问题探究式校本课程“创客科学工作室”的理论与实践研究

摘 要：探索了在新课改背景下对高中物理传统教学模式的改革。以校本课程的开发设计为依托，采用了以问题为核心、基于问题探究的、在实验探究过程中提炼物理知识、培养能力的教学模式，并对此教学模式进行了实践，设计了《自行车的变速原理——圆周运动的描述》一课。

关键词：教学模式改革；校本课程；问题探究

一、基于问题探究的校本课程教学模式的理论探究

（一）基本思路

本教学模式目的是从根本上改变“灌输—接受”传统物理教学方法，转变为从分析与解决实际问题的过程中归纳出物理规律和物理知识，还原科学认知规律的本来面目，变被动为主动，提高学习效率，培养科学精神。

由于实验探究是解决实际问题的主要方法，所以此模式进一步提高了实验在物理课堂教学中的地位，并且采用了实验教学和理论教学结合的课堂教学形式，冲破教室、实验室的界限，把教室和实验室融合在一起，不再可以区分实验教学和理论课教学，把教室变成实验室或直接在实验室中进行课堂教学。

“创客”科学工作室：

基于“创客”教育理论设计的，以探究、实验、发明创造等为主要内容的校本课程，旨在培养学生的自然科学素养、创新精神和实际创造力；以工作室形式组织开展。

基本设计思路：①设置主研究项目，指导学生在规定的周期内完成。②根据课程分层理论，把主项目分解成若干不同能力层次的子项目。③根据学生个性发展需求、不同能力层次，组成不同任务小组，负责各个子项目的研究。④在研究周期内，定期开设项目分析研讨课，对各项目进展、研究心得讨论、交流、分享，对面临主要困难探讨、论证，寻求解决方案。⑤整合各子项目，完成主项目，进行试验论证，形成最终研究成果。

作为自然科学类综合校本课程，“创客”科学工作室主要依托本年级教师团队。课程开发团队成员都是本年级任课教师。学生如果不能自己解决项目研究过程中所涉及的知识基础、研究方法等方面的困难，需要求助于課程开发团队中相关学科“学术顾问”，在“学术顾问”老师的指导下解决。

“创客”科学工作室课程开发团队：

课程负责人：吴正博、申晓卫

物理学术顾问：吴正博、申晓卫（物理任课教师）

化学学术顾问：殷春燕、许晓娟（化学任课教师）

生物学术顾问：杨慧芳、杨丽萍（生物任课教师）

信息技术学术顾问：赵慧全、索玉敏（信息技术任课教师）

数学学术顾问：周灵华、李跃（数学任课教师）

通用技术学术顾问：敦志华（通用技术任课教师）

学术课程开发团队老师定期开展课程开发分析交流研讨会，汇总学生“求助”信息及“求助”过程中相关知识、能力的发展，以此为依据调整课程内容分层方式、学生小组分组方式，使课程实施过程更好地适应学生个性化发展需求。针对特定学生形成教育合力，使学生发展最优化。

（二）核心思想

问题为中心、实验课和理论课融合的分层式校本课程。

（三）基本步骤

本教学模式的基本步骤可以分为以下几步：

1.课前预习（大约用时30分钟）

上节课结束时就通知学生本节所要研究的问题以及所涉及的物理知识，并要求学生预习教材上的相应知识，或者通过网络、图书等其他途径初步学习相关知识，为本节课问题分析和探究作准备。

2.课堂教学

为使此教学模式区别于以往的高中物理课堂教学模式，主要分为以下几步，在实际的课堂教学过程中根据需要合理增减。

（1）抛出问题

设计一个问题让学生来解决。课堂教学的第一步，也是此教学模式的核心内容，即“基于问题的教学和学习过程”，所以问题的设计就至关重要，关系到这节课的效果甚至成败。对于问题的设计要符合以下要求：

问题内容本质即本节课核心内容；

问题解决过程能充分体现本节课的知识和方法；

要有较强的可操作性，适合该年龄段的高中生的思维水平；

尽量要使生产、生活联系紧密；要有趣味性。

（2）实验与探究

实验操作的目的是展示问题，探究问题，为讨论、分析、解决问题打下基础。所以，操作步骤要规范，层次要分明，要清晰地展现给大家，要以学生为主体，让学生亲自动手。

（3）讨论与交流

要使讨论与交流过程和谐有效地运行，必需注意教师、学生、教学内容及其物质载体各要素间的协同一致。这里，协同和启发的原则是十分必要的。

（4）分析、归纳

分析、归纳是得出结论的主要方法，对学生的思维能力、逻辑推理能力要求较高。通过本环节可以培养学生的逻辑推理能力。在实施过程中要充分发挥老师的课堂教学主导地位，在以学生为主体的前提下，引导好分析、归纳的方向，提高课堂的效率。

（5）总结、得出结论

（6）实验验证

通过实验验证得出的结论，首尾呼应。

（7）提炼物理规律与知识

在解决问题的过程中注重物理规律的提炼，其中所包含的物理规律、物理知识，是本教学模式在知识层面的最终目的，所以本过程非常重要，是包含在（2）至（6）整个问题解决过程中的。

（8）练习与作业

（四）与传统教学模式的差异

1.教学思路的差异：学习知识→解决问题变成了在解决实际问题中提炼知识、锻炼能力。这一顺序还原了科学认知的本来规律，学生在学习过程中兴趣度更高，主动性更强，参与更充分，成就感更强、效率更高；在解决问题的过程中学生培养了发散思维能力、逻辑推理能力、归纳总结能力、试验操作能力、创新能力和最基本的科学素养，在学知识的基础上更进一步地培养了能力，符合素质教育要求，体现出新课改的核心思想。

2.教学手段的差异：把传统的理论教学和实验教学融合。教学手段更加灵活，打破了教室和实验室之间的阻隔，使学生实验和理论学习过程中形成一个有机的整体，能够有机结合，相互影响，相互促进，符合建构主义学习观。

3.教材地位差异：在以问题为核心模式的教学方法中，教材为解决问题的参考资料之一，变学教材为用教材，改变传统的以教材为中心、死扣课本的教学方法，把教材作为唯一课程资源，另外还可以有网络资源、图书资源等，扩大了课程资源范围；在用教材的过程中也应该更加灵活，在以问题为核心的要求下，如果需要可以不必严格遵守教材的编排顺序、表述方法。

4.课堂组织形式的差异：改变了以往课堂教学中教师一言堂、教师讲、学生听的粗放的课堂组织形式，学生充分参与课堂教学的全程，并在探究过程中起主体作用；学生之间不再是各学各的互不影响，而是使交流、讨论、甚至辩论等灵活多样的沟通方式在思维的碰撞中拓宽思路，闪现新的思维的火花。

二、基于问题探究高中物理校本课程课例设计

课题：自行车的变速原理

（一）教学目标

能力目标：（1）培养解决实际问题的发散思维能力；（2）培养解决实际问题的创新能力；（3）培养用数学语言、数学方法来描述物理概念、归纳物理规律。

知识目标：（1）圆周运动概念；（2）理解线速度、角速度、周期概念；（3）理解线速度角速度周期间的关系。

（二）教学重点

线速度、角速度、周期的概念及引入的过程，掌握它们之间的联系。

（三）教学难点

对实际问题的分析、讨论、归纳过程。

（四）教学方法

实验、探究、讨论、归纳。

（五）教具准备

变速自行车；毫米刻度尺；游标卡尺；秒表；多媒体。

（六）教学活动

[课前预习]

利用课下时间约20分钟预习§5.4圆周运动，初步了解描述圆周运动的物理量以及它们之间的关系。

[抛出问题]

问题：怎样测量自行车的骑行速度？

设想：通过计算踏脚板转动的快慢，推算自行车的骑行速度。经过骑行，得到如下的数据：在时间T内踏脚板转动的圈数为N，推算自行车的骑行速度。

[实验演示]

现场演示：学生利用变速自行车演示其变速过程。

注意：提示其他学生注意观察自行车传动、变速装置，提示学生比较自行车上各部分的运动情况。

[交流与讨论]

在脚踏曲柄转动快慢恒定的情况下，自行车行进速度都与哪些因素有关呢？

学生讨论交流，分组进行.

每组选出代表发言：

生1：牙盘的大小。生2：飞轮的大小。生3：后轮的大小。生4：链条的长短……

师：刚才同学们列举了很多因素，都说得很好。那么，现在能不能再讨论一下自行车行进速度与这些因素是什么关系呢？比如：当踏曲柄快慢不变时，自行车行驶速度与牙盘大小什么关系，牙盘越大，自行车速度会越怎样呢？

讨论：……

师：我们在讨论、操作时要注意到保证其他量不变，这是什么科学实验方法呢？

生：控制变量法。

讨论结果：

实验验证：学生用变速自行车换档演示。

[分析探究]

师：之前我们只是定性研究了影响自行车速度的因素，下面我们更加准确、定量地来研究这个问题。

测量我们所需的物理量：

师：我们刚才观察，曲柄是怎样带动后轮转动的呢？

生：……

师：传动过程可表示为曲柄 牙盘 链条 飞轮 后轮

师：曲柄和牙盘转动快慢有什么关系？

生1：相同时间内转过的角大小相等。

生2：转一圈所用的时间相等……

师：我们通过预习，1同学的意思即单位时间内转过的角相等，怎样用数学方法直观准确地表示呢？

角速度：

（1）物理意义：描述质点转过的圆心角的快慢。（2）定义：在匀速圆周运动中，连接运动质点和圆心的半径转过Δθ的角度跟所用时间Δt的比值，就是质点运动的角速度。（3）定义式：ω=Δθ/Δt.

角速度的单位

国际单位制中，角速度的单位是弧度/秒（rad/s）。

可得：ω1=ω=Δθ/Δt=N/T………①

師：牙盘和链条、飞轮转动快慢有什么关系？

生1：要走多远都走多远。

生2：相同时间内转过的路程（弧长）相等。……

师：2同学的意思即转一周所用的时间，怎样用数学方法直观准确地表示呢？

周期：

定义：转一周所用时间。

符号：T

师：我们通过预习，1、2同学的意思即单位时间内转过的弧长相等，怎样用数学方法直观准确地表示呢？

（1）物理意义：描述质点沿圆周运动的快慢。（2）定义：质点做圆周运动通过的弧长Δs和所用时间Δt的比值叫做线速度。（比值定义法）（这里是弧长，而直线运动中是位移）（3）大小：v=Δl/Δt单位：m/s（s是弧长.非位移）。（4）方向；在圆周各点的切线上。

可得：v2=v1=Δs/Δt=Δθr1/Δt=ω1r1…②

则可知：ω3=ω2=v2/r2……………………③

v3=ω3r3…………………………④

综合①②③④式可得：自行车运行速度：v3=Nr1/Tr2

[归纳总结]

师：通过以上探究过程，我们可知在分析描述圆周运动时几个非常有用的物理量以及它们之间的关系，大家说说看有哪些？

生1：线速度。生2：角速度。生3：周期……

参考文献：

[1]黄国雄.趣味物理探究[M].出东科学技术出版社，2010-03.

[2]郑金洲.基于新课程的课堂教学改革[M].福建教育出版社，2003.

注：本论文为河南省教育科学“十三五”规划课题“基于年级组教师团队的分层式校本课程开发研究”部分研究成果。课题立项批准号：[2016]-JKGHB-0663。批准立项单位：河南省教育科学研究所。

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