研究性学习与物理学科教学整合的初探 吴晓燕 当人类跨入21世纪之时，随着知识经济的兴起和我国加入WTO，对我们基础教育提出了许多新的要求，其中最为重要的是培养出一大批具有创新精神和实践能力的新型人才。因而整个社会更加重视教育，未来国家对人才的争夺战将会越来越激烈。世界各国在80年代末纷纷对本国的教育系统做重大改变，“研究性学习”正被国际教育界普遍推崇。我国于2001年秋季全面开始实施研究性课程，并列入教学大纲。 一、什么是研究性学习 对于研究性学习的含义，可以有广义和狭义两种理解。从广义理解，它泛指学生探究问题的学习，可以贯穿在各种、各类学习活动之中；从狭义理解，它是指学生在教师指导下，从自然现象，社会现象和自我生活中选择和确定研究专题，在开放式情景中，通过多渠道主动地获取知识、应用知识解决问题的学习活动。作为一种学习方式的研究性学习是与传统的接受性学习相对应的，它重参与、重过程，与传统的课程教学重知识、重结果有很大的区别，但不是完全对立的。 二、目前研究性学习开设现状和思考 在中国内地，上海、江苏太仓高级中学，北大附中等地或学校开展研究性学习课程较早。大多数学校是每周开设1个半天，或一整天或一学期开设一二周作为研究性课程活动时间，取得了非常好的成绩。但从全国已获成功经验来看，大多数是城市学校，父母文化程度普遍较高，而且高等院校云集，这为他们提供了非常有利的条件，使得许多难以解决的问题迎刃而解。而地处小城镇的农村学校虽不乏有成功例子，但据本人了解有相当部分是由老师一手操办或杜撰而成的。如某学校高一刚入校的新生开展研究性学习，针对本校池塘水受污染的实际出发，选择研究性课题——《让池塘水变清的研究》。这本来是非常好的一个选题，但整个研究活动是学生往池塘里分几次倒了几袋石灰，让池塘里的鱼死个精光，可经师生“共同努力”，最后的结题报告居然获奖了，这给全校师生造成了及其恶劣的影响，尤其给学生的心灵造成了不可估量的摧残。 另外我们也要清醒地认识到，如果仅仅在研究性课程中才实施研究性学习，而在各学科教学中依然如旧。那研究性课程是无法开设好的，效果也肯定是不能令人满意的。美国在20世纪三四十年代后期实施与学科教学隔离的以培养学生创造技能技法为目的的创造教育，直至最近仍有研究成果明确表示这种创造教育是没有明显效果的。 所以我认为高中阶段增设研究性课程是当今课程管理体系的“无奈之举”，是“不得已而为之”的，因为这样至少可以保证让每所学校切实地将研究性学习开展起来。但从学习成效看，只有将研究性学习与学科教学有机地整合在一起，研究性学习才不会成为无源之水、无本之木，而学科教学也才能更丰富多彩、更贴近时代、更受学生欢迎。也只有将研究性学习与学科教学有机地整合在一起，才能真正实现打好学生基础，开发学生潜能，激发学生创造力的目的，让我们的基础教育更适应新时代对人才培养的要求。 三、我的认识与初探 通过认真学习中学物理教材与中学物理教学大纲，我发现在《物理教学大纲》第四部分中提出的教学应该注意的七点就与研究性学习的目的完全一致，况且物理学科自身的特点也特别适合于将研究性学习与学科教学相整合。只要处理得当，应该可以做到既有效地指导学生掌握基本知识和基本技能，又培养学生主动学习，积极探究的意识和能力。 基于以上的思考与认识，我努力选择合适的教学内容与研究性学习整合，并且注意循序渐进，润物细无声。希望能将一些最基本的科学素养内化为学生自身的一种素质。 研究性学习与物理学科教学整合实例如下： 实例一：《力》第四节《摩擦力》中关于滑动摩擦力大小的教学设计如下： 在引入滑动摩擦力概念之后设计了以下几个问题： （1）请同学们猜想滑动摩擦力大小与哪些因素有关？ 引导从滑动摩擦力产生的条件去思考。（m、v、s、FN、、粗糙程度等） （2）该如何去验证呢？———实验方法。 （3）哪该如何设计实验呢？ 教师提示思考：a：能否让所有可能的相关物理量都同时变化或几个同时变化？ b：初中是如何研究密度 ρ 与m、v的关系的？ 师生共同得知：应该只让一个可能相关的物理量发生变化、而保持其余物理量不变，依次研究滑动摩擦力与他们的各自关系，再综合归纳得出结论。这是物理学上最常用的方法之一 ——控制变量法。 （4）考虑学生刚入高一，我即出示实验仪器，并详细介绍仪器构造及原理。 F外 （5）教师提问：如何操作可以进行定性的研究呢？ a：将物块放置在传送带上，将传送带速度换挡。 b：将自制两块表面粗糙程度不同（事先让前面的学生摸过并告知全体学生）的滑块分别放置在传送带上。 c：同一滑块放在传送带上先后在其上方加放不同的砝码。 师生共同活动：分步观察实验现象并用列表记录数据。 经过上述步骤，由学生得出结论，并用自己的语言进行表述。 （6）教师追问：如何定量讨论滑块所受摩擦力与正压力大小间的关系呢？ 实例二： 《物体的运动》中第二节《位移和时间关系》的教学设计如下： . 动画引入：一辆小汽车正在市区行驶，街边不少的建筑物、来往车辆及人都有特写镜头，其中有一标志性的建筑物离小汽车越来越远，并多次出现远、近镜头。 观察思考：能否将描述物体运动的物理量与该段画面相结合来进行叙述？ 提出问题：a：那怎么研究该辆小汽车（以标志性建筑物为参照物）的位移和时间关系呢？——实验方法。 b：如何获得s t数据？ 在学生充分讨论基础上，选定其中最佳方案：让汽车（甲）在平直公路上行驶，相隔一定距离设置一个标志物，然后测出汽车从出发到这些标志物所需的时间。 多媒体动画模拟得到数据如下： S（米） 0 200 400 600 800 1000 1200 t（秒） 0 10.0 20.1 29.9 40.0 49.8 60.2 学生观察数据得到初步结论——位移和时间成正比，当然也可以通过计算s / t的比值来进行判断，启发学生用图象法进行数据处理，使得s – t关系更加直观形象。 师生共同建立坐标系之后，让学生描点作图，并用实物投影点评学生作业情况（单位长度如何恰当选择、如何描点、如何连线）。 得到结论：汽车（甲）的位移和时间成正比，s-t图像是一条经过坐标原点的倾斜直线。 出示研究另一辆汽车（乙）与自行车运动所得到的s-t数据如下： 汽车（乙）： S（米） 0 200 400 600 800 1000 1200 t（秒） 0 15.0 30.1 44.9 60.0 75.2 89.8 自行车： S（米） 0 10 20 30 40 50 60 t（秒） 0 3.6 5.8 7.8 9.8 14.7 16.0 要求学生观察数据发现：s-t的关系并作出s-t图象进行分析。 作图发现：汽车（乙）的位移和时间成正比，s-t图像是一条经过坐标原点的倾斜直线。 自行车的位移和时间不成正比，s-t图象不是一条经直线，而是一条曲线。 教师语：我们将汽车（甲）、汽车（乙）的运动都称为匀速直线运动，而将自行车的运动称为变速直线运动。那你能说出匀速直线运动和变速直线运动的定义与特点吗？ 教师语：汽车（甲）、汽车（乙）都作匀速直线运动，且它们的s-t图象都是一条经过坐标原点的倾斜直线，它们的s / t 的比值是不相等的常数，那这个常数反映了物体运动的什么特点呢？――为下一节课引出速度概念创设情境。 实例三：《物体的运动》中第四节《速度和时间关系》的教学设计如下： 创设情境，巩固知识，迁移方法能力 师：请同学观看一段录像，并注意观察录像中各物体的运动情况 多媒体画面：呈现99国庆阅兵的场面片断及定格某辆坦克车 师问：坦克方阵中某辆车在做什么运动？ 生答：匀速直线运动。 师问：怎么判知？ 生答：通过观察发现位移与时间成正比 师问：那如何进行定量的研究呢？ 师生互动完成s-t关系的复习 创设实验情境获取数据，多媒体动画展示过程并出示表格进行记录 S(m) 0 100 150 240 320 400 500 t(s) 0 14.0 22.0 34.0 46.5 56.5 72.0 S/m t/s 师追问：若所作s—t图如下所示则表示物体做什么运动？ 复习小结：研究问题的一般过程 实 践 应 用 观察 处理 数据 寻找 规律 采集 数据 创设实验情景 启发描述运动的物理量有s·t·v 生答：可从研究v-t关系来入手呢？ 猜想引入，激发探究，亲历过程，体验成功 师问：我们学习过直线运动有匀速直线运动和变速直线运动，你愿意哪种运动形式入手来研究速度和时间关系？ 生答：从匀速直线运动入手。 教师评价：很好，符合从简单到复杂的认知规律。 师问：那我们该怎么设计方案来进行研究呢？ 问题一：匀速直线运动的速度时间关系 汽车驾驶室旁坐一学生记录下某时刻速度计时器所对应的值，获取数据v-t，其余步骤同上。多媒体动画：展现该过程并同时出现数据记录表格，在分步作图的过程中学会规范作图（正确描点、连线） 学生得出结论：匀速直线运动的v-t图象是一条平行于t轴的直线。 学生思考：从匀速直线的v-t图象中能求运动物体的哪些物理量 a：V大小＝ m/s b：S大小为v-t图象与t轴所围面积 S前两秒内＝ m S第2秒内＝ m V′＝ m/s S′第二秒内＝ m （要求实现即时反馈人数较多两种答案） 引发学生思考：速度图象处于t轴上、下有何不同呢？ 学生总结：匀速直线运动的速度图象①是一条平行于t轴直线 ②可求V·S的大小及方向 观察小物体从空中下落过程中速度与时间关系 回忆火车进站时速度与时间关系 在学生回答基础上引出： 问题二：变速直线运动的速度时间关系 师问：怎么设计方案研究？ 学生回答，教师点评方案可行性 由于条件限制，教师给出可靠数据三组：请学生根据给出数据来研究三个物体在给定过程中的运动情况 1、研究重物下落过程中速度时间关系 2、研究火车进站过程中速度和时间的关系 3、汽车行驶在笔直马路上速度与时间的关系
t 5 10 15 20 25 30 35 Vm/s 1 8 10 15 15 15 15
数据处理：观察数据后作s-t图象，发现是一条倾斜的直线。
寻找规律：在误差范围内可认为该汽车做匀速直线运动
师问：除了从s-t关系入手研究运动物体规律外，还可从哪些方面入手来研究？
网络要求：学生每人屏幕上均有三组数据，且设置选择键，经网络反馈到教师处，教师可了解学生选择数据情况，以便调控。
工具要求：铅笔、尺子、作图纸
在学生探究过程中，教师巡视发现学生中出现的问题并纪录有代表性的问题
教师活动：将学生有代表性的作图分组在投影仪上讲评
师问：通过大家的研究可得到什么结论？
生答：重物下落的V—t图像是一条倾斜直线
火车进站的V—t图像是一条倾斜直线
马路上行驶汽车的V—t图像是一条曲线
教师活动：肯定学生的回答，并用多媒体在一张幻灯片上同时打出三个物体在研究过程中的V—t图像
师问：通过比较三个物体的V—t图像，你发现了什么？
生答：a、b两图像经相同的时间，速度改变相同，c则不是
师问：在我们研究的过程中，我们将a、b两物体的运动称为匀变速直线运动，你能给出匀变速直线运动的定义吗？
生答：在变速直线运动中，物体在相等时间内速度改变相等，我们将这种运动称为匀变速直线运动。在变速直线运动中，物体在相等时间内速度改变不相等，这样的运动称为变速直线运动。
师问：若将匀变速直线运动分类，则可分几类？
生答：匀加速直线运动 匀减速直线运动
教师说明：
⑴匀变速直线运动，匀速直线运动是一种理想化模型，但现实生活中许多物体的运动是可视为匀变速运动来处理。
⑵我们往往在科学研究过程中根据需要引入新的概念来解决问题。
小结：布置思考题
思考题：
①s-t图像与t轴夹角的正切值表示速度，那么v-t图像与t轴夹角的正切值表示什么呢？
②匀速直线运动图像与t轴所围面积表示物体运动的位移，那变速直线运动
图像与t轴所围面积也能表示该段时间的位移吗？
巩固练习：（能够实时反馈学生答题情况，教师有针对性的评讲）
拓宽延伸、走向课外、研究探索、展示风采
布置作业及课后研究性小课题
课题1：研究本班一同学在百米跑步中速度与时间的关系
课题2：研究火车启动、火车进站的速度时间关系
课题3：家庭自来水使用量与时间关系调查及分析
课题4：了解汽车速度计构造及工作原理
校园网站应备相关资料
1、火车进站，出站的录像资料
2、飞机着陆，起飞的录像资料
3、神舟五号升空的过程录像资料
在相继完成《位移和时间关系》、《速度和时间关系》之后，我布置全体学生设计并完成实验《探索弹力和弹簧伸长的关系》。基本上所有学生都能单独顺利地完成实验、能用列表、图象两种方法来处理数据，并由此得出正确结论。在第三章牛顿第二定律的教学中，又一次应用控制变量法来进行物体加速度与哪些因素有关的研究。在此基础上，我在上机械振动时，布置给学生一个研究性课题——关于弹簧振子的振动周期决定因素的研究？对于该课题，我所教的班级学生查阅资料后基本能设计出科学的研究方案，并且基本能按探究性方式进行定量操作，由于数据测量误差较大，有一部分学生虽无法从实验得出定量结论，但也能进行原因分析。这样说明学生已基本掌握这种科学研究方法并能运用于未知领域的探索中。在上完机械振动后，我布置学生完成课题《测当地重力加速度的方法与比较》分小组进行。要求学生选择尽可能多的方案进行研究，并需验证可行性，不可行的需要说明原因，然后将可行的方法所测g值进行比较和简单的误差分析，最后形成一篇小论文，打印成文。这样既复习巩固了许多知识，又培养了学生发散性思维。 在上《万有引力定律》时，我布置相关研究性课题《我国航天技术发展年鉴》《我国航天史》。主要要求学生多人协作上网查资料，将有效信息加工成一篇小论文。
实例四：“道路交通安全的力学分析”教学设计如下：
创设情境、激发兴趣、问题纷呈、课题引入
多媒体画面：车水马龙的公路上，有隔离带（有人正翻越），斑马线（行人正在行走）一辆汽车A驶过一段笔直公路后转弯时撞向防护栏，安全气囊正常工作，车毁但人仅受轻伤。继续出现另一画面，一辆汽车B正在笔直公路行驶，司机发现一中年妇女遇红灯而穿越斑马线，司机采取紧急刹车，恰好停在该妇女的旁边，避免了一起交通事故的发生。
师：汽车作为现代化的运输和代步工具正在日益普及，它作为科技知识的结晶，波及到物理学中的力学、热学、电磁学、光学等方面知识，它正日益丰富方便着我们的生活，但也给不少的家庭造成悲剧，使国家、个人遭受了重大损失。（多媒体画面呈现——世界上我国每年因车祸死亡的人数及造成的经济损失的数据统计）
所以今天我们很有必要来探讨道路交通安全的力学问题。先请同学们就引入画面提出自己感兴趣的想要深入探究的问题。
学生活动：按事先分好的四人一组进行讨论，由一人将本组想要研究的问题文字录入。每人的显示屏上均可显现各组录入情况，这样师生都可随时了解大家想要研究的问题的动态情况。
师生活动：将收集到的问题归结为光学、热学、电磁学、力学及STS问题等几类，将其中力学问题又细分为汽车的受力、运动、安全问题，这样就自然过渡到本节课教师事先设置要探究的三个问题上来。
共享资源、互助合作、自主学习、解决问题：
问题一：汽车在几种运动状态下的受力分析？
师：汽车飞速前进的牵引力从何而来？
生：地面对汽车的摩擦力。
学生活动a：以小组为单位，利用桌上的仪器进行设计并验证刚才的回答。
（教师巡回走动，可在个别学生有困难时进行个别指导）
b：抽查一、二小组要求学生用口头语言表达自己的设计方案及操作过程，观察到的现象及得到的结论。
师：若汽车的后轮为驱动轮，则前轮后轮受到的摩擦力有何区别？
师生活动：后轮——静摩擦力（牵引力） 前轮——滚动摩擦力
追问：a、汽车在没刹车自然停止时驱动轮，从动轮受力情况如何？
b、汽车在紧急刹车停止时驱动轮，从动轮受力情况如何？
学生活动：
先填下表，（计算机的软件支持对学生的答案进行及时判断正确与错误），并建议同学上校园网查找有关信息（路径已事先设好）来帮助理解掌握该内容。
|
轮胎名称 |
正常行驶 |
自然停下 |
刹车时 |
|
驱动轮 |
静摩擦力 |
滚动摩擦力 |
滑动摩擦力 |
|
从动轮 |
滚动摩擦力 |
滚动摩擦力 |
滚动摩擦力 |
结论：汽车在不同运动情况下，从动轮都受到滚动摩擦力，主动轮则情况不同。
问题二：运动情况分析
出示例题并以动画展现（显示两种不同停车情况轮胎运动的不同及运动过程）
例题：课题引入画面中的B车速度为
不踩刹车：
踩下刹车：
教师实物投影学生的解答并进行评价
教师继续出示以下问题要求学生讨论后回答：
a、刚才B车司机是在
b、若该车司机因酒后驾车致使反应时间变长为t=1.5s，则同样刹车情况下停车他能避免发生交通事故吗？（不能）
c、 若该车司机是超速行驶v=
引导学生得到结论：
司机超速行驶酒后驾车是很危险的，行人也必须遵守交通规则。
教师总结：
a、常规的紧急刹车效果不理想，现在有ABS防抱死系统，建议学生上校园网了解它的优点及工作原理
b、司机超速行驶造成严重后果是很多的，像课题引入画面中出现的 汽车在转弯时撞向防护栏，往往也可能是超速行驶引起的，你能分析出超速行驶为什么造成转弯时撞向防护栏吗？
（设转弯处的圆周半径R＝
学生活动（活动结果实物投影）：
所以
一般汽车在市区行驶速度
教师设问：那该怎么设计转弯处的道路呢？
学生活动：利用火车转弯处道路设计的知识进行迁移——道路倾斜。
教师评价：非常好的想法，并提议学生上校园网寻找资料证明
（如灵溪到矾山最弯处的道路照片及其它弯道照片等等）
结论：但对于一段已设计好的路段，汽车还是有一限速的问题。
问题三：有关汽车内安全防范装置的介绍。
先看一填空题：
当汽车因撞车而突然停止时，人将会因而向前冲撞挡风玻璃及方向盘上，这是由于人具有惯性、惯性是由 决定并唯一量度的，而与物体运动状态是无关。
但由于撞击时间极短（即人、车速度在极短时间内约为毫秒级将速度变为零），这样情况就相当地危险，极易致人于死地。
例题：课题引入画面中的A车的速度是
使用安全气囊
不使用安全气囊
教师提问：汽车上还有哪些安全防范装置并了解相应的工作原理
学生活动：校园网上查找资料（头枕、安全带、保险杠）
归纳得到是利用
拓宽延伸、走向课外、研究探索、展示风采
教师小节：
今天我们从力学角度探究了“道路交通安全”的问题。还有很多同学们想要了解的未知世界，现将同学们提出的想要研究的课题归结为以下几个研究性课题。希望同学们从中选取自己想要研究的课题一个，以小组合作的形式完成，并将研究动态及研究结果公布在校园网上。
研究性课题如下
课题1：如何利用自由落体知识制作一个简易人体反应尺，并用之测量研究不同人群的反应时间。
课题2：公民交通意识的调查及相应措施。
课题3：安全气囊的工作原理，制作材料。
课题4：谈公路弯道设置的利与弊。
课题5：汽车的起动与制动装置的研究。
课题6：高速公路上行车安全问题的探究。
校园网站资料应备
1、交通安全法规
2、有关世界、中国车祸的报道及数据统计。
3、汽车在不同情况下主动轮、从动轮的运动情况展示，背景应有汽车陷入泥地或冰面上无法行驶的情景，形象直观、加深印象。
4、汽车弯道设计的多幅静态照片。
5、ABS防抱死系统的详细介绍。
6、司机酒精浓度与发生车祸概率的数据统计表格。
7、汽车内安全防范装置的介绍，应包括安全气囊、安全带、头枕、保险杠、RescueCar技术。
8、世界各国轿车生产、销售情况介绍，重点介绍我国轿车生产、发展史普及情况等等。
9、世界名牌轿车及国产名牌轿车的介绍并配以实物彩照图。
通过这样的教学设计，将研究性学习与物理学科教学整合，可以达到以下效果：
1. 能提供给学生广阔的思考空间和充足的互动时间，实现课堂时间分配比1:1易如反掌。
2. 培养学生的创新意识、创新能力不再是一句空话套话，而是切切实实进行着。
3. 学生通过参与整个探究过程而激发了好奇心与创造力，逐步培养了思考和解决问题的能力，有效地锻炼了学生语言表达能力和团结互助精神。
4. 学科教学与研究性学习整合后能注重渗透S T S（科学 技术 社会）观念，具有人文气息，达到了物理知识轻松掌握，物理难点不攻自破，疑点迎刃而解的效果。
5. 物理方法、物理思想不是作为知识传授给学生，而是在教学活动中以知识为载体，以潜移默化，画龙点睛方式进行了有效地渗透，由定性到定量，由浅入深，从小做大 ，环环相扣，步步为营，注重巩固与拓展。使学生由会学物理到学会学习，这将使学生终生受益。
四、研究性学习与物理学科教学整合过程遇到的问题
首先并不是所有高中物理内容都能与研究性学习很好地进行整合，因而我们必须要有恰当的选择；再者学科教学中必须追求和落实教学的效果，这使得研究性学习的开放性与重过程的特点受到一定制约，虽可通过课外拓展的研究性课题加以弥补，但无形中有时是加重了学生的学业负担（虽然他们是非常乐意的）；当然高考这根指挥棒的导向作用似乎还不够有力；最后研究性学习与学科教学整合成功与否跟
【参考书目】
（1）《聚焦研究性学习（从理论到实践）》 刘婉华、罗潮蒙主编
中学大学出版社 2002年2月第1次版
（2）《物理教学论》 当科现代教育理论体系（物理） 阎金铎主编 广西教育出版社 1996年12月第1次版