吴 伟 吴成娟 杨清华

(1.南京师范大学物理科学与技术学院;2.南京市第29初级中学,江苏南京 210036)

国外物理探究教学案例及其启示:以W ISE为例①

吴 伟1吴成娟1杨清华2

(1.南京师范大学物理科学与技术学院;2.南京市第29初级中学,江苏南京 210036)

本次我国基础教育物理课程改革所倡导的重要理念之一就是探究教学.探究教学在国外经历了一个较长的发展历程,其中许多成功的探究教学案例对于我国探究教学的发展具有重要的借鉴意义.下面通过对WISE中的一个高中物理探究教学案例的分析,探讨该案例的特点,以期对我国中学物理探究教学的进一步发展有一定的启示.

1 来自W ISE的一个物理探究教学案例

1.1 WISE简介

WISE(W eb—based Inquiry Science Environment)是一个由美国国家自然科学基金赞助、加州大学伯克利分校等大学联合研发的基于网络的科学探究环境(网址:http:// w ise.berkeley.edu),其目的是利用网络信息技术与仿真可视化技术为4～12年级的教师和学生提供一个基于网络的免费科学探究平台.该平台有两种界面,其中一个是学生的探究学习活动界面,学生的探究学习活动主要由一系列的网络探究学习活动(Activities)组成,每个活动又通过详细地呈现学习内容、交互交流等步骤(steps)来激励学生进行深层次思考,从而达到让学生积极参与、交流讨论、合作反思、问题解决的目的;探究活动能够使学生对所学物理知识多方位接触、识别,并在解决一些具体问题的过程中达到对其的深层次理解.该平台的另一个界面是教师的工作界面,主要由项目、管理、社区、帮助4大块组成,可以为教师们提供探究活动的设计、开发环境,还可以对学生的探究活动进行实时监控、在线学习评价、及时给予指导、学生账户管理、教师信息维护等.

WISE中已经设计并经过教学实践的探究教学案例涵盖了生物、物理、化学、地球科学、环境科学、数学等学科,其中与物理学科密切相关的项目涉及热力学、运动学、动力学、电学、磁学等方面.W ISE所选的探究教学案例都是“学生难以理解、教师也认为极具挑战性的内容”.下面我们以《安全气囊:是太快还是太猛烈?》内容来介绍一下WISE中物理学科的一个具体的案例.

1.2 WISE中的一个物理探究教学案例:《安全气囊:是太快还是太猛烈?》

此案例适用于对位移、速度、加速度等概念以及相关图像已经基本了解的11-12年级的学生,目的是通过对一个具体实际问题的解决达到对相关物理概念的深入理解.该项目通过让学生观看一段汽车碰撞障碍物实验的视频,分析碰撞过程中司机、乘客和气囊运动过程及v-t图像、s-t图像,找出安全气囊存在的“不安全”隐患,最后学生自己设计出更加安全的安全气囊.该项目以探究程序链的方式呈现给学生,探究程序链主要包括六个活动,每一个活动中又包含若干个具体的探究步骤,其具体设计如下:

活动1:思考安全气囊

首先让学生观看一段汽车碰撞障碍物实验的视频,让他们讨论在使用安全气囊时,什么因素可能会使人们更加危险?为什么?案例特别提供给学生一些安全气囊在汽车碰撞事故中致人死亡的数据资料,学生们需要通过反复观看汽车碰撞障碍物的实验视频,从而发现问题,提出自己的假设.

活动2:研究安全气囊的运动

本活动让学生观看汽车碰撞障碍物实验视频(慢速度播放),观察安全气囊什么时候开始打开,什么时候打开速度达到匀速,什么时候开始减速直至完全打开.并且让学生在计算机上画出安全气囊运动的v-t图像、s-t图像.

活动3:研究司机的运动

本活动让学生在观看视频的时候思考以下问题:司机在刚发生碰撞时距离方向盘的距离、碰撞中司机向方向盘运动的速度、从发生碰撞到司机撞上方向盘经历的时间等,结合给出的一些相关数据资料,让学生猜测司机的身高、性别、汽车的运行速度和司机是否会被安全气囊伤及的关系.

活动4:学生动手做实验

本活动的目的是让学生找出什么条件下司机会在交通事故中受伤,并且这与安全气囊打开的速度、运动方向以及与司机运动间的关系.学生需要画出相关图像,分析出自己的假设,最终通过计算机模拟实验证明自己的观点.

活动5:设计更安全的安全气囊

本活动是让学生分析自己发现的安全气囊的“不安全”隐患,进而找到能使其不安全隐患降到最低的方案,最后让学生设计出自己认为更安全的安全气囊.

活动6:利用电脑模拟

在本活动中,学生将自己设计的安全气囊用网络虚拟的汽车碰撞模拟实验进行测试,检测出它的安全性能,证实自己的设计是否合理及找出需要改进的地方.

以上6个活动为这个探究教学活动搭建了6个支架,每个支架又有若干探究步骤,下面我们以活动1“思考安全气囊”为例,来介绍一下更加详细、具体的探究步骤.

步骤1:让学生观看汽车碰撞障碍物实验的视频,使学生认识到汽车安全气囊能在交通事故中保护人们的生命安全,以及使用安全气囊的必要性.

步骤2:让学生通过慢放观看汽车碰撞障碍物实验的视频,通过碰撞时安全气囊打开过程中发出的声音,让学生猜测安全气囊在多长时间内打开.

步骤3:让学生思考安全气囊为什么要这么快打开,是不是安全气囊打开得越快越安全.

步骤4:提供给学生美国公路安全保险研究所1990～2004年间的关于安全气囊的数据.其中包括安全气囊在交通事故中保护了成千上万人的生命安全,但是在一些不严重的车祸中,安全气囊却造成246人死亡,其中包括85名司机及161名非驾驶员,司机中有64位女士,21位男士,非驾驶员中有11位成年人、127个儿童和23名婴儿.

步骤5:结合提供的数据资料,让学生讨论安全气囊为什么会伤到人,以及这与汽车碰撞事故发生时汽车速度和其他因素的关系;特别需要解释在较慢速度的碰撞中安全气囊怎么伤到人的等一系列的问题.

步骤6:让学生猜测安全气囊的一些“不安全”因素以及安全气囊伤人的原因,例如是不是安全气囊打开得太快,是不是人们在安全气囊打开的过程中撞到安全气囊上会更危险,是不是安全气囊在完全打开的状况下才能保护人们的安全等.

步骤7:让学生再次观看汽车碰撞障碍物实验的视频,来分析、验证自己提出的原因是否合理,并最终假设出安全气囊伤人的原因.

步骤8:针对自己分析出的原因,利用计算机模拟系统来证实这个原因是否合理.

(其他活动的具体步骤略去,详见http://wise.berkeley.edu)

2 国外探究教学案例特点分析及其启示

通过对《安全气囊:是太快还是太猛烈?》及WISE中其他案例的分析,我们发现国外探究教学案例具有以下特点:

2.1 探究教学既重视物理学科知识本身的学习,也注重知识的应用和具体问题的解决

物理学与社会、生活有着极为紧密和广泛的联系, WISE中探究教学案例既重视物理学科知识本身的学习,同时也非常重视物理知识的应用和具体问题的解决,且探究教学案例与其社会、文化紧密联系.众所周知美国是一个“车轮”上的国家,“汽车文化”是美国社会文化的一个重要组成部分,《安全气囊:是太快还是太猛烈?》案例就是以汽车中的安全气囊问题作为探究教学的主要内容,其既与学生的当今生活(安全坐车)相联系,又与学生将来的生活(开车)、工作(如设计汽车、汽车保险等)等紧密联系.当然,在探究过程中不断地使用速度、位移等概念及其图像解决问题对物理知识本身的学习和加深理解肯定也大有裨益.

反观我国基础教育中的物理教学,长期以来则比较重视物理学科知识本身的学习,较少考虑应用物理知识解决一些具体实际问题.这一是认识的问题,很多教师受传统教学观念的影响,将学习知识与运用知识人为地割裂开来,认为校内主要任务是学习知识,而毕业工作以后才是运用知识的时候;二是很多教师担心学生没有一定的知识和能力来解决实际问题.实际上,应用知识解决一些学生力所能及的实际问题,是从不同情境和视角对所学知识的重新认知,完全有助于学生对所学知识的深入理解.

当然,我们也不能照搬国外的具体探究案例,而应该结合我国具体的国情来设计探究教学的案例.如我国是个“自行车的王国”,我们完全可以让学生从我国实际情况出发来探究有关自行车的安全问题,例如,对于“有些国家规定骑自行车必须戴头盔、护肘,你能否应用物理知识来分析认为这是否有必要?”、“最近工业与信息产业部出台速度大于20 km/h,质量大于40 kg的电动自行车将划为机动车来管理,你认为这是否有必要?”等问题,都可以作为物理探究教学的案例问题,让学生从科学的角度出发,用物理知识去探究、解决这些社会生活问题,让他们在探究过程中真切地理解所学的物理知识及其应用.

2.2 以探究程序链的方式帮助学生走进科学探究

探究教学使学生能够亲身经历探究发现过程,感受科学探究的乐趣与艰辛,学习解决问题的方法.但是不可回避的是,学生很难一开始就能直接走进“自由探究”的王国,他们既没有探究的体验、经历,也没有一定的探究能力;因此,在学生探究学习的过程中,尤其是在探究教学的初期,教师应做好学生探究活动的支持者、组织者和引导者,包括鼓励学生战胜困难、肯定学生的智慧、分享学生探究的酸甜苦辣,随时洞察学生探究过程中思维的走向,及时、恰当地予以引导.更重要的是,为了使学生可以顺利地走进探究活动,教师需要根据学生的知识储备、认知水平,提出学生可实现的探究案例,设计出探究程序链及其每一个具体的探究步骤,走“引导探究”之路.这样既不会使学生感到太难而无从入手探究,又不会让学生有过于简单、不屑一顾的感觉;这种一环扣一环的探究链不仅可以减小探究的难度,还能增大学生探究的兴趣,使之不断获得探究的成就感.要避免“放羊式”探究教学实践,即将探究课题告诉学生之后,就不闻不问完全让学生自己去“探究”,学生常常不仅不能很好地实现探究,而且还会影响学生将来开展探究的积极性.

2.3 探究教学需要一定的技术支撑

探究教学一般都有大量的学生活动,例如进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作等等,这些探究活动都需要花费较多的时间,然而物理教学的课堂时间又是十分有限的,有限的教学课时跟内容繁多的知识点教学会形成了一定的矛盾,这也是当下我们开展探究教学所遇到的最大困难之一.因此,有效的探究教学需要一定的技术支撑.

首先,有了技术的支撑,探究教学的时空才得以扩展.探究教学的一些活动安排在课堂中,也有一些活动(如资源的收集等)则可以放在课外进行,且可以根据学生的兴趣、爱好和特点分别进行合作探究.这样既能节约时间,又能培养学生的合作意识.据一些研究报道,常规课堂大约只有15%的学生参与活动,而基于网络的探究教学则可有90%学生参与其中的活动.

其次,有了技术的支撑,探究教学的效率也能得到提高,学生可以更快、更多地获得探究教学所需要的各种资源和支持;有了技术的支撑,教师可以了解每一个学生对所学的内容和问题的想法,这样便可全面了解学生,有助于教师了解学生完成探究的整个过程及其存在的问题,从而进行有效的同步或异步指导和帮助.

有了技术的支撑,探究教学的内容可以得到扩展,探究手段也可以得到加强.这样便可使原先在中小学条件下不能进行的物理探究活动得以开展,如前面介绍的安全气囊的探究案例,学生需要在探究过程中不断的观看、分析汽车碰撞实验的视频,当设计出“更安全”的安全气囊后需要运用网络虚拟技术来检测其安全性能.对于这些探究活动的开展,若没有技术手段的支持都是不可能实现的.

3 结语

总之,国外的探究教学案例设计时在充分考虑物理学科知识的同时,也考虑了知识的应用并与其社会文化和生活紧密联系,结合对学生认知规律的分析,加之技术特别是信息技术的充分应用,这使得探究教学得以蓬勃发展,这给我国探究教学的进一步深化改革带来深刻的启示.如果加上探究教学的其他一些主要问题的解决(如探究教学的评价等),那么我国基础教育中的探究教学将会获得重大的进展及深化.

①江苏省教育科学规划“十一五”立项课题(编号:D/2009/01/091)“实践视角下的中学物理探究教学及其发展研究”成果之一.

2010-07-22)