初中科学探究点滴谈

符东生

(广州市教育局教学研究室 广东 广州 510080)

《全日制义务教育物理课程标准(实验稿)》提出的课程总目标：“使学生经历基本的科学探究过程，具有初步的科学探究能力，乐于参与和科学技术有关的社会活动具有创新意识，能独立思考，勇于有根据地怀疑”美国的《国家科学教育标准》明确提出：“科学探究是指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.同时，它也指学生构建科学知识、形成科学观念、领悟科学研究方法的各种活动.”这都明确指出学生要经历科学探究过程的目的是：以“创造力”的培养为目的，以“问题解决”为学习核心，以“科学探究”为学习方式.

但科学教育领域的研究表明，学生很难在“做中学”和探究活动中理解科学本质和科学探究.广州市新课程实施也有六年，教师总感觉不少的探究课，课堂上学生热热闹闹，但课后学生并没有更多掌握物理知识和实验技能，能力也提高不大.如何设计探究问题，如何引导学生进行科学探究，如何帮助学生反思他们的探究活动，使其理性思考、批判、创造、解决问题的能力得到提高，是教师不断探索的问题.本文希望通过下述的一些案例带出一个信息：只有当教师有先进的教学理念，才能引领学生进行有效的科学探究.

1 明确而具体的问题是有效探究的起点

以下是“探究平面镜成像的特点” 探究实验活动引入时三个案例.

案例1

老师：你们猜想平面镜成像有什么特点？你们猜想像与物之间有什么关系？

学生：我猜想物和像等大.物与像的大小关系与物到镜的距离有关.

老师：你们猜想像是正立还是倒立的？像是实像还是虚像？

学生：我猜想像是虚像，像是正立的.

老师：关于平面镜成像你们还有什么猜想？

学生：像的大小与视角有关.有些像我们看不到.

案例2

老师：今天我们要探究平面镜成像的特点，你们按课本要求操作，然后把观察得到的实验数据记录在表1中.

表1

案例3

老师：今天我们实验的目的是：“为了确定平面镜所成的像所在的位置，及准确画出像形状.”请你们写出为了达到这实验目的，需要研究平面镜所成的像哪些特点？并要说明理由.

老师：请说说你想研究的内容.

学生甲：因为我们要确定像所在的位置，而这位置好像与物、平面镜的位置有关，所以我们要画出平面镜、物、像的位置.

学生乙：因为我们要准确画出像的形状，而根据我们平时照镜子，我们发现像与物是相似的.所以我们要找出物与像的大小关系.还要知道其上下左右有没有颠倒.

老师：上下左右有没有颠倒的意思是什么?

学生乙：像对于物是正立还是倒立，像的左边，是不是物的右边.

学生丙：实验目的是描出像的形状，如果我们用白纸在平面镜的后面承接像，再按它的样子描下就可以知道像的形状，白纸所在的位置就是像的位置.

探究是个体围绕着问题或任务进行的一种探索活动.探究是解决问题的过程，确定问题的焦点所在，把问题具体化是探究的第一步.案例1中学生只是根据日常生活的经验，没有目的进行猜想，他们根本不知道为什么要探究像与物到平面镜距离，为什么要比较像与物的大小.而且这种只有发散思维，没有要求学生对发散思维得到的猜想进行理性思考，学生的猜想可能脱离“主题”.而且因为没有明确、具体的探究问题，完成此实验后学生的能力不会有多大的提高.案例2,学生只是按课本所列的实验步骤重复一次学生得到的只是表层的知识.他们不清楚每一个实验步骤目的，不明白得到实验数据有什么关联性，如实验为什么要进行四次，这四次实验物是否都放在同一位置，还是物要放在不同的位置.完成实验后，科学探究的方法学生没有掌握多少，学生独立解决问题的能力并没有得到多大的提高.案例3教师开门见山先给出一个明确而具体的探究问题，让学生能聚焦问题的最重要的元素，考虑自己要知道、想知道、已知道的事项，这样学生的思考、探究都会有一主方向.老师与学生一起讨论可以细化其发散思考得到的一些猜想进行，学生会明确要解决的问题，而且能根据问题思考探究的步骤(如案例3中，学生提出用白纸在平面镜后面承接像，我们通过对他提出的方案进行分析就很容易引导学生知道实验为什么要用玻璃代替平面镜，为什么要选用两根相同的蜡烛做实验).

案例3经过上述的教学活动后，师生就有以下一段对话：

学生：老师实验器材不应用蜡烛，应选用两个一样的不规则物体.

老师：为什么不用蜡烛？

学生：物的形状不能是规则的，不然无法判断物与像是否有左右颠倒.选用正方体更不行，因为那样就无法判断像是正立还是倒立.

从学生与老师这段对话我们可以感受到，一个明确而具体的探究问题，对探究活动的顺利进行，对培养学生科学探究能力是何其重要.

2 科学探究的设计要有利于学生发现、总结物理知识的探究“情景”

老师要设计有效的科学探究活动不仅帮助学生知道物理知识，更重要的让学生能够运用观察、推理、解释资料等科学探究的基本技能解决问题.

笔者在观课过程就出现过以下的场面.

老师先让学生看到试管底部有固态的碘，然后把试管放在酒精灯上加热，当试管出现紫色的蒸气时，老师直接给出升华的定义.

当时就有学生在下面说：“老师你把试管拿过来给我看看，可能是碘从固态变为液态，然后再变为气态，这过程时间太短了，你在讲台上做实验，我看不清.”

若我们的实验作用只是引起学生的短暂的兴趣，只是为了活跃气氛，实验现象无法让学生用物理规律进行解释，实验过程没有要求学生对观察的现象进行分析和归纳，就直接给出概念，时间长了，学生不单没有学会解决问题的科学方法，而且会不经思考地接收知识，养成人云我也云的习惯.其实课堂上学生的质疑是很好的.设计帮助学生建构物理知识的教学活动不仅有助于学生了解物理本质，还让学生学会运用物理规律解决问题.在上述的案例中，我们如何让学生知道加热固态碘时，试管内出现的碘蒸气，是直接从固态碘来的，而不是固态的碘先变为液态然后再变为气态呢？

以下是有关这实验的两个教学设计.

设计1

用酒精灯加热装了碘的试管(图1).学生看到试管上方出现碘蒸气，然后再把另一支装了碘的试管放到热水中(图2)， 学生也看到试管上方出现了碘蒸气.老师给出以下的资料：碘的熔点是114℃，沸点是184.35℃，水的沸点是100℃，酒精灯火焰温度约为400℃.

图1 图2

让学生思考以下问题：你认为哪一个实验更能说明碘吸热后是直接从固态变为气态，而不是由固态变为液态再变为气态的呢？

根据所给的资料，学生运用学过的相关知识分析得知酒精灯直接加热，温度很容易超过碘的熔点、沸点.而水的沸点是100℃，因此碘在水中加热，其温度不会超过100℃，说明碘不会出现熔化现象；所以用热水加热的实验更能说明试管中出现的碘蒸气是直接从固态碘而来的.

设计2

若学生的基础比较好，可以给出“碘的熔点是114℃，沸点是184.35℃，水的沸点是100℃，酒精灯火焰温度约为400℃”的资料，让学生设计实验证明碘吸热后直接从固态变为气态，而不是由固态变为液态再变为气态.

教师应多设计有利于学生按其逻辑思维掌握物理概念的教学活动.学生通过设计实验或根据资料做出合理的推导等活动，不仅仅用理解替代记忆掌握物理概念，而且学会如何设计实验解决自己心中的疑惑，更重要的是学生的物理思维能力能得到提高，学生学会了批判性思考.

3 科学探究要培养学生抽象思维能力

美国教育家杜威曾经指出，探究是“对任何一种信念或假设的知识进行积极、持续、审慎的思考”.其实除了实验探究，还可以设计一些理论探究，以培养学生的抽象思维能力.如浮力一课，课本是希望得出阿基米德原理的表达式F浮=G排，而不是F浮=ρgV排.但这节课常看到以下的引入实验：把一空的饮料罐放入水中，然后用力下压，让学生感受饮料罐所受浮力变化，并观察水位的变化.经过此实验，学生总是猜想物体所受浮力与所排的液体体积有关，可能与液体的密度有关，很少有学生可以猜想物体所受浮力与所排开的液体所受重力有关.

本节课可以尝试采用理论探究.例如，“想象在一大池静水中用薄膜把一团水包围起来，这一团水在水里同其他部分处于平衡状态，因此它受到周围的水给它一个力，这个力的大小和重力一样，只是方向朝上，周围的液体所施加的力叫做浮力.浮力等于被包围的水的重量，其方向向上.若薄膜外围的水‘并不知道’薄膜里包的是什么，它可以是一个乒乓球，或一个玻璃球，无论你放进任何密度大小只要与薄膜内原来水一样体积的物体，它都会受到大小等于同体积的液体的重力，方向永远向上的浮力”.参考此资料引导学生理论探究得出阿基米德原理.学生经历了理性思考和严谨的逻辑推理，其解决问题的能力一样能得到提高.

4 学生应用科学概念、科学方法解决实际问题就是一种科学探究

现在课堂上的探究一般只是新授课.其实无论是那种课型，哪一个教学环节教师都可以根据需要，依问题解决的历程设计教学活动，或在任何教学环节中运用能促进能力提高的活动.如人教版的初二教材中有一习题：将耳朵贴在长铁管的一端，让另外一个人敲一下铁管的另一端，你会听到几个敲打的声音？亲自试一试，并说出其中的道理.

若我们只是简单地告诉学生，因为此时有两种传播介质，声音在两种不同的介质中传播速度不同，所以会听到两次响声，学生只是简单知道一些现象，但没有学会应用物理知识解决问题.其实这是一个很好的探究的素材，我们可以从下述的问题引导学生进行探究.

(1)人耳怎样才能接收到声音？

(2)人耳分辨两个声音所需要的时间间隔是多少？

经过这样的引导学生就不会简单地认为听到二个敲打声.以下是一学生经过上述点拨后写出的答案.

在这一题中,我们要考虑声音的三方面:声源、传播过程、人耳.而声源只有一个，人耳也是考虑健全的耳朵，而我们要知道两种声音间隔0.1 s才可分辨出两种声音.所以要考虑长铁管的长度，还要考虑有多少种介质传播声音，最后我们把声音的能量考虑为无限大.

(1)当长铁管内没有水的时候，有两种介质传播声音，即空气和铁管，而两者的速度分别是340 m/s和5 200 m/s.当长铁管长于36.37 m时，铁管传的声音比空气快0.1 s以上，则能听到两种声音.

(2)当长铁管装满水时，则有三种介质传播声音， 即空气、 水和铁管， 传播速度分别为340 m/s、

1 500 m/s和5 200 m/s.当长铁管长于44 m时，水传的声音比空气快0.1 s以上， 铁管比水传的声音快

0.1 s以上，则能听到三种声音；长铁管长于36.37 m短于44 m，则听到两种声音；短于36.37 m，则只能听到一个声音.

探究完本习题后，可以接着让学生阅读本章书的“科学世界”栏目给出的资料：站在天坛圜丘天心石上说话会感觉声音比较洪亮.此时学生很容易就能运用物理知识解释，站在圜丘天心石说话时为什么不是听到回声而是感觉声音比较洪亮的现象.

从学生答案可以知道，只要教师理解科学探究的本质，则能利用好各种素材，设计探究问题，让学生先发散性思考，提出他们的想法和解决问题的方案及方法；随后通过讨论和分析，让学生运用所学的知识评价他们提出的各种方案及方法.这种先发散后收敛的思维模式可以在探究的各阶段循环使用，经过长时间地培养，学生解决问题的能力会得到提高的.

上述的案例不一定可以在其他课堂重复，但它们可以引起我们的思考.我们是要掌握前人留下的物理知识，但在学习前人留下的知识时更重要学会像前人一样会思考，却不是简单地重复前人思维过程.所以教师引导学生进行科学探究时，要在思考的关键点做好示范和引导.只有这样，不断地让学生运用所学的知识探究和解决问题，学生才会习惯用科学的方法进行探讨和论证，养成科学思考的习惯，学会应用所学的物理知识解决问题，学生的理性思考、独立解决问题的能力、创造力才能得到较大的提高.