论物理教学中科学探究情境的创设，本文主要内容关键词为：情境论文,物理论文,科学论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、创设学习情境与引导学生探究是教师的两项基本工作
物理教学的目标扼要地说就是培养学生掌握物理知识和技能，促进学生实践创新能力的提高，同时注重学生个性健康发展与人格完善。“教师是课程实施的组织者、促进者，也是课程的开发者和研究者。”为了实现此目标，物理教师的最主要工作，就是创设丰富多样的教学情境，引导学生在情境中主动积极去探究。
《义务教育物理课程标准》（实验稿）中特别强调“情境创设”与“科学探究”。该文件强调指出：“物理教学离不开现实的物理情境”；“实验室应该不断增加新仪器设备，为学生的科学探究活动创造可靠的物理条件”；还提出音像资料、投影片、挂图“是展示物理情境的有效手段”；计算机的“教学软件可以丰富学生对物理情境的感性认识，深化对科学规律的理解”。文件中又强调：“科学探究是学生参与式的学习活动。”“在探究活动开始时可以设置各种问题情境，引导学生发现新的物理情境与已有的知识的冲突所在，从而提出问题，并做出合理的假设与猜想。”
美国教育家杜威在1933年发表的著作《我们怎样思维》中已提出了教学情境的问题。他说：“形成反省思维的方法问题就在于建立必能引起和指导好奇心的各种情境。”提出教师要“研究种种情境”“对要处理的情境的性质，尽可能地有明白的和准确的认识。……不论这些情境是他直接感觉到的，还是记忆的，它们都是板上钉钉的事实。”杜威还指出：“如果情境更为复杂，当然，思维就更加周密。”布鲁纳认为，学生的学习要经过三个不同的阶段，即行为把握、图象把握和符号把握。而行为把握和图象把握均离不开情境。
现代流行的建构主义教学论综合与发展了皮亚杰、布鲁纳、维果茨基和奥苏伯尔等人教育思想的精髓，强调学习过程的自主性、情境性与社会性。建构主义学习论认为：知识与技能是发展的，它不能以实体的形式存在，不能以传递或灌输的方式让学生获得，只能由学生自己主动参与感知，并进行认知结构反复的重组、整合、加工、建构、提高、运用，方能学会；建构主义教学论还认为：知识不可能独立存在于具体事例之外，它来自具体问题，而解决具体问题时，还要对知识进行创造性加工。学生学习新知识，必须联系自身原有的经验背景。因此创设丰富多彩的情境，引导学生在具体情境中进行学习十分必要；此外，学生对知识的理解与原有的经验、思考方式及文化背景有关。前概念影响很大，而社会活动、语言交流、人际交往对知识掌握与技能形成作用甚大。因此，建构主义学习论特别强调合作学习、语言表达与民主平等的师生交流。
情即情感，境即境界。情属于精神世界的范畴，境一般属于物质世界的范畴。教学情境是有教育教学功能的情感化了的环境和氛围，它为教学过程提供感知条件和思维基础。教学情境的创设必须考虑两个要素：一是创设作为感知对象的教学资源，如实验设备、书本、音像等；二是创设能激发学生感知、思考的心理氛围，二者缺一不可。举例来说，一堆放在桌面上的仪器并不构成教学情境，因为这些物品并没有被赋予目的要求和情感化的意向，是有境无情。但仅仅有教师脱离学生实际的慷慨激昂的说教，也不构成有效的教学情境，是有情无境。只有情、境二者兼而有之，有机结合，方能构成有效的教学条件。
物理教学情境按教学过程的性质分，主要有实验情境、概念情境、问题情境和物理思想方法态度的情境（可称人文情境）等；按认知阶段分有实物情境和表象情境等；按评价分有正确情境、错误情境等；按教学手段分有语言情境、板书画投影情境、音像情境、计算机课件情境、模型实物情境等。本文重点探讨实验情境、概念情境、问题情境与人文情境的创设。
二、实验情境是物理教学的基础
实验是物理教学的重要基础、重要内容、重要方法、重要手段，它在获取知识、增长技能，提高实践创新能力以及培养科学精神方面有不可替代的作用。几乎人人都在宣称实验教学的重要性，但在教学实践中实验却是最薄弱的环节。究其原因，有认识上的误区，有应试教育的干扰，也有仪器设备条件的不足。
皮亚杰指出：某些国家的“传统教育，事实上仅仅强调人文科学和数学，至于实验工作则被认为是一种次要的活动。结果是，只要给学生讲授过去一些实验结果，或由教师演示一些实验给学生看，就认为已经给学生提供了足够的实验训练了，似乎一个人只要坐在码头长凳上观看别人游泳，就可以学会游泳了”。“一个不是由操作者本人完全自由主动进行的实验，就算不上是实验。”他还提出：“教师作为组织者仍然是不可缺少的，以便创造情境，建设开始的设备，向儿童提出有用的问题。”
传统的实验教学有三多：教师包办代替过多、照方抓药的实验过多、验证性实验过多，严重挫伤了学生的学习积极性与创新精神。我们以为，克服困难创设良好的实验探究情境是新课程教改的突破口与前提条件。
实验情境一般由探究任务、器材设备、环境氛围（包括适当的语言引导）等要素构成。创设丰富多彩的实验探究情境应注意以下几方面：
1.注重实验情境的参与探究性
尽可能创设人人都有机会参与的学生实验或随堂实验过程。即使是演示实验，也应提倡师生合作共同做演示，以增加亲切感和可信度。特别要提倡感受性实验，即亲自用眼、耳、鼻、手、身去体验实验现象和过程。同时还要注意创设的情境有可探究性。那种写得过于详尽的实验报告册让学生不费脑子做填空式的操作，等于剥夺了学生探究的机会，应予摒弃。
提倡用身边的物品进行低成本实验。“使用身边随手可得的物品进行探究活动和各种物理实验，可以拉近物理学与生活的距离，让学生深切地感到科学的真实性，感受到科学和社会、科学和日常生活的关系。”
在设计感受性实验时，要考虑探究的可行性。一位教师在导入“力”的新课时，让一名男生到讲台上蹲下、起来做十几次，然后问他：“你有什么感觉？”学生答曰：膝盖很累！另一位教师请一位学生用双手拉体育用的弹簧拉力器，学生答：感到胳臂酸疼。虽然教师让学生亲自感受“力的存在”是对的，但两个物体的关系复杂，对初学者来说不易探究，故不是好的情境。笔者认为，让学生用手托起书包水平伸直，或轻推桌椅，让学生谈感觉，然后教师指出：人类对力的最早认识就是从肌肉紧张感觉中得到的，再举出人举重、人推车、马拉车、磁铁吸铁等情境，引导学生找出其共性和本质，这种情境，具有参与性与可探究性。
2.注重实验情境的趣味悬念性
把实验做得新、奇、悬、妙、惊、谐、美，要暗藏悬念，或使实验情境与人文情境相结合，提高情境的趣味性与激疑功能。例如，“大气压强”课前布置学生每4人为一小组，准备一个矿泉水瓶。上课时先讲“魔瓶”的故事：
教师：“在《天方夜谭》中有一个魔瓶的故事，那个魔瓶是千万不能打开的。”教师取出一个如图1的装少量水的纯净水瓶子说：“我这里也有一个魔瓶，瓶盖也不能打开，一打开就会出事！不信试试看。”教师演示，拧松瓶盖，三股水流从瓶底三个小孔出，教师吃惊地说：“哟，水为什么从瓶底流出来了，赶快拧紧瓶盖，为什么水又不流了呢？同学们，你们想知道其中的奥秘吗？好，现在你们分组自己实验，探究其中的道理。”
图1 魔瓶
3.实验情境的合作交流性
建构主义教育思想十分重视合作学习。新课程标准也要求学生“有主动与他人合作的精神，有将自己的见解与他人交流的愿望”。因此创设实验情境时，既要注意学生独立自主探究，也要注意创设两人以上的协作情境，并进行小组讨论或师生间的交流，教师不能过早地给学生答案，或所谓进行“前馈讲解”，束缚学生手脚。
某中学一位教师在上“速度和平均速度”课时，让每4人小组自带玩具小车，在球场上比赛谁的车跑得快。让学生讨论怎样描述小车运动的快慢？用什么量描述？怎样测量？然后小组成员合作测量小车的平均速度，并向全班宣布测量方法、测量结果与体会。学生热情高涨，许多学生在日记中写道：这是难忘的一课。
同位两学生协作实验也应提倡：学重力加速度时，一学生释放刻度尺自由下落，测对方捏尺的反应速度；或一学生拉动桌上的纸片，同位学生用笔在纸上模拟匀速打点或简谐振动，绘出点迹或振动图线；用书包挂在手臂上不同点感受杠杆原理；用铅笔对手掌加压力感受压强，这些协作情境都可两人一组进行创设。
4.注重实验情境的多维交叉性
实验情境的建立，要与概念情境、问题情境、人文情境或多媒体计算机情境的建立有机结合，互相交叉，观察实验要与启发思维相结合。杜威认为：“事实或资料必须用来暗示或检验某些观念，用来找出克服困难的某些方法，否则，单纯的事实或资料便是一堆死东西。”这里的“观念”包含有概念、规律的含义。
三、概念探究情境是物理教学情境的核心
物理概念（及规律）是物理学的核心内容；让学生掌握好概念是物理教学的关键；概念教学是开发智力培养能力的重要途径。搞好概念教学，首先要提供优化的概念探究情境。
概念（及规律）探究情境一般包含探究任务、实验事实（及物理事实）、环境氛围等要素。显示这些要素的手段有语言、实验器材、板书画、音像、计算机软件等。总结众多教师成功的经验，我们认为建立概念探究情境应注意如下的几个方面：
1.概念情境要有利于建立概念必要的事实依据（包括实验事实）的获取过程
要使学生形成正确的概念，首先要列举生产生活中的典型实例，或进行必要的观察和实验，介绍物理学生中概念形成与发展的过程，使学生从情境中得到有关概念的感性认识。
对于生产生活中常见的概念事实，如力、压强、浮力、温度、速度等，可引导学生列举实例，再做些简易实验来建立概念情境；对于在生活中难以见到的概念事实，如磁铁吸铁块，电场线、磁感线、光的干涉等，可做实验建立情境；对于连实验也不能做的概念事实，如电流、电压、分子力、原子核式结构等，可用类比和图示方法创设情境。例如建立浮力概念的典型事实可如下进行：
先由学生回忆游泳时刚进水中的感受。再用量筒盛水，用铁架台挂带指针与刻度的弹簧，吊一细长重物，如图2，逐渐使重物浸入量筒内水中，发现弹簧逐渐缩短。探究：这个现象说明什么？让学生进行初步概括，得出浸在液体内的物体受向上的浮力，浸入越多浮力越大。然后，在讲台前放四桶水，给四个加盖空可乐瓶，让学生分四个组进行感受实验，把可乐瓶逐渐压入水中，感受往下压的力有何变化。问：还感觉到了什么？学生答：还感到瓶子全部没入水中后，往下压的力好像没有增大。教师再用图2实验加以验证。
图2 浮力情境
2.概念情境要有促进学生自主思考概括的氛围
所创设的情境，要有利于使学生较快地学会收集信息，学会信息分类，抓住主要因素，找出同类事物的共性与本质，找出其内在联系，从而得出概念与规律。例如电场强度教学可建立如下的概念情境：
首先启发学生回忆思考下列两类物理量在定义方法上有何区别：一类是位移、质量、力、能量、功、热量、电量等；另一类是速度、加速度、压强、功率、电流强度、密度、比热、劲度系数等。探究后一类量为什么要用比值来定义？生产生活中有无与后者类似的情况？
接着可创设如下实验情境：用起电机使金属球带大量电荷+Q，用悬吊带电为+q的小球显示带电金属球的附近有电场。移动小球由近及远可见悬绳的偏角变小，如图3。说明带电q的小球在不同点受的电场力不同。引导学生概括：电场有强弱之分。但把小球多次移到同一点A，其偏角不变，说明在同一点，电场的强弱是不变的，这是电场的特性。然后引导学生讨论：参照密度、电流强度的定义思路，用什么方法可描述某点电场的强弱？逐渐逼近E=F/q这一结果。
图3 电场概念情境
3.概念情境要与学生原有的认知结构挂钩，针对前概念解决学生的思维障碍
例如针对力的作用是“相互的”这一内涵创设情境。学生往往认为只有人对桌子才能施力，磁铁对铁钉才能施力，而且先有作用力，晚一点才有反作用力。于是设计如下实验情境：
用两个铁架台水平地吊起磁铁和软铁棒，先手抓磁铁移近铁棒，铁棒突然被吸向磁铁。然后手抓铁棒移近磁铁，发现磁铁也突然被吸向铁棒。再松开两手，两铁架台靠近，发现二者同时相吸，悬绳均偏斜。
取两个沙发弹簧，一个固定于铁架台上，用手握着另一个去推前一弹簧，发现两弹簧均被压缩。取两个完全相同但颜色不同的气球，一个大男生和一个小女生持球互推，发现二气球同时瘪进，程度相同。
4.概念教学情境的建立要多角度、多样化、分阶段进行，不能毕其功于一役
例如加速度这一概念刚开始只创设火车开车、汽车刹车等情境；然后用自由落体情境的重力加速度加深概念；继而用平抛情境引导学生探究，它也是一种匀加速运动，在匀速直线运动的火车上使小球自由下落，则地上的人看小球为平抛运动；在圆周运动、简谐振动中进一步深化加速度概念；在学完静电场后，用静电场与重力场比较，E=F/q与g=G/m比较，学生可悟到，原来重力加速度实际上可认为是重力场的强度。
四、问题情境是培养实践与创新能力的重要条件
问题情境是一种具有一定困难，需要学生通过努力方能成功且力所能及的学习情境。问题情境主要由探究目标、物理事实与图景、一些已知变量及若未知变量所构成。问题情境中可以包含实验情境、概念情境等，它们往往融为一体。任何学习行为总是在一定的情境中才能发生，只有生动的问题情境才具有强大的学习吸引力，因此成功教学的关键之一是问题情境创设。
对学生而言，问题情境是一种困难的、混乱的情境。杜威指出：“思维开始于困惑的、困难的或混乱的情境，思维的结尾是清晰的、一致的、确定的情境。”当碰到困难的问题情境时，“我们忧虑不安，心理活动失常”。于是竭力“观察情境”，使问题“理智化”，即找到问题的关键所在，思考解决的种种途径，经过假设推理，混乱的情境突然变得清晰起来，最后，“怀疑消除了，获得满足和愉快”。
解决问题的探究过程，一般有六个步骤：
提出问题→猜想假设→制定验证方案→实验与收集数据→分析论证→成果评估
创设问题情境时，要考虑到问题情境的教育教学功能，特别是培养物理思想方法、科学态度和养成良好学习习惯的功能。具体说来，问题情境的创设应注意下列几点：
1.要使问题情境与学生大脑中原来的认知结构有相干性
它能激起学生思维的不平衡。题目不可太难，也不可太易，应在维果茨基的“最近发展区”内。问题情境中约六成是学生熟悉的，四成是陌生的为宜。
例：西北某城市气象局施放的高空气象探测气球以无线电发回信号，通过计算机处理得到数据如表1。
表1 探测气球收集到的数据
┌───────┬──────┬──────┬───────┬───────┬──────┐
│ 海拔高度/m │气压/hpa│温度/℃ │ 海拔高度/m │气压/hpa │温度/℃ │
├───────┼──────┼──────┼───────┼───────┼──────┤
│1468 │850 │-4 │11864 │200
│-14 │
├───────┼──────┼──────┼───────┼───────┼──────┤
│3066 │700 │-4 │13642 │150
│-16 │
├───────┼──────┼──────┼───────┼───────┼──────┤
│4290 │600 │-5 │16188 │ 100 │-19 │
├───────┼──────┼──────┼───────┼───────┼──────┤
│5679 │500 │-7 │20512 │50│
-19 │
├───────┼──────┼──────┼───────┼───────┼──────┤
│7296 │400 │-6 │23784 │30│-20 │
├───────┼──────┼──────┼───────┼───────┼──────┤
│9274 │300 │-11 │26475 │20│-21 │
├───────┼──────┼──────┼───────┼───────┼──────┤
│10455 │250 │-13 │28077 │16│-22 │
└───────┴──────┴──────┴───────┴───────┴──────┘
备注：地面气温：20℃，海拔：936m，气球平均升速：439m/min，hpa：即百帕。
问：（1）既然高空空气稀薄阳光更灿烂，应更热，温度更高，为什么地面温度为20℃，反而远高于表中最高处的气温零下22℃？（可用气体膨胀对外做功内能减小解释）
（2）最末一项数据为海拔多少km？大气压是多少cmHg？为什么后面没有数据？地面大气压约是多少？
（3）气球升空全程用了多少min？它在上升过程中发生了什么变化，最终哪里去了？
2.要重视定性和半定量估算题的设计，减少套公式的定量题型
因为定性题更能够促进学生对概念的深刻理解，而只会套公式进行计算，即使答案正确，也不见得学生已深刻理解了概念与规律。
例：一个电视剧的主人公回答小孩提的问题：“为什么冬天很冷夏天很热？”是这样说的：“那是因为夏天地球离太阳近，冬天地球离太阳远之故。”你认为这样回答对吗？事实上天文学表明，北半球的冬天，地球是在公转轨道的近日点处，而夏天是在公转轨道的远日点处，且地球公转轨道长半径为14945x10[4]km，短半径为14943x10[4]km，两者仅差万分之一点三。那么为什么冬冷夏热呢？（可用照度的规律解释）
3.要注意从生活中的情境和人文情境中设计问题，增强问题情境的趣味性
例：在两千多年前罗马军队统帅狄杜要处决一批戴手铐脚镣的奴隶，将奴隶扔入死海之中。狄杜认为其必死无疑。但海浪将这批奴隶推回到岸边。第二次扔，奴隶们照旧未死。三次均如此。狄杜以为是神灵在保佑这些奴隶，便率部队逃跑了。问：为什么奴隶没被淹死？真的是神灵保佑吗？
此外，诗歌及成语中的物理知识能使科学与文艺有机结合，值得开发利用。
4.多设计有多种答案的开放型习题，或根本就没有标准答案的讨论题
例：夏天到南山去爬雪山，想生火做饭，但谁都没带火柴或打火机。请您给他们出个注意，怎样生火？
五、人文情境提供育人的良好氛围
培养学生掌握物理思想方法、正确的价值观、科学精神和态度、学习习惯的养成、合作精神等非智力因素和高层次的智力因素，需要的教学情境称为人文情境。新的课程标准十分重视“情感态度与价值观”的培养。创造良好的人文情境，使德育渗透于知识技能教育之中，是物理教学的重要目标。在理科的科学史中，有不少富含教育因素的篇章。例如，真理一开始往往掌握在少数人手中这一理念，就存在不少生动的史料。哥白尼的日心说历经一百多年才为公众所接受；化学家阿伏加德罗提出的分子学说，经五十年才为各国化学家所认同；在日心说与地心说的斗争中，哥白尼、伽利略、布鲁诺等科学家蒙受教会的迫害，布鲁诺被烧死于罗马鲜花广场；阿基米德毫不畏惧地对将要杀害他的罗马士兵喊道：“等一下杀我的头，让我把这条几何定理证完！”但无知残暴的侵略者还是立刻杀死了他。
著名的物理、化学家居里夫人在发现放射性元素镭时以顽强的毅力和废寝忘食的工作态度而著称于世，还因为她淡薄名利和热爱祖国的精神受到世人尊敬。当居里夫妇在极其简陋的实验室日夜鏖战把镭提炼出来以后，众多的人争相以重金购买专利，他们对此是如何选择的呢？请看居里夫妇的对话：
皮埃尔：“我们必须在这两种抉择中选择一种，其中之一就是毫无保留地描述我们的研究成果，包括提炼的步骤在内。”玛丽·居里：“对，当然应该这样做。”皮埃尔：“另外一种选择是我们以镭的所有者和发明家自居，取得这种技术的专利权。”玛丽：“决不能这样，这是违反科学精神的，我们决不能从中牟利！”
上面已探讨了常见的四种情境创设的初步规律。此外，关于如何创设多媒体计算机情境，如何引导学生在情境中进行探究，都是十分重要的课题，由于篇幅所限，本文未能展开讨论。新世纪的科学教育正处于深刻变革的时期，科学探究的教育规律尚有待同行们通力协作不断探索总结，科教工作者责无旁贷，任重道远。