王化銀

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出：高中物理課程應(yīng)促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生積極參與、樂于探究、勇于實(shí)驗(yàn)、勤于思考.通過多樣化的教學(xué)方式，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識與技能，培養(yǎng)其科學(xué)探究能力，使其逐步形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神.由此可見，科學(xué)探究法是今后高中物理教學(xué)中很重要的方法.

1 有效教學(xué)模式分類

參與教學(xué)活動(dòng)的要素很多，但基本的或關(guān)鍵的要素只有三個(gè)：教師、學(xué)生、所教/學(xué)的內(nèi)容.這三個(gè)要素構(gòu)成“教學(xué)三角”，形成三種教學(xué)關(guān)系，也衍生出三種教學(xué)模式.

在教學(xué)活動(dòng)中，如果強(qiáng)調(diào)“教師——內(nèi)容”邊，則會(huì)將教學(xué)理解成以教師為中心的傳授活動(dòng)，這是對教學(xué)最為傳統(tǒng)的理解，此時(shí)最為有效的教學(xué)模式是講授教學(xué)模式.如果強(qiáng)調(diào)“學(xué)生——內(nèi)容”邊，則會(huì)將教學(xué)理解成以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)與探究等方式，主動(dòng)地、個(gè)性化地建構(gòu)內(nèi)容的意義，此時(shí)最為有效的教學(xué)模式是探究教學(xué)模式.如果強(qiáng)調(diào)“教師——學(xué)生”邊，則會(huì)將教學(xué)理解成師生之間、生生之間圍繞學(xué)習(xí)內(nèi)容展開的交往對話活動(dòng)，此時(shí)最為有效的教學(xué)模式是對話教學(xué)模式.

上述三種教學(xué)模式，反映了對教學(xué)主體地位的不同理解.

2 探究教學(xué)模式的理論基礎(chǔ)

2.1 杜威的“五步教學(xué)法”

杜威倡導(dǎo)反省思維，并將反省思維分類五個(gè)階段，即著名的“思維五步”，繼而提出了相應(yīng)的“教學(xué)五步”：第一，學(xué)生要有一個(gè)真實(shí)的經(jīng)驗(yàn)的情境——要有一個(gè)對活動(dòng)本身感興趣的連續(xù)的活動(dòng)；第二，在這個(gè)情境內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)真實(shí)的問題，作為思維的刺激物；第三，要占有知識資料，從事必要的觀察，對付這個(gè)問題；第四，必須負(fù)責(zé)一步一步地展開他所想出的解決問題的方法；第五，要有機(jī)會(huì)通過運(yùn)用來檢驗(yàn)他的想法，使這個(gè)想法意義明確，并且讓他自己去發(fā)現(xiàn)它們是否有效.

2.2 布魯納的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論

發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)就是以培養(yǎng)探究性思維的方法為目標(biāo)，以基本教材為內(nèi)容，使學(xué)生通過再發(fā)現(xiàn)的步驟進(jìn)行的學(xué)習(xí).其三個(gè)基本步驟：激發(fā)、維持和引導(dǎo)，即促使活動(dòng)得以啟動(dòng)，維持活動(dòng)的繼續(xù)以及避免該活動(dòng)的隨機(jī)化發(fā)展.布魯納認(rèn)為，教授人們某些學(xué)科知識并不只是讓他們把結(jié)果記在腦中，而是讓他們參與到可能性的知識建構(gòu)的過程中來.我們教授一門學(xué)科并不是要在每個(gè)學(xué)生頭腦中建立一個(gè)學(xué)科方面的小型圖書館，而是要使學(xué)生自己能夠以數(shù)學(xué)的方式進(jìn)行思考，能夠像歷史學(xué)家那樣考慮問題，能夠參與到知識的過程中來.認(rèn)知是一個(gè)過程而非結(jié)果.

2.3 基于問題的學(xué)習(xí)

基于問題的學(xué)習(xí)就讓學(xué)生在實(shí)際問題情境中學(xué)習(xí)，讓他們把所學(xué)知識和實(shí)際生活聯(lián)系起來，以此培養(yǎng)他們的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，同時(shí)也讓他們構(gòu)建自己的知識框架.它主要具有以下特點(diǎn)：第一，以問題為焦點(diǎn)啟動(dòng)課程；第二，學(xué)生根據(jù)對問題的理解開展調(diào)查，進(jìn)行探究；第三，在基于問題的教學(xué)中，教師的角色不再是提供知識，而是創(chuàng)設(shè)問題情境，通過提問等方式引導(dǎo)、促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí).

3 理論探究教學(xué)模式例說

3.1 瞬時(shí)速度教學(xué)

3.1.1 微元法

“微元法”通俗地說就是把研究對象分為無限多個(gè)無限小的部分，取出有代表性的極小的一部分進(jìn)行分析處理，再從局部到全體綜合起來加以考慮的科學(xué)思維方法，通過這種方法可以使許多復(fù)雜的物理過程用我們熟悉的物理規(guī)律迅速的加以解決，使復(fù)雜的問題簡單化.

3.1.2 瞬時(shí)速度

教材在定義了平均速度v=ΔxΔt后進(jìn)一步指出“平均速度只能粗略地描述運(yùn)動(dòng)的快慢，為了使描述精確些，可以把Δt取得小一些，物體在從t到t+Δt這樣一個(gè)較小的時(shí)間間隔內(nèi)，運(yùn)動(dòng)快慢的差異就小些.Δt越小，運(yùn)動(dòng)的描述就越精確.可以想象，如果Δt非常非常小，就可以認(rèn)為ΔxΔt表示的是物體在時(shí)刻t的速度，這個(gè)速度叫瞬時(shí)速度.”

這里的語言很通俗，較清晰地體現(xiàn)了極限的思想，但又回避了嚴(yán)格的極限概念和計(jì)算，也沒有引入“極限”這個(gè)術(shù)語.我們在教學(xué)中如果就按照課本這樣來講述，學(xué)生對瞬時(shí)速度的概念是能理解的，對極限這樣一種思想也是能初步了解的.但由于第一次碰到這樣把近似值當(dāng)成精確值的思想方法，是抱有很大的懷疑態(tài)度，認(rèn)為這是一種近似、模糊的處理方法，在以后碰到同樣的問題時(shí)，可能不會(huì)意識到用這種方法，在這里我們不妨借助習(xí)題，來加深對瞬時(shí)速度和極限思想的理解.

例題 某做直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)的位移隨時(shí)間變化的關(guān)系式為x=5t2，x與t的單位分別是m和s，

（1）求t1=2 s到t2=3 s這段時(shí)間的平均速度；

（2）求t1=2 s到t2=2.1 s這段時(shí)間的平均速度；

（3）求t1=2 s到t2=2.01 s這段時(shí)間的平均速度；

（4）求t1=2 s到t2=2.001 s這段時(shí)間的平均速度.

解 由位移x與時(shí)間t的關(guān)系式x=5t2可以得到各段時(shí)間的平均速度

（1）=xt=5×（32-22）3-2 m/s=25 m/s；

（2）=xt=5×（2.12-22）2.1-2 m/s=20.5 m/s；

（3）=xt=5×（2.012-22）2.01-2 m/s=20.05 m/s；

（4）=xt=5×（2.0012-22）2.001-2 m/s=20.005 m/s.

從上面的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)間間隔取得越來越短時(shí)，物體平均速度的大小愈來愈趨近于數(shù)值20 m/s，實(shí)際上，20 m/s就是物體在2 s時(shí)刻的瞬時(shí)速度，它反映了物體在2 s時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的快慢程度.可見，質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)刻的瞬時(shí)速度，等于時(shí)間間隔趨于零時(shí)的平均速度值，用數(shù)學(xué)語言講，瞬時(shí)速度是平均速度的極限值.通過這樣的計(jì)算，容易困擾學(xué)生的三個(gè)問題也就很好地解決了——

問題1 任何運(yùn)動(dòng)是且只能是一個(gè)過程，而絕不是一個(gè)位置點(diǎn)或一個(gè)時(shí)刻，那么什么是物體在某一位置（或某一時(shí)刻）的速度？

問題2 即使Δt無限趨近于零，它還是一段時(shí)間，并不等于零，那么相應(yīng)的速度還是平均速度，為什么現(xiàn)在認(rèn)為是等于瞬間速度而不是近似等于瞬時(shí)速度？

3.2 向心加速度教學(xué)

3.2.1 “從平均值到瞬時(shí)值”滲透極限思想

本課教學(xué)中，理論探究過程并非一蹴而就，而是遵循學(xué)生的思維發(fā)展過程，由淺入深、由表及里地逐步推進(jìn).先是提出課題：如圖2所示，已知質(zhì)點(diǎn)做半徑為r的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，線速度大小為v.經(jīng)過時(shí)間Δt，物體從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，試求該過程中物體的加速度.

學(xué)生會(huì)覺得一籌莫展，教師提醒學(xué)生：研究物理問題的基本思路是“從簡單到復(fù)雜”，不妨從特殊到一般，若Δt=T呢？這個(gè)啟發(fā)使學(xué)生受到了鼓舞，有了探究的熱情，很快得出

（1）Δt=T，Δθ=2π，Δv=vB-vA=0，a=ΔvΔt=0.

第一步探究結(jié)果完全出乎意料，向心加速度竟然會(huì)是零？學(xué)生討論之余，教師應(yīng)“舊事重提”：瞬時(shí)速度v=ΔxΔt是如何得出的？從而使學(xué)生“恍然大悟”，加速度也有平均值和瞬時(shí)值之分，一周內(nèi)的平均值為零符合實(shí)際.

學(xué)生的探究熱情逐步高漲，順理成章地按以下步驟展開探究，具體矢量圖對應(yīng)圖3所列.

（2）Δt=T2=πrv，Δθ=π，Δv=2v，

a=ΔvΔt=2v2πr=0.64v2r.

（3）Δt=T3=2πr3v，Δθ=2π3，Δv=3v，

a=ΔvΔt=33v22πr=0.83v2r.

（4）Δt=T4=πr2v，Δθ=π2，Δv=2v，

a=ΔvΔt=22v2πr=0.90v2r.

（5）Δt=T6=πr3v，Δθ=π3，Δv=v，

a=ΔvΔt=3v2πr=0.96v2r.

（6）Δt=T12=πr6v，Δθ=π6，Δv=6-22v，

a=ΔvΔt=3（6-2）v2πr=0.99v2r.

至此，學(xué)生自然猜想到當(dāng)Δt→0時(shí)a=ΔvΔt=v2r.這個(gè)過程看似繁瑣，對思維要求卻不高，結(jié)果令人信服，教師可趁熱打鐵引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步深入探究.

3.2.2 從“小量近似”滲透曲與直的辯證關(guān)系

在數(shù)學(xué)推演過程中，有多種方法可供選擇.看似途徑不同，本質(zhì)都涉及曲與直的辯證關(guān)系.如圖4所示，當(dāng)Δt→0時(shí)，Δθ→0，弧長與弦長近似相等，即AB=AB=vΔt.根據(jù)vA、vB、Δv組成的矢量三角形與幾何三角形△ABO相似，可得

Δvv=ABr=ABr=Δθ=ωΔt，

于是a=ΔvΔt=vω=v2r=rω2.

4 反思

（1）教學(xué)中學(xué)生充分感受了科學(xué)探究的方法，如基于“小量近似法”的理論探究過程，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究能力.

（2）教學(xué)過程充分關(guān)注“極限”、“變恒辯證關(guān)系”、“曲直辯證關(guān)系”等思想和方法的滲透，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和抽象思維能力.

（3）在探究教學(xué)模式中，教學(xué)活動(dòng)的重心是“學(xué)”而不是“教”，學(xué)生進(jìn)入一個(gè)具體的問題情境中，以自身已有的知識經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過個(gè)人對問題的探究理解力來建構(gòu)有意義的知識，而教師則扮演問題設(shè)計(jì)者、探究活動(dòng)的組織者和促進(jìn)者的角色.