探究性学习模式在高中物理教学中的应用

马怀美

(云南省昆明市寻甸县民族中学,云南 昆明 655299)

探究性学习模式是一种以学生为中心,让学生在教师或多元化教学支架的引导驱动下主动围绕某一问题、课题、项目以自主独立或合作协作的方式进行科学探究的学习模式.在培养学生学科核心素养、促进学生全面发展的今天,探究性学习模式以其突出的生本化优势被广泛地应用到数理化生等理科性质较为突出的学科教学之中,并取得了事半功倍的成效.

1 参照学者探究方法,引领学生探究物理理论知识

理论是高中物理教学的重要组成,也是学生学习物理的基础关键[1].因此,在核心素养导向下的高中物理教学中,将探究性学习模式与物理理论教学有机结合起来至关重要.教师可在具体的理论教学实践中,积极鼓励学生效仿、模拟物理学家的科学探究方法展开实事求是、严谨求真的科学探究,一来将教材中结论式的物理原理转化为过程式的物理知识,二来让学生通过自主探究、逻辑推理对物理理论知识形成更为深刻的印象与记忆,进而为其深度学习的实现与物理核心素养的发展夯实基础.

例如,在指导学生学习人教版必修第一册“自由落体运动”一课中自由落体运动规律时,教师便可利用微课技术为学生呈现著名物理学家伽利略在比萨斜塔做自由落体运动实验的物理历史故事,以鲜活生动的物理学家轶事调动激发学生的物理学习兴趣,提升学生物理课堂的参与度.之后,教师以此为切入点,在课堂中为学生还原伽利略自由落体运动实验:让两个大小不一的纸团在同一高度落下,并在下落纸团前向学生提问:“同学们,你们认为那个纸团会最先落地?”激活学生的思维,引发学生对自由落体运动的热议,为学生物理理论知识探究活动的展开做好准备.

在学生的学习兴趣与探究欲望被物理学家故事、物理演示实验充分调动激活后,教师便可基于对学生学习水平、能力的把握将学生划分为若干个物理探究学习小组,让学生效仿伽利略的科学探究、逻辑推理过程展开如下物理探究:

第一,将一张草稿纸与一块橡皮在同一高度上同时下落,猜测哪个更快落地;将草稿纸揉成很紧的纸团,重复第一步操作,观察纸团与橡皮下落的速度是否有变化,对自由落体运动中轻物与重物下落情况作出逻辑推理.

第二,基于逻辑推理尝试描述自由落体运动概念,预测自由落体运动属于加速运动、减速运动抑或是匀速运动,并围绕纸团、橡皮下落的实验现象,对自由落体运动中物体加速度变化情况展开有理有据的科学猜想与探究假设.

第三,根据所提出的猜想假设用如图(图1)所示的实验装置研究自由落体运动的规律.

图1 研究自由落体运动规律的实验装置图

首先,将打点计时器固定在铁架台上;其次,将一端系有重物的纸带穿过打点计时器;再次,用手握住纸带的上端,启动打点计时器,松手让系有重物的纸带自由下落.多次更换纸带一端重物质量,进行多次实验;最后,运用已知的小车运动研究经验,自主绘制实验数据表格,计算重物的加速度.

第四,总结归纳实验探究结论,类比推理匀变速直线运动的基本公式及其推论,得出自由落体运动中速度、位移与时间的关系式.

在这一过程中,学生不但亲身经历了伽利略的科学探究过程,体会到了物理学家进行物理研究的科学思维方式与科学研究方法,得到了思维能力的有效提升,其在以小组合作的方式展开物理探究活动的过程中,对自由落体运动的概念、相关公式等物理理论知识也会形成相较于以往更为深刻的认识[2].这不仅有效驱动了学生被动接受式学习方式的转化,同时也为学生高效物理学习的实现与物理学习品质的良好形成夯实了基础.

2 构建立体实验情境,驱动学生展开物理探究实验

物理是一门以实验为基础、以研究物质基本结构、物体相互作用关系与物体运动规律为主要内容的基本自然科学[3].因此,在核心素养视域下应用探究性学习模式对高中物理教学进行创新优化时,教师就不能够将教学眼光仅局限在理论教学层面,而是要通过积极创设立体真实物理实验情境的方式引导学生展开探究性物理实验,以此来驱动学生展开更深层次的物理探究学习,使其通过深入探究,得到科学思维能力的进阶与物理学习品质的提升.

例如,在教学人教版必修第二册教材《圆周运动》章节内容后,教师便可从物理学科与学生现实生活之间的关联性出发,利用多媒体电教设备为学生呈现与人们习惯动作有关的图像影像.如人在洗手后的甩手动作、人阅读纸质书籍时的翻页动作等,以此来为学生创设立体形象的教学情境,以问题“人在洗手后通常会通过甩手将手上的水珠甩掉,人的甩手动作是怎样的?甩手动作中蕴含着怎样的物理原理?”驱动学生围绕这一生活现象展开思考与探究,并为学生提供人甩手动作的轨迹图与甩手动作过程的分析图(图2),让学生以小组合作的形式结合图示自主提出与之相关的物理猜想,并展开探究性物理实验活动:

图2 甩手动作过程的分析图

首先,人甩手动作的运动模型分析.人在甩手时需综合运用上臂、前臂、手掌三个部分.从运动分析的角度来看,在进行甩手动作的过程中,上臂r1以肩关节O1为转动轴转动,肘关节O2以肩关节O1为圆心做圆周运动;腕关节O3是以肘关节O2为圆心,前臂r2为半径的圆周运动;手指上水滴P则是以腕关节O3为圆心、手掌r3为半径的圆周运动.与此同时,水滴P在绕腕关节O3做圆周运动的同时,还叠加了腕关节O3相对肘关节O2的运动与肘关节O2相对肩关节O1的相对运动.因此,水滴P的线速度较大,并且由于水滴P绕腕关节O3做圆周运动的半径r3相对较小.所以,根据向心力公式Fn=mω2r、an=ω2r可知,如果想要通过甩手动作将手上的水滴P甩掉,需要相对较大的向心力,才能够使水滴做离心运动,彻底飞离手指.

再次,检验分析实验数据.用智能手机的加速度传感器验证本次探究性物理实验数据的可信性与准确性.

最后,总结归纳探究实验结论.人甩手动作中包含了运动的合成、圆周运动两个物理原理.一方面,在运动的合成中涵盖了手指对手腕、手腕对前臂以及前臂对上臂三个运动,这三个运动的叠加让人在做甩手动作时指尖最后获得了最大瞬时速度;另一方面,在圆周运动中,则是在手臂最后运动的一刻,指尖以腕关节为圆心做圆周运动.并且由于半径,即手掌相对较小,指尖在此刻产生了巨大的向心加速度,最大可达到重力加速度的25倍.但水滴之间的相互作用力无法满足这一运动的受力需求,所以人在进行甩手动作时可轻易地将手上的水滴甩掉.

在学生围绕“人甩手动作”这一常见习惯动作展开充分、深入的物理实验探究后,教师便可鼓励各个探究学习小组表达与交流在本次探究性物理实验活动中所的收获,从而在有效深化学生物理实验探究感悟、锻炼学生物理探究能力的同时,让学生更为深刻地感知与体会到物理学科与现实生活之间所存在的紧密关联,进而生成主动运用物理知识、物理方法造福人类、建设文明社会的科学态度与社会责任,得到物理核心素养的稳定发展[4].

3 发挥小组学习优势,促进学生合作探究解题过程

运用物理知识解决相关物理问题,不仅是高中物理教学的重难点,同样也是造成多数高中生出现物理厌学、畏难等消极学习情绪的主要原因.这是因为物理解题不但全面考查学生对物理知识的掌握程度,同时也检验学生的思维能力发展水平与学以致用能力[5].因此,为在核心素养视域下的高中物理教学中更好促进学生物理学习心态的转化,全面推进“以人为本”理念的落地,教师便可将小组合作学习模式与探究性学习模式有机衔接起来,让学生通过对问题的合作思考、共同研讨得到解题思路的清晰与解题方法的明确,进而实现高效物理解题,得到物理核心素养的提升发展.在合作探究物理问题的过程中,学生不仅能够得到解题思路的开阔发散,其在小组合作中交换彼此解题思路与想法时,对物理规律的应用及价值也会有更深刻的理解.

总而言之,物理是一门实践性、逻辑性与综合性相对较为突出的学科,也是一门与学生现实生活、社会发展、现代科学技术有着密切联系的自然科学.在核心素养视域下的高中物理教学中,将探究性学习模式与物理理论教学、物理实验教学以及物理解题教学进行密切融合,不但是转化学生被动接受物理学习状态,提升高中物理教学有效性的可行路径,同时也是培养学生物理核心素养、落实立德树人根本教育任务的有效举措.