高中物理教学中的科学探究

1. 高中物理教学中的科学探究 教授级高级教师、特级教师 徐汉屏 2011.7.洪泽

2. 探究——求索知识或信息特别是求真的活动，是搜寻、研究、调查、检验的活动，是提问和质疑的活动。——牛津英语词典探究——求索知识或信息特别是求真的活动，是搜寻、研究、调查、检验的活动，是提问和质疑的活动。——牛津英语词典

3. 探究教学—— 学生用以获助知识，领悟科学家的思想观念、领悟科学家研究自然界所用的方法而进行的种种活动。 ——美国《国家科学教育标准》

4. 高中物理课程应促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。高中物理课程应促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。 • ——《课程标准》“课程的基本理念”

5. 学习科学探究方法，发展自主学习能力，养成良好的思维习惯，能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题。学习科学探究方法，发展自主学习能力，养成良好的思维习惯，能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题。 • ——《课程标准》“课程总目标”

6. 《课程标准》特别将科学探究列入内容标准，旨在将学习重心从过分强调知识的传承和积累向知识的探究过程转化，从学生被动接受知识向主动获取知识转化，使学生在学习物理知识技能的同时，经历科学探究过程，学习科学方法，从而培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神．《课程标准》特别将科学探究列入内容标准，旨在将学习重心从过分强调知识的传承和积累向知识的探究过程转化，从学生被动接受知识向主动获取知识转化，使学生在学习物理知识技能的同时，经历科学探究过程，学习科学方法，从而培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神．

7. 一、科学探究的两种主要类型——实验探究与理论探究 二、高考对科学探究能力的考查 三、采用多种教学方式实施探究式教学 四、实施探究式教学中应注意的几个问题 五、探究式教学示例

8. 一、科学探究的两种主要类型——实验探究与理论探究一、科学探究的两种主要类型——实验探究与理论探究 • 科学探究活动的具体内容、方式和要求等，应根据不同模块的性质和任务有所不同。 • 不同内容、方式和要求的科学探究活动，大体可分为实验探究与理论探究两种主要类型。

9. 1、实验探究 • 提出问题 • 猜想与假设 • 制定计划与设计实验 • 实验与收集证据 • 分析与论证 • 评估 • 交流与合作

10. 实验探究示例（必修Ⅰ） • （1）探究匀变速直线运动的规律 • （2）探究自由落体运动规律 • （3）探究弹力与弹簧形变的关系 • （4）探究求合力的方法 • （5）探究加速度与力、质量的关系 • （6）探究作用力与反作用力的关系

11. 实验探究示例（必修Ⅱ） • （1）探究功与物体速度变化的关系 • （2）由烛块的运动研究运动的合成与分解 • （3）探究平抛运动的规律

12. 实验探究示例（选修3—1） • （1）探究静电感应现象 • （2）探究影响电荷间相互作用力的因素 • （3）探究影响平行板电容器电容大小的因素 • （4）探究导体的伏安特性曲线 • （5）探究导体电阻与其影响因素的定量关系

13. （6）探究路端电压随负载变化的规律 • （7）测定电池的电动势和内阻 • （8）探究影响通电导线受力的因素 • （9）探究平行通电直导线之间的相互作用 • （10）用洛伦兹力演示仪探究运动电子在磁场中的偏转

14. 2、理论探究 • 提出问题 • 猜想与假设 • 思考与讨论 • 推理与论证 • 检验与评估 • 应用与实践 • 交流与合作

15. 理论探究示例（必修Ⅰ） • （1）从v-t图象看加速度 • （2）探究匀变速直线运动的公式 • （3）从伽利略理想实验到牛顿第一定律 • （4）用牛顿定律解决问题

16. 理论探究示例（必修Ⅱ） • （1）推导功的计算式 • （2）探究功率与速度的关系 • （3）探究重力势能的表达式 • （4）探究弹性势能的表达式 • （5）探究动能的表达式，得出动能定理 • （6）探究机械能守恒定律 • （7）抛体运动规律的理论分析 • （8）探究向心加速度的表达式 • （9）“发现”万有引力定律

17. 理论探究示例（选修3—1） • （1）探究电场力做功的特点 • （2）探究电势差与电场强度的关系 • （3）探究带电粒子的电场中的运动规律 • （4）探究串、并联电路的特点 • （5）推导焦耳定律的表达式

18. （6）探究导体电阻与导体长度、横截面积的关系（6）探究导体电阻与导体长度、横截面积的关系 • （7）探究闭合电路欧姆定律 • （8）探究欧姆表工作原理 • （9）推导计算安培力大小的公式 • （10）推导计算洛伦兹力大小的公式 • （11）探究带电粒子在匀强磁场中的运动规律

19. 实验探究与理论探究这两种典型的科学探究方式并不是绝然隔裂的。事实上，在实验探究中有理性思辨的成分，有理论探究的要素（如猜想与假设、分析与论证等），而在理论探究中亦有实践操作的成分，有实验探究的要素（如检验与评估、应用与实践等）。实验探究与理论探究这两种典型的科学探究方式并不是绝然隔裂的。事实上，在实验探究中有理性思辨的成分，有理论探究的要素（如猜想与假设、分析与论证等），而在理论探究中亦有实践操作的成分，有实验探究的要素（如检验与评估、应用与实践等）。

20. 二、高考对科学探究能力的考查 • （1）对“提出问题”能力的考查 • （2）对“猜想与假设”能力的考查 • （3）对“制定计划与设计实验”能力的考查 • （4）对“进行实验与收集证据”能力的考查 • （5）对“分析与论证”能力的考查 • （6）对“评估”能力的考查 • （7）对“交流与合作”能力的考查 • （8）对综合探究能力的考查

21. （1）对“提出问题”能力的考查 • 提出问题是科学探究的前提。能发现与物理学有关的问题，能从物理学的角度较明确地表述这些问题，这是对学生“提出问题”能力的基本要求。 • 为此，可通过展示图片、提供素材等方式，揭示某个物理情景，要求对该物理情景提出与物理知识有关的问题，以考查学生观察思考与分析质疑的能力。此类问题通常具有较大的开放性，没有统一的标准答案，只要言之有理均可给分。

22. 图1 • 例1（2000年高考上海物理卷第15题）图中为一名宇航员“漂浮”在地球外层空间的照片. 根据照片展现的情景提出两个与物理知识有关的问题。(所提的问题可以涉及力学、电磁学、热学、光学、原子物理学等各个部分. 只需提出问题, 不必作出回答和解释) • 例：这名“漂浮”在空中的宇航 员相对地球是运动还是静止的？ • （1） • （2）

23. （2）对“猜想与假设”能力的考查 • 猜想与假设是科学思维的一种形式，是对所研究的问题根据已知事实材料和科学知识作出的一种猜测性陈述，对问题中事物的因果性、规律性作出的假定性解释。 • 为此，可预设一个典型问题或物理实验，要求学生对解决问题的方式和问题的答案提出假设，或对物理实验结果进行预测。此类试题的答案通常有一定的指向性。

24. 例2（2011年高考江苏物理卷第9题）如图所示，倾角为α的等腰三角形斜面固定在水平面上，一足够长的轻质绸带跨过斜面的顶端铺放在斜面的两侧，绸带与斜面间无摩擦。现将质量分别为M、m（M>m）的小物块同时轻放在斜面两侧的绸带上。两物块与绸带间的动摩擦因数相等，且最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等。在α角取不同值的情况下，下列说法正确的有例2（2011年高考江苏物理卷第9题）如图所示，倾角为α的等腰三角形斜面固定在水平面上，一足够长的轻质绸带跨过斜面的顶端铺放在斜面的两侧，绸带与斜面间无摩擦。现将质量分别为M、m（M>m）的小物块同时轻放在斜面两侧的绸带上。两物块与绸带间的动摩擦因数相等，且最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等。在α角取不同值的情况下，下列说法正确的有 • （A）两物块所受摩擦力的大小总是相等 • （B）两物块不可能同时相对绸带静止 • （C）M不可能相对 绸带发生滑动 • （D）m不可能相对 斜面向上滑动

25. （3）对“制定计划与设计实验”能力的考查 • 要制定实验方案，必须明确实验目的，即明确这个实验想说明一个什么问题。实验目的来自于猜想与假设，制定实验方案，实际上就是从操作的角度把探究的猜想或假设具体化、程序化。设计实验要注意实验方法和实验器材的选择，注意实验变量的控制。 • 为此，可从知道实验目的和已有条件而制定实验方案、尝试选择实验方法及所需要的装置与器材、考虑实验的变量及其控制方法等方面着手。

26. 例3（2006年高考全国理综卷Ⅱ第22题）现要测定一个额定电压4V、额定功率1.6W的小灯泡（图中用×表示）的伏安特性曲线。要求所测电压范围为0.1V～4V。例3（2006年高考全国理综卷Ⅱ第22题）现要测定一个额定电压4V、额定功率1.6W的小灯泡（图中用×表示）的伏安特性曲线。要求所测电压范围为0.1V～4V。 • 现有器材：直流电源E（电动势4.5V，内阻不计），电压表V（量程4.5V，内阻约为 （4×104Ω），电流表A1（量程250mA，内阻约为2Ω），电流表A2（量程500mA，内阻约为1Ω），滑动变阻器R（最大阻值约为30Ω），电键S，导线若干。 • 如果既要满足测量要求， 又要测量误差较小，应该选 用的电流表是，下面两 个电路应该选用的是。 甲 乙

27. （4）对“进行实验与收集证据”能力的考查 • 观察是收集数据的重要方式，它是人们有目的、有计划地感知和描述客观事物的一种科学认识方法，是科学研究过程中的一种基本的认识活动。实验是收集数据的主要方式，物理实验不同于在自然条件下对物理现象观察的地方，就在于它是人工控制条件下对物理现象的研究过程。是否能如实地记录实验数据，这涉及到实验者实事求是的态度，也涉及到对实验的理解。实验时要注意实验仪器的安全和实验者的人身安全。 • 为此，应着重考查学生用多种方式收集数据的能力，按说明书进行实验操作、会使用基本的实验仪器的能力，如实记录实验数据的习惯和安全操作的意识。

28. 例4（2007年高考江苏物理卷第12题）要描绘某电学元件（最大电流不超过6mA，最大电压不超过7V）的伏安特性曲线，设计电路如图，图中定值电阻Ｒ为1kΩ，用于限流；电流表量程为10mA，内阻约为5Ω；电压表（未画出）量程为10V，内阻约为10kΩ；电源电动势E为12V，内阻不计。例4（2007年高考江苏物理卷第12题）要描绘某电学元件（最大电流不超过6mA，最大电压不超过7V）的伏安特性曲线，设计电路如图，图中定值电阻Ｒ为1kΩ，用于限流；电流表量程为10mA，内阻约为5Ω；电压表（未画出）量程为10V，内阻约为10kΩ；电源电动势E为12V，内阻不计。 • （1）实验时有两个滑动变阻器可供选择： • a、阻值0到200Ω，额定电流0.3A • b、阻值0到20Ω，额定 电流0.5A • 本实验应选的滑动变阻器 是 （填“a”或“b”）

29. （2）正确接线后，测得数据如下表 • （表略） • a）根据以上数据，电压表是并联在Ｍ与 之间的（填“Ｏ”或“Ｐ”） • b）根据以上数据，画出该元件的伏安特性曲线为。 • （3）画出待测元件两端电压ＵＭＯ随ＭＮ间电压ＵＭＮ变化的示意图为（无需数值）。

30. （5）对“分析与论证”能力的考查 • 探究过程中要对实验数据进行分析处理，从操作上考虑，需要明确数据处理的基本方向、物理原理、数学思路、处理方法、处理手段等各个方面。实验数据的处理方法，有计算列表法，图象法等。对实验结果的描述，应该通过抽象和概括，最终用极其简洁的语言来表现物理规律的本质。 • 为此，应着重考查学生对实验数据进行分析处理的能力，尝试根据实验现象和数据得出结论的能力，以及对实验结果进行解释和描述的能力。

31. 例5（2006年上海物理卷第4题）伽利略通过研究自由落体和物块沿光滑斜面的运动，首次发现了匀加速运动规律．伽利略假设物块沿斜面运动与物块自由下落遵从同样的法则，他在斜面上用刻度表示物块滑下的路程，并测出物块通过相应路程的时间，然后用图线表示整个运动过程，如图所示．图中OA表示测得的时间，矩形OAED的面积表示该时间内物块经过的路程，则图中OD的长度表示．P为DE的中点，连接 OP且延长交AE的延长线于B， 则AB的长度表示 ．

32. （6）对“评估”能力的考查 • 经过分析、论证、形成了探究结论后，还需要对结果与假设之间的差异性作进一步深思和评价，寻找该差异的特征并判断其性质。关注这种差异，分析这种差异的规律，实际上就是在发掘引起这种差异的因素，这是发现问题和提出问题的前奏，是创造性思维的表现。通过评估改进实验方案的过程，就是发现问题、分析问题、创造性解决问题的过程。 • 为此，常常提供某种实验方法或问题解法，要求学生对此实验方法或问题解法的正确与否作出评判，并给出自己的方法或解法，主要考查学生敢于提出个人见解、勇于修正错误观点的科学态度与批评性思维能力。

33. 例6（2006年高考上海物理卷第20题）要求摩托车由静止开始在尽量短的时间内走完一段直道，然后驶入一段半圆形的弯道，但在弯道上行驶时车速不能太快，以免因离心作用而偏出车道．求摩托车在直道上行驶所用的最短时间．有关数据见表格．例6（2006年高考上海物理卷第20题）要求摩托车由静止开始在尽量短的时间内走完一段直道，然后驶入一段半圆形的弯道，但在弯道上行驶时车速不能太快，以免因离心作用而偏出车道．求摩托车在直道上行驶所用的最短时间．有关数据见表格． • 某同学是这样解的：要使摩托车所用时间最短，应先由静止加速到最大速度 v1＝40m/s，然后再减速到v2＝20m/s，t1=v1/a1=…； t2=(v1-v2)/a2=…；t=t1+t2 • 你认为这位同学的解 法是否合理？若合理，请 完成计算；若不合理，请 说明理由，并用你自己的 方法算出正确结果．

34. （7）对“交流与合作”能力的考查 • 科学探究中要发扬合作精神，发挥各人的积极性，就要群策群力，使每个人都贡献出自己的聪明才智，合作能提高探究的质量和效率。在合作中要坚持原则，坚持实事求是的精神，坚持严谨的科学态度，坚持用实践来检验理论的观点，坚持依靠证据结合逻辑分析进行科学探究的方法等。 • 受试场环境的限制，不可能真正创设一个交流与合作探究的现场，通常可在试题中模拟几位学生“交流与合作”的情景，要求考生“参与”讨论，发表自己的观点。

35. 例7（2010年高考江苏物理卷第14题）在游乐节目中，选手需要借助悬挂在高处的绳飞越到水面的浮台上，小明和小阳观看后对此进行了讨论。如图所示，他们将选手简化为质量m=60kg的质点， 选手抓住绳由静止开始摆动，此时绳与竖直方向夹角α=30º，绳的悬挂点O距水面的高度为H=3m。不考虑空气阻力和绳的质量，浮台露出水面的高度不计，水足够深。取重力加速度g=10m/s²，sin53º=0.8，cos53º=0.6。 （1）（2）略 （3）若选手摆到最低点时松 手， 小明认为绳越长，在浮台 上的落点距岸边越远；小阳认 为绳越短，落点距岸边越远， 请通过推算说明你的观点。

36. （8）对综合探究能力的考查 • 事实上，科学探究的过程往往要包含“提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作”中多个不同的要素。因此，高考对综合探究能力的考查常常可涉及上述多个要素。

37. 例8（2005年高考上海物理卷第18题）科学探究活动通常包括以下环节：提出问题，作出假设，制定计划，搜集证据，评估交流等。一组同学研究“运动物体所受空气阻力与运动速度关系”的探究过程如下：例8（2005年高考上海物理卷第18题）科学探究活动通常包括以下环节：提出问题，作出假设，制定计划，搜集证据，评估交流等。一组同学研究“运动物体所受空气阻力与运动速度关系”的探究过程如下： • A．有同学认为：运动物体所受空气阻力可能与其运动速度有关。 • B．他们计划利用一些“小纸杯”作为研究对象，用超声测距仪等仪器测量“小纸杯”在空中直线下落时的下落距离、速度随时间变化的规律，以验证假设。

38. s (m) v (m/s) 5 4 3 2.0 2.0 2 1 1.0 1.0 B A 0 0 t (s) t (s) 1.0 0 0.5 1.5 0 0.5 1.0 1.5 (a) (b) • C．在相同的实验条件下，同学们首先测量了单只“小纸杯”在空中下落过程中不同时刻的下落距离，将数据填入下表 中，图（a）是对应的位移— 时间图线。然后将不同数量 的“小纸杯” 叠放在一起从空 中下落，分别测出它们的速 度—时间图线， 如图（b）中 图线1、2、3、 4、5所示。 时间（s）下落距离（m）0.0 0.000 0.4 0.036 0.8 0.469 1.2 0.957 1.6 1.447 2.0 X 5 4 3 2 1 t (s)

39. （3）图（b）中各条图线具有共同特点，“小纸杯”在下落的开始阶段做运动，最后“小纸杯”做运动。（3）图（b）中各条图线具有共同特点，“小纸杯”在下落的开始阶段做运动，最后“小纸杯”做运动。 • （4）比较图（b）中的图线1和5，指出在1.0—1.5 s时间段内，速度随时间变化关系的差异：____________________________________________________________________。

40. 三、采用多种教学方式实施探究式教学 • 根据不同的教学内容和教学要求，可以采用不同的探究方式。 • 1、以演示实验为主要形式的引领探究 • 2、以分组实验为主要形式的合作探究 • 3、以逻辑推理为主要形式的互动探究 • 4、以自学研读为主要形式的自主探究 • 5、以研究性学习为主要形式的专题探究

41. 1、以演示实验为主要形式的引领探究 • 这里所说的“以演示实验为主要形式的引领探究”不同于传统意义上的演示实验教学，它需要在教师的启发引领下，由学生完成对问题的探究，而不是由教师直接告知学生。

42. 以演示实验为主要形式的引领探究示例——探究加速度与力、质量的关系以演示实验为主要形式的引领探究示例——探究加速度与力、质量的关系 • 提出问题——加速度与哪些因素有关？ • 猜想与假设——加速度与力成正比，与质量成反比 • 制定计划与设计实验——控制变量法 • 进行实验与收集证据——气垫导轨、光电门控制 • 分析与论证——微机处理数据，得出结论 • 评估——误差分析 • 交流与合作——采用其他方法

43. 2、以分组实验为主要形式的合作探究 • 这种小组合作探究方式以学生分组实验为主要形式，一般先由教师提出一个探究主题，并作适当点拨，然后分组进行探究，最后集中评估交流。各小组的探究过程往往不尽相同，通过小组间的评估交流，有利于拓展学生的思路。

44. 以分组实验为主要形式的合作探究示例——测定电池的电动势和内阻以分组实验为主要形式的合作探究示例——测定电池的电动势和内阻 • 提出问题——如何测定电池的电动势和内阻 • 猜想与假设——教师点拨，分组讨论（从闭合电路欧姆定律出发，实验桌上提供电压表、电流表、电阻箱、滑动变阻器等实验器材） • 制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证——分组实验 • 评估、交流与合作——集中讨论（伏安法、伏欧法、安欧法等）

45. 3、以逻辑推理为主要形式的互动探究 • 有些较复杂的理论问题，需要在教师的带领下，通过师生互动的方式，进行有步骤的逻辑推理，将探究活动不断引向深入。

46. 以逻辑推理为主要形式的互动探究——“发现”万有引力定律以逻辑推理为主要形式的互动探究——“发现”万有引力定律 • 提出问题——追寻牛顿的足迹，重新“发现”万有引力定律 • 观察发现获得规律——行星运动的开普勒定律。问题：行星运动为什么会有这样的规律？ • 猜想原因——太阳对行星的引力作用。问题：太阳对行星的引力与什么因素有关？

47. 数学演绎得到规律——根据已知规律（开普勒行星运动定律和牛顿运动定律）推出太阳与行星间的引力遵从的规律。数学演绎得到规律——根据已知规律（开普勒行星运动定律和牛顿运动定律）推出太阳与行星间的引力遵从的规律。 • 进一步猜想——地球使地面上物体下落的力，与太阳使行星运动的力、地球使月球运动的力是否出于同一原因？ • 猜想得到检验——月—地检验使猜想得到证实。 • 更大胆地猜想——自然界任何两个物体之间是否也有这样的吸引力？ • 得出结论——万有引力定律。

48. 4、以自学研读为主要形式的自主探究 • 有些理论探究问题在教材中写得较为详尽，学生也不难理解，对这部分内容可安排学生在课前自学或当堂研读，由学生自主探究，再互相交流。

49. 以自学研读为主要形式的自主探究示例——探究弹性势能的表达式以自学研读为主要形式的自主探究示例——探究弹性势能的表达式 • 提出问题——弹性势能有怎样的表达式 • 学生自学，自主探究——弹性势能的表达式可能与哪几个物理量有关？弹簧的弹性势能与拉力所做的功有什么关系？怎样计算拉力所做的功？怎样计算这个求和式？ • 得出结论——弹性势能的表达式。 • 交流评估——由F-x图象下的面积求功，由平均作用力求功。

50. 5、以研究性学习为主要形式的专题探究 • 研究性学习是学生进行合作、自主专题探究的一种好方法。与前面几种探究方式不同的是：研究性学习的探究课题通常由学生自选，有利于培养学生观察思考、提出问题的能力，不像前面几种探究方式因受班级授课制与教学内容的限制，大多由教师提出问题（探究课题）；研究性学习一般也不受课堂教学时间与地点的限制，学生可以进图书馆查阅资料，可以开展社会调查、进行实地考察等等。