使学生更好地理解密度概念，教科版物理教材（8上第117页）设计了对密度概念建立过程的实验探究：(1)创设情景，让学生观察两个材料不同，大小、形状相同的勺子，或者观察两杯体积相同的不同液体，很多学生会问：怎样来鉴别物质的组成呢？(2)引导学生收集生活中的一些小物品，分成几个小组，通过实验测量、计算1 cm3各种物体的质量.(3)每个小组的测量结果数据量少，总结不出规律，通过汇总各小组数据，进行比较，可显示出规律性的结论：1 cm3质量相同的物体都是由相同的材料组成的.（4）根据上面结论，学生悟出“1 cm3物体的质量”可以区别不同的物质，是一个描述物质特性的物理量，由此给出密度的概念.这样来学习比直接告诉学生密度的定义深刻得多. 对知识应用的探究可以有多种形式，例如教科版物理教材中的“密度知识应用交流会”（8上第122页）、“电路创新比赛”（9上第61页）、“我的设计：打捞中山舰”（8下第82页）等. 既然学生的探究是一种学习活动，就需要学生有探究的基础，需要学生有目的、有步骤地学习.这就要求指导者对探究的设计应该循序渐进，探究活动的开展要有基础，要有层次. 为教学过程的顺利开展，教科版物理在第一章、第二章中，首先给了学生理性思维的工具（能量的观点，分子、原子结构的初步知识），进行了实验探究的准备（测量的初步知识、建立家庭物理 3
实验室），这是开展科学探究的基础. 从指导学生学习的角度来看，学生的科学探究，其探究过程可以从只涉及部分要素逐渐过渡到涉及所有的要素.对比较完整的科学探究活动可分为以下类型： (1)示范型探究 探究需要学习，示范性探究是学生学习科学探究的范例.例如，“平面镜成像规律”的探究，是学生遇到的第一个比较完整的科学探究，在整个初中物理探究性学习中起示范作用，因此教学要解决的一个问题是要学习实验探究的基本思路.教科版物理教材（8上第95页）中是这样陈述的： 小聪和小明每天都要照镜子．关于平面镜里的像，他们有不同的看法．小聪觉得，在平面镜中，自己的像比自己要小．小明把手放在镜子上，看到平面镜中手的像和手一样大，二人争论不已． 为了弄清这个问题，小聪和小明决定设计实验来探究．小明在桌上铺一张白纸，纸上竖了一块平面镜，在镜前放了一支点燃的蜡烛．可是手不能伸到镜中，怎样来测量镜中的像呢？ 小明把平面镜换成玻璃板．看！玻璃板后面出现了一支点燃的蜡烛．把手伸过去…… 确定了像的位置后，小聪拿出一支没有点燃的相同蜡烛，竖直在玻璃板后面移动，果然观察到蜡烛和像完全重合．小明的看法得到了证实． „„ 这个探究中，教材对探究过程的叙述比较完整、详细，目的在于对学生起到较好示范作用.但 是，这并不只是学生探究性学习的记录，探究中的许多重要环节留有学生自主学习的空间，需要学生经历一定的自主学习. (2)有“路标”引导的开放型探究 什么是路标？为了落实探究目标，使学生在探究过程中，既有充足的自主活动空间，又不会迷失方向而盲目探究，在探究过程中给学生设一些提示、对话、实验片断、学生的设计等. 例如，在教科版物理教材“固体熔化过程的规律”（8上第95页）的探究中，通过创设情景提出要探究的问题后，教材是这样叙述的： 为了研究这个问题，他们从实验室找来了冰、海波、蜂蜡、松香等材料，分成若干组，每组选取一种晶体和非晶体，分别用图2的装置进行实验探究． 这是一个开放性的自主探究，为了使结论具有普遍性，各组所选研究材料可能不尽相同.实验中怎样加热?在熔化过程中需要关注什么现象？停止加热后， 熔化过程可能怎样变化？如果没有“路标”的引导，实验探究很难在规定时间内完成.所以 教材中以实验片断和对话的形式设置了以下路标： 小聪的实验片段 小聪把盛有-5 ℃左右冰的试管，放在30 ℃左右的温水中加热．每隔半分钟记录一次温度，填入表1．
表1 冰的熔化过程
很快，冰开始熔化了…… “冰里温度计的液柱怎么不动了，是不是坏了？”小聪惊叫． “我的温度计的液柱也不动了！”许多同学感到疑惑． 小明的实验片段 小明在观察海波的熔化时，将试管从60℃左右的热水中拿出，熔化停止了．
时间/min 冰的温度/℃ 状态
图1