高中物理探究学习教学设计的实践研究

　　李友兴
　　摘要：以建构主义理论为依据，整合现代信息技术，从探究学习教学设计的内涵、硬件教学环境设计、软件教学环境设计、探究学习教学过程设计、探究学习教学设计评价、探究学习的教育功能等方面对高中物理探究学习教学设计进行详细的论述，并通过实例进行分析。
　　关键词：现代信息技术 高中物理 探究学习 教学设计
　　一、问题的提出
　　《普通高中物理课程标准》指出：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。新课程把这一理念作为实施教学的基本理念。
　　为了更好地实现物理学科教学新理念、适应《普通高中物理课程标准》和新课程的需要，帮助学生从被动的学习者转变为主动的学习者，在探究物理规律的过程中培养获取和处理信息的基本科学方法和思维模式，在参与解决问题、参与决策、参与小组讨论、参与学习评价的过程中，将所掌握的科学知识同他们从多种渠道获得的知识联系起来，并将所学的科学知识应用到新的问题中去，在学习过程中逐步形成科学探究能力。因此，有必要对新课程、新理念背景下的探究学习教学设计进行研究。
　　二、探究学习教学设计的内涵
　　教学设计是教学理论向教学实践转化的桥梁。所谓教学设计，是以获得优化的教学过程为目的，以学习理论、教学理论和传播理论为基础，运用系统方法分析教学问题、确定教学目标、建立解决教学问题的策略方案、试行解决方案、评价试行结果和修改方案的过程。它包含教学设计的前期分析（包括学习背景分析、学习任务分析、学生分析）、教学策略设计（含教学媒体的选择）、教学设计的评价（含教后的反思）等方面。
　　探究学习教学设计是指：运用系统方法分析教学问题、阐明教学目标，建立基于现代信息技术、网络资源，同时运用科学探究的方法（即学生用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家研究自然界所用的方法而进行的各种活动，包括观察、测量、制作、提出假设、进行实验、提出模型和交流），以帮助学生主动获取知识、发展科学探究能力、形成科学概念、养成探索未知世界的积极态度的策略方案，试行解决方案、评价试行结果和修改方案的过程。
　　探究学习教学设计实质上是基于现代信息技术、网络资源，将科学问题的探究引人课堂，使学生通过类似科学家的探究过程理解科学概念和科学探究的本质，并培养科学探究能力的一种特殊的过程。
　　实施探究学习的目的是：不但使学生知道知识的结果和结论，同时懂得获取知识的过程和方法，养成探索未知世界的积极态度。
　　三、探究学习的教学环境设计
　　教学环境是学生可以在其中进行自主探究学习的平台，是一个支持和促进学生学习的场所。建构主义认为，学生在丰富的学习环境下，充分利用学习资源，借助老师、同学的帮助，通过意义建构的方式而获取知识。传统的教室是学习资源和认知工具相对贫乏的学习环境，这种学习环境使得学生的探究学习极为困难。而基于现代信息技术的学习环境（数字化学习环境）有充裕的信息资源和促进探究学习的认知工具。
　　1、硬件教学环境设计
　　学校校园网由网管中心、主干网和各楼内的局域网组成，覆盖整个校园。数字化教室与中心交换机实现数百兆连接，供学生上因特网用；配有多媒体教学控制系统、教师机；学生每人（或合作小组）配一台多媒体电脑作为学生工作站，所有电脑均连接在学校的校园网上，成为学生自主学习的工具。
　　2、软件教学环境设计
　　软件教学环境包括网络资源库和讨论区，核心是校园网上的网络资源库。
　　2.1网络资源环境——网络资源库
　　虚拟实验室校园网上的网络资源库是一种基于网络技术搭建的智能化平台所支撑的、＂丰富＂的教学环境。该教学环境结构图如下：
　　教师
　　背景资料库
　　交流与反馈
　　网络课件库
　　网络资源库
　　学生
　　探究学习
　　探究
　　讨论平台
　　智能习题库
　　教学素材库
　　探究学习案例库
　　相关网站
　　学生
　　交流与反馈
　　图一 探究学习的教学环境结构图
　　校园网上的网络资源是一种开放型的学习资源，它包括电子教材、录像资料、音频资料、视频资料、文字材料、网络信息资源等。
　　教学素材库为学生提供自学素材；网络课件库为学生或教师提供网络课件；背景资料库提供与教材内容相关的多媒体资料和指导性自学资料，以扩大学生的知识面，提高学生自主学习能力。
　　虚拟实验室备有演示性实验、辅助性实验、拓展性实验、设计性实验，设计实验系统为学生提供一个展示自己才华的平台。
　　智能习题库备有智能题库系统、智能考试系统，学生可根据自己的需要，选用不同内容、不同层次的习题进行自我检测。
　　探究式学习案例库提供了一些有关学生探究式学习的案例供学生参考，将课堂内的探究活动延伸到课外的实验、调查及其它学习活动，并从相关网站向外延伸到因特网。
　　2.2协作学习环境——校园网上的讨论区
　　校园网上＂讨论区＂的设立，从根本上冲破了传统课堂教学中教学时间和教学空间的限制。讨论区包括学科论坛和在线答疑。
　　教师与学生、学生与学生之间的交流，可以通过基于网络环境的讨论区来实现，最常用的是BBS论坛方式。其次，可以采用在线答疑的方式进行讨论和交流。例如采用E-mail、ICQ等方式来实现讨论和交流，它更适合于个别化学习。
　　四、高中物理探究学习教学过程设计
　　在长期的教学实践和教改实验中，我们将现代信息技术与高中物理课程加以整合，以培养学生的物理创新意识和解决实际问题的能力为宗旨，以学生自主学习为核心，以诱导型探究为主要学习方式，以学生自我评价和他人对学生评价相结合为主要评价方式，形成了探究学习教学过程设计。该教学过程设计的流程图如下所示：
　　自主探究
　　提出假设
　　测试
　　反馈
　　小结
　　交流
　　创设情景
　　提出问题
　　验证假设
　　协作探究
　　问 题 探 究 评 价图二 高中物理探究学习教学过程设计流程图
　　该教学过程设计分以下几个环节：
　　1、提出问题，创设情景
　　教师通过不同的途径和方式（如教师引导、学生之间的讨论、师生之间的讨论）激发学生提出科学的问题。接着，利用现代信息技术创设特定的学习情景（如观察、实验、案例分析、研究图片等），引导学生进入学习，同时提供解决问题所需的信息资料、实验仪器。
　　2、提出假设，科学验证
　　探究学习教学设计的核心要素，是要求学生提出假设、设计探究方案进行探究，直至得出结论。这阶段是自主探究阶段，具体包括：（1）根据已有的知识、经验或收集的信息作出比较合理的猜想、假设和设计探究方案；（2）由学生通过网络访问教师放置在校园网网络服务器上的网络资源库。学生带着问题或实验方案通过网络的必要帮助独立进入教师设置的学习环境进行探究；或者通过现代信息技术与多媒体实验辅助系统进行实时实验探究，收集实验数据。
　　3、分析讨论，得出结论
　　这阶段是协作探究阶段，具体包括：（1）对收集到的信息进行分析、鉴别、处理，得出结论；（2）对得出的结论作出科学解释。在分析讨论过程中，必要时可通过网络的辅助进行网上协作学习。学生通过网络的辅助，将各自的猜想、假设、实验方案或得出的结论带入网络讨论区进行交流，比较各小组的探究过程和思维结论，从中获取成功的经验和失败的教训，使自己的思维过程更趋合理。
　　4、小结交流，测试反馈
　　（1）学生对各自的探究过程进行小结，陈述各自的探究结论或实验现象与结论，并对各自的探究过程和结论进行反思、评价；（2）学生对他人的探究过程和结论进行反思、评价，提出建设性的意见和建议；（3）教师对本课的学生小结进行适当的补充、总结和评价，并让学生浏览网页＂小结＂；（4）小结后，引导学生进入网络智能习题库，完成自我测试，测试结果由计算机网络当即反馈给学生。
　　这种探究学习教学设计不仅关注学生＂知道什么＂，更关注学生＂怎样才能知道＂，在＂让学生自己学会并进而会学＂方面下功夫，通过学生的主动参与、亲身体验促进学生对科学知识的＂动态建构＂。
　　五、探究学习教学设计的评价
　　探究学习教学设计的评价是指：以现代科学的教育思想、教育理念、教学方法、教学手段、教学目标为依据，运用科学方法，对教学设计方案进行价值判断，并为以后的教学设计提供信息反馈的过程。教学设计的评价既有一般教学评价的共性，也有其本身的特点。
　　探究学习的课堂教学设计评价主要是形成性评价，目的是获得教学设计方案的成功或失败的反馈信息，对教学设计方案作出进一步的修改，提高教学设计方案的质量，真正实现教学过程的优化；就教学评价而言，是对学习过程及其结果的评价。这种评价有利于促进学生探究技能的发展和自主学习能力的提高。
　　对学生学习的评价是以学生的探究活动过程为重点，主要体现以下几个方面 ：
　　（1）主动性原则：学生在探究活动过程中主动参与的程度。
　　（2）实践性原则：学生参与探究活动的深入和拓展程度、探究方案的科学性和合理性，以及开展探究活动的效率。
　　（3）创造性原则：学生的发展性学力和创造性学力是否提高。
　　（4）建构性原则：学生对所学知识的意义建构。
　　对学生学习评价的目的是将学生的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，学生在科学探究活动中通过经历与科学工作者进行科学探究时的相似过程，学习物理知识与技能，体验科学探究的乐趣，学习科学家的科学探究方法，领悟科学的思想和精神。
　　六、探究学习的课堂教学过程设计案例分析
　　下面以高中物理《原子的核式结构》为例来分析探究学习课堂教学设计的思想。
　　（一）教学目标设计
　　1、知识与技能：①了解电子发现的过程和重大意义；②知道汤姆生原子模型；③知道a粒子散射实验，说出其设计思想；④知道原子的核式结构模型的主要内容，理解模型提出的主要思想。
　　2、过程与方法：①初步具备实验设计能力和抽象思维能力；②具有理解和概括实验现象的能力，逻辑推理实验结果的能力；③体验科学探究过程。
　　3、情感、态度和价值观：通过原子核式结构发现的教学，初步养成科学的世界观、顽强的意志品质和实事求是的科学态度。
　　（二）教学过程设计
　　1 、提出问题，创设情景
　　（1）问题的提出
　　上课前播放背景音乐；上课后引导学生通过校园网进入背景资料库学习有关情景资料，激发学生质疑。如：①三项重大物理发现是怎样发现的？三项重大物理发现具有什么意义？②原子的组成问题是怎样被提出来的？③原子的核式结构是怎样被发现的？通过浏览网页呈现递进式的问题，引导学生进入学习情景。
　　（2）问题情景的创设
　　学生学习的情景资料有：①19世纪的最后十年中三项重大物理发现（X射线、天然放射线、电子）的音频、视频资料；②近代物理发展史实的音频、视频资料；③核能释放（原子弹爆炸、核电站）的音频、视频资料。
　　2 、 提出假设，科学验证
　　这一阶段是学生自主探究阶段，学生带着疑问进入自主探究学习网页。该网页由电子的发现、汤姆生模型、α粒子散射实验等三大学习任务组成。各个学习任务的学习内容如下：
　　（1）电子的发现
　　该学习任务主要是探究汤姆生怎样对阴极射线进行研究直至发现电子及电子发现的意义。学习内容有：①电子的发现（点击＂实验装置＂，出现阴极射线实验装置模拟图；点击实验装置中的＂开始＂，播放工作原理、物理过程动画）；②电子是怎样被发现的？③为什么说电子是原子的组成部分？④电子的发现具有什么意义？⑤电子与带正电的物质怎样构成原子呢？⑥电子质量很小，原子的质量集中在哪里？
　　（2）提出假设——汤姆生原子模型
　　该学习任务主要是探究汤姆生对原子结构的研究。学习内容有：①汤姆生模型的提出及其理论，包括：文字材料和模型模拟图；②实验验证；③实验结果与假设的矛盾；④该模型的成功和不足之处。
　　（3）设计新的探究方案——α粒子散射实验
　　该学习任务主要是探究α粒子散射实验现象。由于α粒子散射实验无法用真实的实验演示给学生看，通过多媒体网络技术，这一难点迎刃而解。该学习任务有：①实验设计思想；②实验装置模拟图；③实验过程模拟；④实验现象观察；⑤实验结果及分析，其中设置了4个层层递进的问题，并配以动画模拟演示。
　　3 、分析讨论，得出结论
　　这一阶段是学生合作探究阶段，学生对自主探究过程中遇到的问题与与老师或学生进行讨论、交流，可以是面对面的交流，也可以进入网络交流。通过分析讨论，寻找物理规律。
　　（1）α粒子散射实验现象与汤姆生原子结构学说间矛盾的研究
　　该学习任务主要是通过研究α粒子散射实验现象与汤姆生对原子结构学说的矛盾来探究新的学说。
　　（2）卢瑟福核式结构模型的构建
　　该学习任务主要是探究原子核式结构模型的建立过程。学习任务有：①卢瑟福核式结构模型提出的背景、依据及其理论；②卢瑟福原子核式结构模型对α粒子散射实验现象的解释；③原子核大小的估计。
　　4 、小结交流，测试反馈
　　（1）小结交流：该学习任务主要是由学生对本节课研究的主要内容、研究的思路、研究的方法进行归纳和总结，形成结论。教师指导学生学习网页＂小结＂。
　　（2）网上测试：针对本课所学内容进行练习，以巩固和延伸所学知识。
　　此外，有疑问的学生可以进入＂疑难导学＂网页进一步学习，学有余力的学生可进入教学资料库浏览教学资料，如有关汤姆生的资料、有关卢瑟福的资料等，还可以进入与本课题相关的网站进行学习。
　　七、探究学习教学设计的教育功能
　　教学实践表明，与以灌输、记诵、被动接受为特征的传统课堂教学相比，探究学习教学设计在教师现、学生观、学习观和评价观上均体现了独特的见解和主张，具有新颖而丰富的内涵，具有传统课堂教学无法实现的教育功能。
　　1、 有利于学生深入理解所学知识
　　实施探究学习使学生由被动的学习者向主动的学习者转变；探究学习教学设计
　　强调学生的自主探索、思考、发现，在学习过程中，让每一位学生实时体验知识的发现和＂创造＂过程；学生的学习结果是学生自己发现或探索出来的，学生不但知道知识的结果和结论，同时懂得获取知识的过程和方法，有利于学生深入理解所学知识。
　　2、 利于培养学生科学探究能力
　　探究学习教学设计强调学生的自主探究实践，要求学生关注自身生活和社会生
　　活，亲身参与探究实践活动，从而发现问题和解决问题；强调学生的探究过程，关注学生在探究活动过程中主动参与的程度，学生通过确定课题、进行探究、表达交流、总结提高等具体的探究过程，获得体验、感悟，获得知识的结果和结论，同时发展科学探究能力。
　　3、 有利于学生养成科学态度和科学精神
　　探究学习是一种使学生独立探索、自行发现问题并掌握知识的一种学习方式。
　　它是学生在一定的问题情境中，借助现代信息技术和网络环境、课本和教师等提供的学习支持资源，或独立探索，或协作讨论，通过自主探究、互相协作等方式最终找到解决问题的方式和方法，进而形成正确的结论与概念。在亲身探究中，学生真切地感受到了＂要知此事要躬行＂的道理。这种亲历过程，使他们渐渐养成只有经过亲身观察和检验才真正相信的科学态度和科学精神。
　　4、 有利于提高学生的协作精神、信息处理能力和自我评价能力；
　　探究学习过程中需要学生相互合作、协同，进行各种协调一致的尝试，这些合
　　作与交流的实践和经验，可以帮助学生学习按照一定规则开展讨论（而不是争吵）的艺术，学会准确地与他人交流：向别人解释自己的想法，倾听别人的想法，善待批评以审视自己的观点、获得更正确的认识，学会相互接纳、赞赏、分享、互助，从而促进学生协作精神的提高。
　　此外，探究学习教学设计注重学生在开放的知识背景中去发现问题，基于信息化网络资源的支持进行探究，从网络资源中收集对自己有用的信息、获取自己所需要的资料，对收集的信息和获取的资料进行分析、整理、加工、重组，提出解决问题的假说；根据假说，提出解决问题的方案，对假说进行验证、评价。这样的探究技能训练，有利于提高学生的信息处理能力和自我评价能力。
　　5、有利于个别化教学的实施
　　探究学习教学设计强调学生自主探索、思考、发现，利用多媒体和网络技术创设高、中、低多层次非线性的教学环境，对学生的＂脑、手、眼、口、耳＂进行＂全频道＂式输入，帮助学生发现问题、剖析和解决问题，以适应不同层次学生个体差异性的需求。通过问题情景的诱导，让每一位学生实时体验知识的发现和＂创造＂过程，不同的学生根据自己的原有水平不同程度地＂创造＂出知识、发展探究技能，从而使个别化教学成为现实；此外，这种教学设计模式使学生主动地从课堂内的学习延伸到课堂之外，从而冲破了传统课堂教学中的时间和空间的限制，更有利于个别化教学的实施。
　　但是，探究学习教学设计是一种正在探讨和尝试之中的创新型教学方案，在实施探究学习的同时要注意多种教学方案和教学方法的运用，充分发挥探究性学习与传统的接受性学习之间的互补优势，使两者相得益彰。
　　参考文献
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