吳 偉 吳成娟 楊清華

(1.南京師范大學物理科學與技術(shù)學院;2.南京市第29初級中學,江蘇南京 210036)

國外物理探究教學案例及其啟示:以W ISE為例①

吳 偉1吳成娟1楊清華2

(1.南京師范大學物理科學與技術(shù)學院;2.南京市第29初級中學,江蘇南京 210036)

本次我國基礎(chǔ)教育物理課程改革所倡導的重要理念之一就是探究教學.探究教學在國外經(jīng)歷了一個較長的發(fā)展歷程,其中許多成功的探究教學案例對于我國探究教學的發(fā)展具有重要的借鑒意義.下面通過對WISE中的一個高中物理探究教學案例的分析,探討該案例的特點,以期對我國中學物理探究教學的進一步發(fā)展有一定的啟示.

1 來自W ISE的一個物理探究教學案例

1.1 WISE簡介

WISE(W eb—based Inquiry Science Environment)是一個由美國國家自然科學基金贊助、加州大學伯克利分校等大學聯(lián)合研發(fā)的基于網(wǎng)絡(luò)的科學探究環(huán)境(網(wǎng)址:http:// w ise.berkeley.edu),其目的是利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與仿真可視化技術(shù)為4～12年級的教師和學生提供一個基于網(wǎng)絡(luò)的免費科學探究平臺.該平臺有兩種界面,其中一個是學生的探究學習活動界面,學生的探究學習活動主要由一系列的網(wǎng)絡(luò)探究學習活動(Activities)組成,每個活動又通過詳細地呈現(xiàn)學習內(nèi)容、交互交流等步驟(steps)來激勵學生進行深層次思考,從而達到讓學生積極參與、交流討論、合作反思、問題解決的目的;探究活動能夠使學生對所學物理知識多方位接觸、識別,并在解決一些具體問題的過程中達到對其的深層次理解.該平臺的另一個界面是教師的工作界面,主要由項目、管理、社區(qū)、幫助4大塊組成,可以為教師們提供探究活動的設(shè)計、開發(fā)環(huán)境,還可以對學生的探究活動進行實時監(jiān)控、在線學習評價、及時給予指導、學生賬戶管理、教師信息維護等.

WISE中已經(jīng)設(shè)計并經(jīng)過教學實踐的探究教學案例涵蓋了生物、物理、化學、地球科學、環(huán)境科學、數(shù)學等學科,其中與物理學科密切相關(guān)的項目涉及熱力學、運動學、動力學、電學、磁學等方面.W ISE所選的探究教學案例都是“學生難以理解、教師也認為極具挑戰(zhàn)性的內(nèi)容”.下面我們以《安全氣囊:是太快還是太猛烈?》內(nèi)容來介紹一下WISE中物理學科的一個具體的案例.

1.2 WISE中的一個物理探究教學案例:《安全氣囊:是太快還是太猛烈?》

此案例適用于對位移、速度、加速度等概念以及相關(guān)圖像已經(jīng)基本了解的11-12年級的學生,目的是通過對一個具體實際問題的解決達到對相關(guān)物理概念的深入理解.該項目通過讓學生觀看一段汽車碰撞障礙物實驗的視頻,分析碰撞過程中司機、乘客和氣囊運動過程及v-t圖像、s-t圖像,找出安全氣囊存在的“不安全”隱患,最后學生自己設(shè)計出更加安全的安全氣囊.該項目以探究程序鏈的方式呈現(xiàn)給學生,探究程序鏈主要包括六個活動,每一個活動中又包含若干個具體的探究步驟,其具體設(shè)計如下:

活動1:思考安全氣囊

首先讓學生觀看一段汽車碰撞障礙物實驗的視頻,讓他們討論在使用安全氣囊時,什么因素可能會使人們更加危險?為什么?案例特別提供給學生一些安全氣囊在汽車碰撞事故中致人死亡的數(shù)據(jù)資料,學生們需要通過反復觀看汽車碰撞障礙物的實驗視頻,從而發(fā)現(xiàn)問題,提出自己的假設(shè).

活動2:研究安全氣囊的運動

本活動讓學生觀看汽車碰撞障礙物實驗視頻(慢速度播放),觀察安全氣囊什么時候開始打開,什么時候打開速度達到勻速,什么時候開始減速直至完全打開.并且讓學生在計算機上畫出安全氣囊運動的v-t圖像、s-t圖像.

活動3:研究司機的運動

本活動讓學生在觀看視頻的時候思考以下問題:司機在剛發(fā)生碰撞時距離方向盤的距離、碰撞中司機向方向盤運動的速度、從發(fā)生碰撞到司機撞上方向盤經(jīng)歷的時間等,結(jié)合給出的一些相關(guān)數(shù)據(jù)資料,讓學生猜測司機的身高、性別、汽車的運行速度和司機是否會被安全氣囊傷及的關(guān)系.

活動4:學生動手做實驗

本活動的目的是讓學生找出什么條件下司機會在交通事故中受傷,并且這與安全氣囊打開的速度、運動方向以及與司機運動間的關(guān)系.學生需要畫出相關(guān)圖像,分析出自己的假設(shè),最終通過計算機模擬實驗證明自己的觀點.

活動5:設(shè)計更安全的安全氣囊

本活動是讓學生分析自己發(fā)現(xiàn)的安全氣囊的“不安全”隱患,進而找到能使其不安全隱患降到最低的方案,最后讓學生設(shè)計出自己認為更安全的安全氣囊.

活動6:利用電腦模擬

在本活動中,學生將自己設(shè)計的安全氣囊用網(wǎng)絡(luò)虛擬的汽車碰撞模擬實驗進行測試,檢測出它的安全性能,證實自己的設(shè)計是否合理及找出需要改進的地方.

以上6個活動為這個探究教學活動搭建了6個支架,每個支架又有若干探究步驟,下面我們以活動1“思考安全氣囊”為例,來介紹一下更加詳細、具體的探究步驟.

步驟1:讓學生觀看汽車碰撞障礙物實驗的視頻,使學生認識到汽車安全氣囊能在交通事故中保護人們的生命安全,以及使用安全氣囊的必要性.

步驟2:讓學生通過慢放觀看汽車碰撞障礙物實驗的視頻,通過碰撞時安全氣囊打開過程中發(fā)出的聲音,讓學生猜測安全氣囊在多長時間內(nèi)打開.

步驟3:讓學生思考安全氣囊為什么要這么快打開,是不是安全氣囊打開得越快越安全.

步驟4:提供給學生美國公路安全保險研究所1990～2004年間的關(guān)于安全氣囊的數(shù)據(jù).其中包括安全氣囊在交通事故中保護了成千上萬人的生命安全,但是在一些不嚴重的車禍中,安全氣囊卻造成246人死亡,其中包括85名司機及161名非駕駛員,司機中有64位女士,21位男士,非駕駛員中有11位成年人、127個兒童和23名嬰兒.

步驟5:結(jié)合提供的數(shù)據(jù)資料,讓學生討論安全氣囊為什么會傷到人,以及這與汽車碰撞事故發(fā)生時汽車速度和其他因素的關(guān)系;特別需要解釋在較慢速度的碰撞中安全氣囊怎么傷到人的等一系列的問題.

步驟6:讓學生猜測安全氣囊的一些“不安全”因素以及安全氣囊傷人的原因,例如是不是安全氣囊打開得太快,是不是人們在安全氣囊打開的過程中撞到安全氣囊上會更危險,是不是安全氣囊在完全打開的狀況下才能保護人們的安全等.

步驟7:讓學生再次觀看汽車碰撞障礙物實驗的視頻,來分析、驗證自己提出的原因是否合理,并最終假設(shè)出安全氣囊傷人的原因.

步驟8:針對自己分析出的原因,利用計算機模擬系統(tǒng)來證實這個原因是否合理.

(其他活動的具體步驟略去,詳見http://wise.berkeley.edu)

2 國外探究教學案例特點分析及其啟示

通過對《安全氣囊:是太快還是太猛烈?》及WISE中其他案例的分析,我們發(fā)現(xiàn)國外探究教學案例具有以下特點:

2.1 探究教學既重視物理學科知識本身的學習,也注重知識的應用和具體問題的解決

物理學與社會、生活有著極為緊密和廣泛的聯(lián)系, WISE中探究教學案例既重視物理學科知識本身的學習,同時也非常重視物理知識的應用和具體問題的解決,且探究教學案例與其社會、文化緊密聯(lián)系.眾所周知美國是一個“車輪”上的國家,“汽車文化”是美國社會文化的一個重要組成部分,《安全氣囊:是太快還是太猛烈?》案例就是以汽車中的安全氣囊問題作為探究教學的主要內(nèi)容,其既與學生的當今生活(安全坐車)相聯(lián)系,又與學生將來的生活(開車)、工作(如設(shè)計汽車、汽車保險等)等緊密聯(lián)系.當然,在探究過程中不斷地使用速度、位移等概念及其圖像解決問題對物理知識本身的學習和加深理解肯定也大有裨益.

反觀我國基礎(chǔ)教育中的物理教學,長期以來則比較重視物理學科知識本身的學習,較少考慮應用物理知識解決一些具體實際問題.這一是認識的問題,很多教師受傳統(tǒng)教學觀念的影響,將學習知識與運用知識人為地割裂開來,認為校內(nèi)主要任務是學習知識,而畢業(yè)工作以后才是運用知識的時候;二是很多教師擔心學生沒有一定的知識和能力來解決實際問題.實際上,應用知識解決一些學生力所能及的實際問題,是從不同情境和視角對所學知識的重新認知,完全有助于學生對所學知識的深入理解.

當然,我們也不能照搬國外的具體探究案例,而應該結(jié)合我國具體的國情來設(shè)計探究教學的案例.如我國是個“自行車的王國”,我們完全可以讓學生從我國實際情況出發(fā)來探究有關(guān)自行車的安全問題,例如,對于“有些國家規(guī)定騎自行車必須戴頭盔、護肘,你能否應用物理知識來分析認為這是否有必要?”、“最近工業(yè)與信息產(chǎn)業(yè)部出臺速度大于20 km/h,質(zhì)量大于40 kg的電動自行車將劃為機動車來管理,你認為這是否有必要?”等問題,都可以作為物理探究教學的案例問題,讓學生從科學的角度出發(fā),用物理知識去探究、解決這些社會生活問題,讓他們在探究過程中真切地理解所學的物理知識及其應用.

2.2 以探究程序鏈的方式幫助學生走進科學探究

探究教學使學生能夠親身經(jīng)歷探究發(fā)現(xiàn)過程,感受科學探究的樂趣與艱辛,學習解決問題的方法.但是不可回避的是,學生很難一開始就能直接走進“自由探究”的王國,他們既沒有探究的體驗、經(jīng)歷,也沒有一定的探究能力;因此,在學生探究學習的過程中,尤其是在探究教學的初期,教師應做好學生探究活動的支持者、組織者和引導者,包括鼓勵學生戰(zhàn)勝困難、肯定學生的智慧、分享學生探究的酸甜苦辣,隨時洞察學生探究過程中思維的走向,及時、恰當?shù)赜枰砸龑?更重要的是,為了使學生可以順利地走進探究活動,教師需要根據(jù)學生的知識儲備、認知水平,提出學生可實現(xiàn)的探究案例,設(shè)計出探究程序鏈及其每一個具體的探究步驟,走“引導探究”之路.這樣既不會使學生感到太難而無從入手探究,又不會讓學生有過于簡單、不屑一顧的感覺;這種一環(huán)扣一環(huán)的探究鏈不僅可以減小探究的難度,還能增大學生探究的興趣,使之不斷獲得探究的成就感.要避免“放羊式”探究教學實踐,即將探究課題告訴學生之后,就不聞不問完全讓學生自己去“探究”,學生常常不僅不能很好地實現(xiàn)探究,而且還會影響學生將來開展探究的積極性.

2.3 探究教學需要一定的技術(shù)支撐

探究教學一般都有大量的學生活動,例如進行實驗與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作等等,這些探究活動都需要花費較多的時間,然而物理教學的課堂時間又是十分有限的,有限的教學課時跟內(nèi)容繁多的知識點教學會形成了一定的矛盾,這也是當下我們開展探究教學所遇到的最大困難之一.因此,有效的探究教學需要一定的技術(shù)支撐.

首先,有了技術(shù)的支撐,探究教學的時空才得以擴展.探究教學的一些活動安排在課堂中,也有一些活動(如資源的收集等)則可以放在課外進行,且可以根據(jù)學生的興趣、愛好和特點分別進行合作探究.這樣既能節(jié)約時間,又能培養(yǎng)學生的合作意識.據(jù)一些研究報道,常規(guī)課堂大約只有15%的學生參與活動,而基于網(wǎng)絡(luò)的探究教學則可有90%學生參與其中的活動.

其次,有了技術(shù)的支撐,探究教學的效率也能得到提高,學生可以更快、更多地獲得探究教學所需要的各種資源和支持;有了技術(shù)的支撐,教師可以了解每一個學生對所學的內(nèi)容和問題的想法,這樣便可全面了解學生,有助于教師了解學生完成探究的整個過程及其存在的問題,從而進行有效的同步或異步指導和幫助.

有了技術(shù)的支撐,探究教學的內(nèi)容可以得到擴展,探究手段也可以得到加強.這樣便可使原先在中小學條件下不能進行的物理探究活動得以開展,如前面介紹的安全氣囊的探究案例,學生需要在探究過程中不斷的觀看、分析汽車碰撞實驗的視頻,當設(shè)計出“更安全”的安全氣囊后需要運用網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)來檢測其安全性能.對于這些探究活動的開展,若沒有技術(shù)手段的支持都是不可能實現(xiàn)的.

3 結(jié)語

總之,國外的探究教學案例設(shè)計時在充分考慮物理學科知識的同時,也考慮了知識的應用并與其社會文化和生活緊密聯(lián)系,結(jié)合對學生認知規(guī)律的分析,加之技術(shù)特別是信息技術(shù)的充分應用,這使得探究教學得以蓬勃發(fā)展,這給我國探究教學的進一步深化改革帶來深刻的啟示.如果加上探究教學的其他一些主要問題的解決(如探究教學的評價等),那么我國基礎(chǔ)教育中的探究教學將會獲得重大的進展及深化.

①江蘇省教育科學規(guī)劃“十一五”立項課題(編號:D/2009/01/091)“實踐視角下的中學物理探究教學及其發(fā)展研究”成果之一.

2010-07-22)