论文部分内容阅读
培养学生科学探究的能力，是当今科学教育发展的重要趋势；也是我国课程改革的重要目标之一.从新课程的目标来看，科学探究可以理解为一种教学理念.这就要求我们在教学过程中，引导学生进行科学探究的行为应该渗透在整个物理教学过程中.除了专门的科学探究活动外，在其他的教学活动中也可以让学生发生与科学探究个别要素有关的行为.本文以笔者亲历的课堂实录为依据，说明纠正学生的错误观点时，也可以采取科学探究的方法.
1探究纠错的基本思路
采取欲擒故纵的方式，一开始对学生的错误观点，避而不谈.首先创设一定的情景（能够得出与学生原有认识不同的结论），引导学生分析情景中的物理现象，得出一定的结论.然后根据新出现的结论与他们原有认识之间的不同，把它们之间的矛盾揭示出来；从而对原有认识提出质疑.进而引导学生进一步假定、分析解释或实验等，这些与科学探究过程中提出问题、猜想与假设、分析与论证等要素是吻合的，自然有利于提高学生相关的科学探究的能力.下面，以笔者的实际教学片断为例，说明如何利用科学探究的方式纠正学生的错误认识.
2一种错误认识
在物体受力平衡问题中，物体位于斜面上是一种常见的模型.如图1所示，斜面的倾角为α，物体重力为mg.我们习惯上把物体的重力mg沿平行于斜面和垂直斜面正交分解，垂直斜面的分力等于物体对斜面正压力，即F2=mgcosα.于是，不少学生据此认为，物体位于倾角为α的斜面上，对斜面的压力总等于mgcosα.
这个结论是错误的.但是，为什么是错的？老师通常简单的告诉学生，有的情况，不能这样分解.显然，这样简单的说明是无法让学生真正信服的.
针对学生的错误观点，笔者没有直接告诉学生正确的结论，也没有指出该观点是错误的.而是引导学生用科学探究的方法处理该问题，让学生自己认识到“为什么错了，错在哪里？”收到了很好的效果，具体做法如下.
3利用科学探究，纠正学生错误认识
3.1创设情境，引导质疑
首先向学生展示一个与其观点相悖的实例，引起学生认识上的冲突，经过质疑从而主动提出探究的问题.
实例质量为m的光滑球放在斜面和竖直挡板之间，如图2所示.求小球对斜面的压力大小.
引导学生采取合成的方法求解，并展示求解的结果.
解析物体受重力mg、挡板的弹力FN1、斜面的支持力FN2处于平衡状态，三个力的合力为零，则其中任意两个力的合力必与第三个力等大反向，如图3所示.根据几何关系有mg=FN2cosα；由牛顿第三定律，物体对斜面的压力大小等于斜面对物体的支持力大小，均为FN2=mgcosα.
这里，学生原有的认识是：物体对斜面的压力等于mgcosα，而图2中用合成的方法求得的结果是mgcosα，这就是新发现的事实与原有认识之间的矛盾.
经过这样的对比质疑，学生自然明白，物体对斜面的压力不一定等于mgcosα.但另外一个问题紧跟着就来了：物体对斜面的压力为什么不等于mgcosα？
进一步引导学生提出下述富有探究意义的问题.
3.2启发分析，引导猜想
3.2.1力的合成定则不成立吗？
有学生提出，在这种情况下，两个弹力合成的方法不能用，应该用其它的合成或分解的方法.
在这里，力的平行四边形定则，真的不成立吗？
此时可以引导学生再换一种合成或分解的方式试一试.比如，把重力mg与挡板的弹力FN1合成，利用其合力与斜面的支持力α等大反向求解.再比如，利用正交分解的方法，如此等等.
上述不同方式求解的结果，均是斜面对物体的支持力大小等于mgcosα.这表明，无论是分解的方法还是合成的方法对于本题应该是成立的.
但是，物体位于倾角为α的斜面上，对斜面的压力为什么不等于图1中重力垂直斜面的分力 ？
3.2.2重力不可以按常规方式分解吗？
在进一步思考讨论后，有学生认为，合成法与分解法均成立，只是不可以将重力按图1所示的常规方式进行分解.这种解释，纯属“经验”之谈，似乎颇有道理，受到不少学生的赞成.为了纠正新的偏差，接下来，笔者又陆续提出了如下几个问题引导学生进一步深入思考：
（1）力的分解是任意的吗？
（2）图1中F1与F2的合力是不是重力mg？
（3）图1中，能够用F1与F2来代替重力mg吗？
（4）以上结论，与物体是否受到其它力的作用有关吗？
不错，根据合力与分力的概念，只要有两个力产生的效果与原来的那个力相同，就可以用这两个力代替那一个力.对于图2的实例，我们无疑可以用图1中的F1与F2来代替重力mg，即重力依然可以按图1的方式进行分解.
至此，探究的方向逐渐清晰了.既然F1与F2代替重力没有问题，为什么结论是错？
显然，问题就出在代替后的分析过程.
3.3分析论证，释疑解惑
（1）F1与F2代替重力后，为什么不能认为F2等于物体对斜面的压力？
在F1、F2代替重力mg后，实例中的小球相当于受到四个力作用，如图4所示.小球处于平衡状态，总的合力为零.我们假设F2=FN2，要保证总的合力为零，则其余的两个力（F1与FN1）的合力也一定为零.而F1与FN1的方向不在一条直线上，因此F1与FN1的合力绝不会为零.
可见，假设不成立，即F2≠FN2.根据牛顿第三定律，斜面对小球的支持力FN2大小等于小球对斜面的压力，即小球对斜面的压力不等于F2.
也就是说，对于图2的情况，我们按照合力与分力的定义，依然可以将重力沿着平行斜面、垂直斜面的方向正交分解.但是，不能认为物体对斜面的压力等于重力垂直斜面的分力 . （2）图1中垂直斜面的分力F2为什么等于物体对斜面的正压力？
我们也可以从合力与分力的等效性上分析.在F1、F2代替重力mg后，图1中的物体相当于受到四个力作用，如图5所示.其中FN表示斜面对物体的支持力，Fμ表示斜面对物体的摩擦力.此四力恰好每两个在一条直线上，只有每一条直线上的合力均为零，才能保证总的合力为零.于是，得到F2=FN.
3.4合作讨论，拓展延伸
要求学生讨论以上探究的收获，引导他们认识到：一个物理概念的得出是科学家持续对某一类物理现象进行分析归纳，寻找它们不同于其它事物的共性逐渐得到的，概念是规律的基础，通常是普适的.也就是，概念的适用范围大于或等于相应规律的适用范围.在规律是否成立，不能确定的情况下.此时，可以考虑对照概念进行分析，也许就会柳暗花明.比如，本文讨论“能否用F1与F2来代替重力mg”，我们可以利用合力与分力的概念进行判断即可.
4科学探究就在我们身边
教学实施过程是课程目标的落实环节，其重要性毋庸置疑.教学实施过程也是体现课程理念、实现课程目标的创造性过程.除本文所述利用科学探究纠正学生错误之外，我们其实可以在教学的各个方面引导学生进行科学探究活动.比如，用讲授法介绍物理学史和现代前沿科学等一些陈述性很强的教学过程中，插入让学生质疑、假定、解释等活动，实际上就是在发展学生科学探究过程提出问题和猜想、假设的能力.
在《万有引力理论的成就》一节，关于海王星、冥王星的发现，笔者是这样进行的.先介绍历史背景，在1781年发现的第七个行星——天王星的运动轨道，总是同根据万有引力定律计算出来的结果有一定偏离，并画图向同学展示.请学生思考：为什么会出现这种定期偏离的情况？如果你是天文学家，你对这个问题怎么认识的？……引导学生认识到，可能是万有引力定律不够准确，也可能是某个未知的天体对天王星周期性作用，使其轨道与椭圆轨道产生了偏离.
再比如，在解答物理习题时引导学生自己进行因果分析、变量分析，自己进行数据处理，归纳结论，这些行为和科学探究中制定计划、分析与论证等要素相吻合的，自然有利于提高学生相关科学探究的能力.当学生出现疑问，需要解答的时候，我们可以引导学生提出自己的看法，进行合理的假设并尝试进行解释，然后引导学生进一步深入分析与论证，这些都是在培养学生科学探究能力的一些基本要求.
总之，科学探究作为一种教学理念完全可以在物理教学的多个方面进行渗透.科学探究可以发生在我们身边的每一节课上！它并不神秘.
1探究纠错的基本思路
采取欲擒故纵的方式，一开始对学生的错误观点，避而不谈.首先创设一定的情景（能够得出与学生原有认识不同的结论），引导学生分析情景中的物理现象，得出一定的结论.然后根据新出现的结论与他们原有认识之间的不同，把它们之间的矛盾揭示出来；从而对原有认识提出质疑.进而引导学生进一步假定、分析解释或实验等，这些与科学探究过程中提出问题、猜想与假设、分析与论证等要素是吻合的，自然有利于提高学生相关的科学探究的能力.下面，以笔者的实际教学片断为例，说明如何利用科学探究的方式纠正学生的错误认识.
2一种错误认识
在物体受力平衡问题中，物体位于斜面上是一种常见的模型.如图1所示，斜面的倾角为α，物体重力为mg.我们习惯上把物体的重力mg沿平行于斜面和垂直斜面正交分解，垂直斜面的分力等于物体对斜面正压力，即F2=mgcosα.于是，不少学生据此认为，物体位于倾角为α的斜面上，对斜面的压力总等于mgcosα.
这个结论是错误的.但是，为什么是错的？老师通常简单的告诉学生，有的情况，不能这样分解.显然，这样简单的说明是无法让学生真正信服的.
针对学生的错误观点，笔者没有直接告诉学生正确的结论，也没有指出该观点是错误的.而是引导学生用科学探究的方法处理该问题，让学生自己认识到“为什么错了，错在哪里？”收到了很好的效果，具体做法如下.
3利用科学探究，纠正学生错误认识
3.1创设情境，引导质疑
首先向学生展示一个与其观点相悖的实例，引起学生认识上的冲突，经过质疑从而主动提出探究的问题.
实例质量为m的光滑球放在斜面和竖直挡板之间，如图2所示.求小球对斜面的压力大小.
引导学生采取合成的方法求解，并展示求解的结果.
解析物体受重力mg、挡板的弹力FN1、斜面的支持力FN2处于平衡状态，三个力的合力为零，则其中任意两个力的合力必与第三个力等大反向，如图3所示.根据几何关系有mg=FN2cosα；由牛顿第三定律，物体对斜面的压力大小等于斜面对物体的支持力大小，均为FN2=mgcosα.
这里，学生原有的认识是：物体对斜面的压力等于mgcosα，而图2中用合成的方法求得的结果是mgcosα，这就是新发现的事实与原有认识之间的矛盾.
经过这样的对比质疑，学生自然明白，物体对斜面的压力不一定等于mgcosα.但另外一个问题紧跟着就来了：物体对斜面的压力为什么不等于mgcosα？
进一步引导学生提出下述富有探究意义的问题.
3.2启发分析，引导猜想
3.2.1力的合成定则不成立吗？
有学生提出，在这种情况下，两个弹力合成的方法不能用，应该用其它的合成或分解的方法.
在这里，力的平行四边形定则，真的不成立吗？
此时可以引导学生再换一种合成或分解的方式试一试.比如，把重力mg与挡板的弹力FN1合成，利用其合力与斜面的支持力α等大反向求解.再比如，利用正交分解的方法，如此等等.
上述不同方式求解的结果，均是斜面对物体的支持力大小等于mgcosα.这表明，无论是分解的方法还是合成的方法对于本题应该是成立的.
但是，物体位于倾角为α的斜面上，对斜面的压力为什么不等于图1中重力垂直斜面的分力 ？
3.2.2重力不可以按常规方式分解吗？
在进一步思考讨论后，有学生认为，合成法与分解法均成立，只是不可以将重力按图1所示的常规方式进行分解.这种解释，纯属“经验”之谈，似乎颇有道理，受到不少学生的赞成.为了纠正新的偏差，接下来，笔者又陆续提出了如下几个问题引导学生进一步深入思考：
（1）力的分解是任意的吗？
（2）图1中F1与F2的合力是不是重力mg？
（3）图1中，能够用F1与F2来代替重力mg吗？
（4）以上结论，与物体是否受到其它力的作用有关吗？
不错，根据合力与分力的概念，只要有两个力产生的效果与原来的那个力相同，就可以用这两个力代替那一个力.对于图2的实例，我们无疑可以用图1中的F1与F2来代替重力mg，即重力依然可以按图1的方式进行分解.
至此，探究的方向逐渐清晰了.既然F1与F2代替重力没有问题，为什么结论是错？
显然，问题就出在代替后的分析过程.
3.3分析论证，释疑解惑
（1）F1与F2代替重力后，为什么不能认为F2等于物体对斜面的压力？
在F1、F2代替重力mg后，实例中的小球相当于受到四个力作用，如图4所示.小球处于平衡状态，总的合力为零.我们假设F2=FN2，要保证总的合力为零，则其余的两个力（F1与FN1）的合力也一定为零.而F1与FN1的方向不在一条直线上，因此F1与FN1的合力绝不会为零.
可见，假设不成立，即F2≠FN2.根据牛顿第三定律，斜面对小球的支持力FN2大小等于小球对斜面的压力，即小球对斜面的压力不等于F2.
也就是说，对于图2的情况，我们按照合力与分力的定义，依然可以将重力沿着平行斜面、垂直斜面的方向正交分解.但是，不能认为物体对斜面的压力等于重力垂直斜面的分力 . （2）图1中垂直斜面的分力F2为什么等于物体对斜面的正压力？
我们也可以从合力与分力的等效性上分析.在F1、F2代替重力mg后，图1中的物体相当于受到四个力作用，如图5所示.其中FN表示斜面对物体的支持力，Fμ表示斜面对物体的摩擦力.此四力恰好每两个在一条直线上，只有每一条直线上的合力均为零，才能保证总的合力为零.于是，得到F2=FN.
3.4合作讨论，拓展延伸
要求学生讨论以上探究的收获，引导他们认识到：一个物理概念的得出是科学家持续对某一类物理现象进行分析归纳，寻找它们不同于其它事物的共性逐渐得到的，概念是规律的基础，通常是普适的.也就是，概念的适用范围大于或等于相应规律的适用范围.在规律是否成立，不能确定的情况下.此时，可以考虑对照概念进行分析，也许就会柳暗花明.比如，本文讨论“能否用F1与F2来代替重力mg”，我们可以利用合力与分力的概念进行判断即可.
4科学探究就在我们身边
教学实施过程是课程目标的落实环节，其重要性毋庸置疑.教学实施过程也是体现课程理念、实现课程目标的创造性过程.除本文所述利用科学探究纠正学生错误之外，我们其实可以在教学的各个方面引导学生进行科学探究活动.比如，用讲授法介绍物理学史和现代前沿科学等一些陈述性很强的教学过程中，插入让学生质疑、假定、解释等活动，实际上就是在发展学生科学探究过程提出问题和猜想、假设的能力.
在《万有引力理论的成就》一节，关于海王星、冥王星的发现，笔者是这样进行的.先介绍历史背景，在1781年发现的第七个行星——天王星的运动轨道，总是同根据万有引力定律计算出来的结果有一定偏离，并画图向同学展示.请学生思考：为什么会出现这种定期偏离的情况？如果你是天文学家，你对这个问题怎么认识的？……引导学生认识到，可能是万有引力定律不够准确，也可能是某个未知的天体对天王星周期性作用，使其轨道与椭圆轨道产生了偏离.
再比如，在解答物理习题时引导学生自己进行因果分析、变量分析，自己进行数据处理，归纳结论，这些行为和科学探究中制定计划、分析与论证等要素相吻合的，自然有利于提高学生相关科学探究的能力.当学生出现疑问，需要解答的时候，我们可以引导学生提出自己的看法，进行合理的假设并尝试进行解释，然后引导学生进一步深入分析与论证，这些都是在培养学生科学探究能力的一些基本要求.
总之，科学探究作为一种教学理念完全可以在物理教学的多个方面进行渗透.科学探究可以发生在我们身边的每一节课上！它并不神秘.