工科物理研究性教学的设计与实践 - 图文

教育研究课题

工科物理研究性教学的设计与实践

研究报告

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0课题概述 0.1研究背景和问题

0.1.1 背景

20世纪80年代以来，以研究性学习为切入点重构基础教育课程体系成为世界各国课程改革和教学改革的突出特点。世界各国的课程改革都把学习方式的转变视为重要内容，纷纷倡导“适度发挥学生创造力”、“自主研究”与“综合学习”等活动。例如，1996年法国开始在大学校预备班开设“适度发挥学生创造力”（Travaux dinitiative personnellle encadres简称TIPE）课程1。大学校预备班属于法国高中后教育，是法国培养高层次管理、科技、工程师人才的摇篮。TIPE课程被规定为全体学生的必修课，占学年总课时的10％。学生2－3人组成一个小组，在教师的指导下，要求对学科已有成果进行批判性的研究，鼓励学生介入学科前沿，强调学生的批判精神创新能力以及独立分析问题和解决问题的能力。由于大学校预备班的教师素质一流，队伍整齐，加上学生人数较少，指导十分到位，因此TIPE课程的开设获得了巨大的成功。美国的劳伦斯中学，从1985年开始一直为7年级的学生开设一门“自主研究”课程，该课程要求学生在教师的帮助下独立从事某项课题研究。研究要求学生必须自己提出问题，确定研究课题，设计研究方案，收集、整理、分析资料，撰写研究报告。研究性学习在日本被称为综合学习2，始于20世纪50年代，20世纪90年代在日本中小学中非常盛行。为全面推行研究性学习和把研究性学习法治化，日本文部省首次把综合学习写进了将从2002年起实施的新的小学、初中课程方案中3。“综合学习”的设置被认为是日本即将推行的新课程最突出的特色之一。香港特别行政区在2000年9月颁布的《香港教育制度改革建议》中，将“专题研习”列为课程改革的四个关键项目之一。我国台湾即将推行的新课程非常强调学习方式的转变，如作为台湾整个新课程体系之灵魂的“十大能力”的第九条规定：“激发主动探索和研究的精神”，第十条规定：“培养独立思考与解决问题的能力”。

我国基础教育经过几年的“研究性学习”实验后，于2001年4月，教育部下发了《普通高中研究性学习指南(试行)》，把“研究性学习”课程作为重要内容列入普通高中综合实践活动板块。“研究性学习”课程作为一个独具特色的课程领域，首次成为我国基础教育课程体系的有机构成，被公认为我国当前课程改

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研究性学习在法国，人教网课程教育栏目，主页>>课程研究>>课程理论>专题研究>>\研究性学习\在法国 研究性学习在日本，人教网课程教育栏目，主页>>课程研究>>课程理论>专题研究>>\研究性学习\在日本 3

摘自 《中国教育报》2002年3月14日第4版

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革的一大亮点。2002年12月，教育部在西安交通大学召开的全国高等理工科教育改革经验交流会上周济副部长提出：高等理工科教育要积极推行研究性教学，把研究性教学作为高等理工科下一步教育改革的重要内容。这一举措顺应了世界课程改革的发展趋势。 0.1.2 问题

虽然，研究性学习在我国基础教育改革中正在如火如荼的展开，但是如何把在研究性学习课程中的研究性教学方式和学习方式延伸到物理学科教学，甚至延伸到物理课堂教学在国内还是一个薄弱的研究领域。教育部在《普通高中“研究性学习实施指南(试行)》也提到：“当前,受传统学科教学目标、内容、时间和教学方式的局限,在学科教学中普遍地实施研究性学习尚有一定的困难”。这主要针对我国目前普通高中实际情况而言的。但在国外，如美国、英国、日本等，研究性教与学的方式已在科学教育的课堂上普遍运用4。对大学来说，虽然在许多专业课中有课程设计、毕业设计、毕业论文等研究性教学的内容。但是，在学科教学中，特别是工科普通物理教学中开展研究性教学则是凤毛麟角，物理学科教学中研究性教学的理论和实践都不成熟。因此，学科教学中研究性教学的理论和实践研究成为推广和开展研究性教学的攻坚战，这对新时代的每位教师来说，既是挑战又是机遇。本课题试图将研究性教与学的方式引入到高等工科普通物理学科教学之中，并以建构工科物理能量知识结构为研究性教学的主题，探索物理学科教学中研究性教学设计和实践的规律。

0.2研究的目的和意义

0.2.1研究的目的

我们通过对研究问题的筛选、分类把研究性教学教与学的方式引入到课堂教学之中，并使课堂与课外研究性教学有机地结合起来；通过能量知识结构的意义建构把建构主义的课堂教学设计理论与研究性教学的教学设计结合起来，探索研究性教学的教学设计理论；通过问题情境的设计把研究性教学的内容和方法结合起来；通过建构知识结构为主题的研究性教学把知识的掌握和创新能力的培养结合起来。从而实现研究性教学教与学的方式向物理学科教学的顺利引入，充分发挥学科教学作为开展和进行研究性教学主战场的作用，实现学科教学中教与学方式的根本转变，让学生的学习方式产生实质性的变化，培养适应知识经济时代要求的创新人才。

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钟启泉等主编，《为了中华民族的复兴 为了每位学生的发展 〈基础教育课程改革纲要（试行）〉解读》，华东师范大学出版社，2001年8月第一版，第36-39页

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0.2.2研究的意义

如上所述，在工科普通物理教学中开展研究性教学的理论和实践都不成熟。但是我们认为，在大学的学科教学中开展研究性教学，无论从学生的认知水平和师资水平，还是开展研究性教学的其它条件比高中更加成熟，在学科教学中开展研究性教学是完全可能的。该课题的研究将为工科普通物理教学中研究性教学的设计理论增砖添瓦。

另外，在工科物理学科教学中开展和进行研究性教学是信息化社会对工科物理教学的要求，建构工科物理能量知识结构的研究性教学设计与实践是以建立一种以能量为主线的知识结构为载体进行研究性教学设计的探索和教学实践。它有利于培养学生从实际出发、实事求是的科学态度和科学精神；有利于培养学生养成科学的思想方法、正确的对科学和道德等方面的评价能力；有利于发展学生对社会的责任心和使命感，发展学生关注社会的现实与未来的人文精神。培养学生学会合作，发展学生在学习生活和社会生活中乐于合作、善于合作的团队精神。培养学生通过主动探究的实践活动，获取亲自参与研究探索的积极情感体验，培养学生主动求知、乐于探究的心理品质和勇于创新的精神。促进学生通过研究性教学，掌握基本的科学研究方法，提高综合运用所学知识和技能解决实际问题的能力，培养学生在开放性环境中获取、收集、处理信息的能力，包括发现问题的能力、提高问题的能力、提出解决问题的设想的能力、收集资料和分析资料的能力、表述思想和交流成果的能力等。这些正是实施素质教育所要求的目标，它有利于大面积提高大学物理教学质量，其设计方案对于师生在工科物理学科教学中开展和进行研究性教学具有重要的指导意义，也为进一步推进素质教育积累经验和提供借鉴。

0.3研究方法和途径

通过文献研究“研究性教学”的含义、特征、和建构主义课堂教学设计理论，把“研究性教学”的理论迁移到工科物理学科教学中，把课堂教学设计理论迁移到“研究性教学”的教学设计之中，探讨工科物理学科教学中的“研究性教学” 和“研究性教学”的教学设计的规律。通过文献、访谈、观察、调查研究一套 以建构工科物理能量知识结构为主题的“研究性教学”的教学设计方案。通过观察、实验对设计方案进行实践，探索实践中的组织形式、指导策略等实践策略。通过调查、访谈总结研究性教学的评价方案，编制调查问卷，检验设计方案。

0.4课题研究的基本框架

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本课题从理论、设计方案、实践三个层面进行了研究。从理论层面上分析课题研究的理念、探讨工科物理学科研究性教学和教学设计的理论。从设计方案层面对建构工科物理能量知识结构为主题的大学物理研究性教学的目标、方法、选题、评价、实施过程、计划和方案等方面进行设计。在实践层面上进行教学实验并验证其有效性。课题研究的基本框架如下图所示。

理论

研究性学习 教学设计 物理教学 研究性学习 目标 问题

研究框架 方案 实践 结论 实施 评价 5

第1章 物理学科教学中的研究性教学

1.1什么是物理学科教学中的研究性教学

对研究性教学含义的理解有广义和狭义两种。广义的理解，它泛指学生主动探究的学习活动，它是指一种学习的理念、策略、方法，适用于学生所有学科的学习5。它强调每一位学生都应形成主动探究式的学习态度，摒弃我们现在被动接受、机械训练、死记硬背、简单重复的学习方式、培养创新意识、创新精神和创新能力。这种思想应该贯穿在所有的学习活动之中，让学生自己去观察、分析和判断，用自己的语言去表达，从而成为具有创造性和独立个性的新时代大学生。狭义的理解，是在教学过程中，以问题为载体，学生在教师指导下，从自然、社会和生活中选择和确定专题进行研究，并在研究过程中主动地获取知识、应用知识、解决问题的学习活动。教育部印发的 [2001]6号文件《普通高中研究性教学实施指南（试行）》中采用的是狭义上的“研究性教学”概念。

根据美国国家科学教育标准中对研究的定义是：“研究是多层面的活动，包括观察；提出问题；通过游览书籍和其他信息资源发现什么是已经知道的结论，制定调查研究计划；根据实验证据对已有的结论作出评价；用工具收集、分析、解释数据；提出解答、解释和预测；以及交流结果。研究要求确定假设，进行批判的和逻辑的思考，并且考虑其他可以替代的解释6。在美国国家科学教育标准中，研究有几种用法：1．科学研究。“科学研究指的是科学家研究自然界，根据研究中发现的证据提出解释的多样化的方式。2．基于研究的教学／以研究为本的教学。“对产生于学生的经验的真实问题的研究是科学教学的核心策略”。研究可以用于以下内容：（l）物理，生活，地球空间科学的学科内容；（2）科学事业的性质（例如关于科学研究的性质）；（3）进行科学研究所要求的能力。3．以研究为本的学习。在美国国家科学教育标准中，研究也指学习过程。它是一种积极的学习过程——“学生去做的事，而不是为他们做好的事7”（something that students to．not something that is done to them ）。从美国国家科学教育标准中研究一词的用法可以看出，研究一词有多重含义，第一，是科学家们用来研究自然界的各种方式；第二，是指一种培养学生科学研究能力教学策略；第三，是指学生构建知识、形成科学观念、领悟科学研究方法的学习过程。我们认为，在学科教学中研究性教学的“研究” 主要是后两种含义，即对教师来说，它是一种教

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霍益萍主编，研究性学习试验与探索，广西教育出版社，2002.10，第10页 陆璄，研究性学习及基本特征，《上海教育研究》1999，（2），第26页 7

[美] 国家研究理事会著：《美国国家科学教育标准》，科学技术文献出版社1999年版

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学策略，对学生来说，它是一种学习方式。但也不能忽略它是学生仿照科学家进行科学研究的特点。虽然由于学生认知水平的限制，学生的“研究”不可能达到科学家的研究水平，但是我们不能否认这种方式对于学生将来进行科学研究所要求的能力的培养。

笔者认为，物理学科教学中的研究性教学应贯穿在物理教学的课堂内外，它既是一种教育理念和教学策略，也是一种学生的学习方式。根据建构主义的教学思想和美国国家科学教育标准中关于研究性教学的定义，物理学科教学中的研究性教学是指在教师指导下，在教学过程中创设一种类似科学研究的情境或途径，从自然、学习、及社会生活中去选择和确定与物理学科相关的研究问题，用类似科学研究的方式，提出假设，进行批判的和逻辑的思考，主动地对信息进行收集（实证），通过观察、或实验、或分析、或判断做出结论和检验（解释），并对结论作出评价和交流。从而在掌握物理科学内容的同时，体验、理解和应用科学研究方法，掌握科研能力，提高思考力和创造力，培养创新精神和实践能力的一种学习方式和教学策略。

1.2物理学科教学中研究性教学与传统物理教学的区别

目前世界大学教育的基本教育模式大致可以分为两大类8：美国的“注重能力型”和苏联的“严格管理型”。美国大学教育主张自由开放、注重培养学生的独立活动能力，苏联大学教育注重知识传播的系统性和技术训练的严谨性。这两种教育模式各有利弊。我国传统的大学教育受苏联教育模式的影响较大，曾经发挥过很好的作用，但在今天的知识经济时代，更加需要研究性教学，这是因为研究性教学的核心是改变学生的学习方式和教师的教学方式，主张学生主动探究性的学习，这种转变引起了学习目标、内容方式等一系列的变化，表1.1列出了物理学科教学中研究性教学与传统物理教学的主要区别。

1.3物理学科教学中为什么要开展研究性教学

（1）改革传统教育弊端的必然举措

由上述关于物理学科教学中研究性教学与传统物理教学的不同的总结中我们可以看到，我国传统教育注重传统规范，强调师道尊严，学生被动的接受知识，今天，我们认真反思我们的这种教育常常迷惑不解的是：中国学生为什么在国际奥林匹克竞赛中屡屡获奖，而至今未培养出一位诺贝尔奖获得者，究其原因是我们的学生在大学后的创造力远不及美国。我们应该借鉴美国大学教育主张自由开

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李维学 卢飞麟，大学物理教学中的创新教育，兰州大学学报，2002（38），477

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放、注重培养学生的独立活动能力的做法，改革我国传统教育存在的弊端。

表1.1 研究性教学与传统物理教学的主要区别 学习方式 学习内容 学习目标 研究性教学 主动探究式 社会和生活 德育 通过教学进行 智育 主张知识的意义建构，重视知识的习得过程和实践性 能力 注重发散性、综合性思维、应变能力、信息检索能力、创新和发展能力 人际交流 评价中心 师生脚色 信息获取 管理 行为 学生发展 人才观 师—生、生—生、生—社会 过程与结果 学生 多渠道：教师、课本、网络、图书馆、科研院所、高校、社会等 注重多样化、自由化 注重未来趋势 注重单项突破性发展 注重开拓性人才 注重统一性 注重传统规范 注重全面平行发展 重视守业性人才 通过活动进行 主张知识的传承，重视知识的系统性和理论性 注重同一性、收敛性思维能力、适应能力、信息贮存能力、模仿和继承能力等能力 师—生 结果 三中心：课堂、教师、课本 教师、课本、学校 传统教育 接受式 综合性与开放性，内容来自自然、单一性，学习内容以教材内容为主 （2）知识经济时代对教育的必然要求

人类进入21世纪，科学技术的飞速发展把我们带入了知识经济时代，新技术、新发明不断出现，知识更新的周期越来越短，据英国科学家詹姆斯.马丁估计9，人类科学知识在19世纪是每50年增加一倍，20世纪中叶是每10年增加一倍，70年代是每5年增加一倍，目前据专家估计是每3年增加一倍，今年的科技知识只不过是2050年的1%。知识爆炸使人们在有限的生命期很难获得人类的全部知识，21世纪需要的是具有创造性的人，而不是不会学习、不会创造的人。学会学习、学会生存、学会创造已成为21世纪教育的最高目标。研究性教学正是实现这一最高目标的钥匙。 （3）世界各国课程改革的必然趋势

在概述中我们已经谈到，20世纪80年代以来，以研究性教学为切入点重构基础教育的教学体系成为世界各国课程改革和教学改革的突出特点。世界各国的课程改革都把学习方式的转变视为重要内容。在物理学科教学中，特别是大学物

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合肥八中研究性学习教材编写组，研究性学习实施指导，安徽教育出版社，2002.5，第7页

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理教学中开展和进行研究性教学，不论是研究条件，还是大学生的认知特点与高中相比更为成熟，对工科物理学科研究性教学进行设计和实践，正是顺应了国内外课程改革的发展趋势。

1.4物理学科教学中研究性教学的特点

（1）整体性。

世界具有整体性，世界的不同构成——个人、社会、自然是彼此交融的有机整体。文化作为世界的一部分也具有整体性，文化的不同构成??科学、艺术、道德也是彼此交融的。物理学作为自然科学的重要组成部分，其系统性让人们赞叹不已。另外，人的个性具有整体性，个性发展并非不是知识杂汇的结果，而是通过对知识的综合运用而不断探究世界与自我整合的结果。物理学科研究性教学主题的选择范围应包括自然世界中与物理有关的涉及学生本人学习、生活的一切领域。对任何主题的探究都必须体现个人、社会、自然、物理科学的内在整合，体现科学、艺术、道德的内在整合。研究性教学必须立足于个人、社会、自然、物理科学整体性，立足于每一个学生个性的整体性，促进学生的全面发展。其次，物理学科研究性教学是一项有组织、有计划的教学活动，对“研究性教学”有整体规划，在每一个活动开始之前应有对活动的周密设计，只有对其科学合理的设计和组织，才能发挥研究性教学的整体功能。 （2）实践性10

我们目前的物理教学以课本为中心，着眼于知识的传承，一个人的知识可以通过间接方式获得，但一个人的能力需要在实践中磨砺养成。研究性教学强调理论与社会、科技和生活实际的联系, 强调学生通过社会调查、查阅资料,亲身参与社会实践活动去解决问题。这些正与物理学是一门以实验为基础的学科相吻合。因此，物理学科教学中研究性教学更应重视实践。 （3）开放性11

物理学科教学中研究性教学也应具有开放性表现在以下几个方面：第一，由于研究性教学无固定的、统一的课程内容, 大多数学习内容及问题来自于学习和现实社会生括中的事件、现象和情境，学生可根据自己感兴趣的内容到去寻找，研究内容的开放性是显而易见的。第二，课程目标面向每一个学生的个性发展，尊重每一个学生发展的特殊需要，具有开放性。第三，应当关注物理学与社会、生活的联系，使学生在过程中产生丰富多彩的学习体验和个性化的创造性表现，

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教育部[2001]6号文件，普通高中研究性学习实施指南（试行） 教育部[2001]6号文件，普通高中研究性学习实施指南（试行）

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其评价标准具有多元性，因而其活动过程与结果均具有开放性。第四，要关注学生的学习生活和社会生活, 研究立足于解决学生关注的一些与物理学有关的社会问题或其他问题，它可能是物理学科的,也可能是多学科综合、交叉的，它可能偏重于实践方面,也可能偏重于理论研究方面。第五，研究性教学力求打破现有课本中特定的知识体系,而是要对现有的知识体系反思，建构新的知识体系，这也是本课题的出发点，本课题就是突破现有普通物理学的五板块体系，建构以能量为主线的知识体系。 （4）探究性12

在研究性教学过程中,追求的最高境界是学生敏锐地发现问题,主动地提出问题，自主确定研究课题。学习的方式不是被动地记忆、理解教师传授的知识,而是积极地寻求解决问题的方法,探求结论的自主学习的过程。因此,研究性教学的课题.不宜由教师指定某个材料让学生理解、记忆，而应引导、归纳、呈现一些需要学习、探究的问题。这个问题可以由一个案例、介绍某些背景或创设一种情景引出，也可以直接提出；可以由教师提出,也可以引导学生自己发现和提出。要鼓励学生自主探究解决问题的方法并自己得出结论。教师在活动中起组织作用的程度和学生自主设计进行探究的程度可以各有不同。例如，每一个探究都会有学生对科学性问题的研究，但是，在一些探究中问题直接来源于学生，另一些探究中问题可能是学生从可选问题中选择其一或是对给出的问题提炼的结果；还有一些探究中，则是学生根据所提供的问题展开研究。即使在问题由教师、学习材料或其他途径完全给出的情况下，只要学生学习的过程是围绕科学性的并能激发学生思维的问题展开，学生的学习仍然可以组织成具有高度探究性的活动。 （5）自主性13

研究性教学是以学生的直接经验或体验为基础而开发和实施的。它是以学生的直接经验为基础而对学科知识的综合运用，是对学科的逻辑体系的超越。研究性教学改变了以往学生被动接受的学习方式，鼓励学生的自主选择和主动探究，将学生的需要、动机和兴趣置于核心地位，创造条件让学生能积极主动地去探索、尝试，更好地发挥个体创造潜能，真正成为学习的主人。在研究性教学中，鼓励学生自己选择学习的目标、内容、方式，自己决定活动结果呈现的形式。学生从课题的选择、确定，资料的收集、分析，报告的撰写、答辩，成果的整理、展示

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教育部[2001]6号文件，普通高中研究性学习实施指南（试行）

顾锡平，研究性学习的特点与实施，中国教育和科研计算机网， HomePage >> 中国教育 >> 教育研究 >> 基础教育 >> 专题研究 >> 探究性学习

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等，整个过程都是学生自己去操作，具有很大的自主性。应该说，在研究性教学中，教师只起指导作用，教师的指导作用体现在帮助学生完善其自主选择意识和能力方面，而不是代替学生选择，扮演的角色更多的是指导者、协助者、参与者。 （6）生成性

这是由研究性教学的过程取向所决定的。研究性教学注重活动前的精心设计，更注重发挥教育功能，捕捉活动展开过程中所产生的“生成性目标”、“生成性主题”的价值。对“研究性教学”的整体规划，每一个活动开始之前都有对活动的周密设计，这是研究性教学所具有的计划性的一面。但是，研究性教学的本质特性却是生成性，这意味着每一个活动都是一个有机整体，而非根据预定目标的机械装配过程。随着活动的不断展开，新的目标不断生成，新的主题不断生成，学生在这个过程中兴趣盎然，认识和体验不断加深，创造性的火花不断怦发，这是研究性教学生成性的集中表现。对研究性教学的整体规划和周密设计不是限制其生成性，而是为了使其生成性发挥得更具有方向感，更富有成效。 （7）创造性

研究性教学创造了让学生充分发挥创新潜能的宽松环境，其学习成果主要不是知识的积累，而是创造能力的提高。创造力是一种综合能力，是知识、能力、人格的有机融合和促进，是人的一种潜能，等待着唤醒和激发，这决不仅仅是一种简单的“教”，需要营造有利于创造力培养的氛围。研究性教学正是为学生创造了这种氛围，有助于学生创新精神和创新能力的发挥。 （8）多元性

研究性教学的多元性主要是对学习评价而言的。由于遵循的价值观念不同，教育的目的不同，倡导的教育理念不同，人们对教育评价的理解和运用不同。不难看出，与传统的教育价值观念和教育理念相适应，人们所理解的教育评价的目的、标准、主体都表现出单一性。研究性教学的价值观、教育理念认为，学习评价应是多元性，多元性主要表现为评价方式、标准、主体的多元性，应鼓励学生主动、客观地评价自己的表现，而教师应给学生必要的指导、帮助，也可进行跟踪评价，以避免研究性教学过程的失控。在评价标准方面，灵活运用绝对评标，即标准参照评价，主要评价被评者是否达到研究性教学的目标要求，尽量使用个体内差异评价，关注学生在研究性教学过程中的进步程度，这符合学生成长的实际，有助于创新能力的培养。要慎用相对评价，对学生轻易进行分等、选拔与开展研究性教学的目的是不符的。在评价结论方面，应是定性描述与定量统计相结

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合，因为在研究性教学中，情感、意志等非智力因素的作用是很难进行定量评价的。同时，要明确教育是面向未来的事业，学校是为未来培养人才，即为社会发展培养人才，这种价值观正是研究性教学的核心价值观所在。“学习化社会”认为学校是学生接受终身教育的基础，面向社会、面向未来的研究性教学是一种创新性学习，要通过这种学习让学生走进自然，融入社会。

1.5物理学科教学中研究性教学的特征

要正确实施研究性教学，必须把握研究性教学的基本特征，美国国家研究理事会2000年组织编写出版的一本专著，对研究性教学的重要问题进行了比较系统、比较有说服力的阐述，其中，将研究性教学基本特征概括为如下五个方面14：（1）问题，（2）实证，（3）解释，（4）评价，（5）交流。在物理学科研究性教学中如何把握这几个特征呢？ （1） 问题

物理学科研究性教学中的问题要与学生必学的物理概念和规律相联系，并且能够引发他们进行研究，导致收集数据和利用数据对科学现象做出解释。物理学科教学中的问题非常丰富，不同的教师和学生也会发现和发掘出不同的问题。我们认为，物理学科研究性教学中的问题应包括：①物理知识的起源，发展过程及走向的了解和展望的问题；②物理知识的本质规律、内在联系、网络结构的掌握和推导的问题；③对物理学科知识既成结构、价值取向的反思和质疑的问题；④物理学科知识的融合、整合、更新、改造的大胆创新和想象的问题；⑤物理知识在自然、社会和生活实际中的运用进行设计或实验的问题；⑥物理学与其它科学交叉研究的问题。

物理学科研究性教学中的问题与科学家研究的科学问题（scientific questions）在深度和广度上有所不同，提出问题的过程中接受的指导程度也不同。在物理教学中，提出对学生有意义的有针对性的问题能够丰富学生的研究活动，但是它们不能是深不可测的，而必须能够通过学生的观察和从可靠的渠道获得的科学知识予以解决。学生必须掌握解答问题的基本知识和步骤，这些知识与步骤必须是便于检索和利用的，必须适合学生的发展水平。开始提出的问题可以来自于学习者、教师、教材、网络、其他一些资源，或结合起来产生。教师在引导识别这些问题上起着关键的作用，使他们研究的问题更为集中深入。例如学生

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Center for Science, Mathematics, and Engineering Education, National Research Council, Inquiry and the National Science Education Standards - A Guide for Teaching and Learning, National Academy Press Washington, D. C. P. 24-27.

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们常常问“为什么”的问题，其中有些问题太大，教师可以把其中许多问题转变为“怎么样”的问题。这种改变能把学生导向科学研究，使学生能够体验到又有趣又丰富的调查研究结果。一个有难度但又让人能尝到果实、足以引发探究的问题，能激发学生的求知欲望，并能引出另一些问题。比如，在学习过波的吸收时，我们提出家用微波炉中的食品是怎样吸收微波能量的，学生对该问题很感兴趣，有的学生通过查阅有关资料，搞清楚了微波炉的工作原理，有的学生在研究的过程中提出了当前科技界争论的微波生物学效应的非致热效应的机理问题。 （2）实证

物理学是以实验证据为基础来解释客观世界的运动规律的。物理学家在实验中通过观察测量获得实验证据，在观察与测量中，利用感官感知，或借助于仪器（如望远镜延伸感官功能）进行观察，甚至用仪器测量人的感官所不能感知的物质特性，如测量磁场。有时，物理学家能控制条件进行实验；而另一些时候则无法控制，或者实行控制将破坏实验现象。这种情况下，科学家只有对自然界中发生的现象进行大范围、长时间的观测以便推断出不同因素的影响。可以通过改进测量、反复观察，或者就相同的现象收集不同类型的实验数据的方法提高所收集到的证据的可靠性。证据是可以被质疑和进一步调查研究的。在物理学科探究活动中，学生也需要运用证据对科学现象做出解释，学生也可以从教师、教材、网络或其他地方获取证据对他们的探究进行补充。 （3）解释

科学解释借助于推理提出现象或结果产生的原因，并在证据和逻辑论证的基础上建立各种各样的联系。科学解释须同自然观察或实验所得的证据一致，并遵循证据规则。科学解释还须接受公开的批评质疑，并要求运用各种与科学有关的一般认知方法（如分类、分析、推论、预测）以及一般的认知过程（如批判性推理和逻辑推理）。

解释是将所观察到的与已有知识联系起来学习新知识的方法。因此，解释要超越现有知识，提出新的见解。对于科学界，这意味着知识的增长；对于学生，这意味着对现有理解的更新。两种情况的结果都能产生新的认识。例如，学生可根据观察或其他的证据解释月相的变化。学习者要根据事实证据形成解释，对科学性问题做出回答。 （4）评价

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评价解释，并且对解释进行修正，甚至是抛弃，是科学探究有别于其他探究形式及其解释的一个特征。评价解释时，可以提出这样的问题：有关的证据是否支持提出的解释？这个解释是否足以回答提出的问题？从证据到解释的推理过程是否明显存在某些偏见或缺陷？从相关的证据中是否还能推论出其他合理的解释？

核查不同的解释就要学生参与讨论，比较各自的结果，或者与教师、教材提供的结论相比较以检查学生自己提出的结论是否正确。这一特征的一个根本要素是保证学生在他自己的结论与适合他们发展水平的科学知识之间建立联系。也就是说，学生的解释最后应与当前广泛为人们所承认的科学知识相一致。学习者通过比较其他可能的解释，特别是那些体现出科学性理解的解释，来评价他们自己的解释 （5）交流

科学家以结果能够重复验证的方式交流他们的解释。这就要求科学家清楚地阐述研究的问题、程序、证据、提出的解释以及对不同解释的核查，以便疑问者进一步地核实或者其他科学家将这一解释用于新问题的研究。而课堂上，学生公布他们的解释，使别的学生有机会就这些解释提出疑问、审查证据、挑出逻辑错误、指出解释中有悖于事实证据的地方，或者就相同的观察提出不同的解释。学生间相互讨论各自对问题的解释，能够引发新的问题，有助于学生将实验证据、已有的科学知识和他们所提出的解释这三者之间更紧密地联系起来。最终，学生能解决彼此观点中的矛盾，巩固以实验为基础的论证。学习者要交流和论证他们所提出的解释

我们认为，上述关于科学研究基本特征的阐述，揭示了科学研究最重要、最基本的特征，反映了现代科学观。具有这样的基本特征的研究性教学有助于学生对科学概念和方法形成更明晰、更深刻的认识。因此，研究性教学要尽可能包含所有的上述五个基本特征，以充分发挥和利用研究的教育功能。然而，一项科学学习活动不一定必须包含上述全部五个基本特征。理想化和绝对化地理解研究，既不符合科学研究的实际，也不符合学生科学学习的现实。探究无疑是科学研究的核心，真正的科学家也往往以探究为乐，但这并不妨碍他们积极学习和利用已有的、现成的知识。事实上，最有成就的科学家也最善于吸收前人已有的成果，站在巨人的肩膀上攀登科学的高峰。学生的学习就更不用说了，尽管基于直接经验的、探究式的学习最有利于学生的全面发展，但间接学习在学生的学习活动中

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毕竟是大量存在的，要组织起有效的研究性教学活动，除了受教师、学生和教学设施条件等因素制约以外，还与所学习的科学知识内容有关，有些知识内容，由于各种原因，不易于设计成通过探究式的学习活动去获取。因此，对于特定的学生来说，一些内容的学习，用探究的方式，不仅效率太低，而且效果往往不如直接学习，因此，我们在教学中要灵活运用各种教学和学习方法，以实现研究性教学与其它学习方法的有机结合。

1.6物理教学中开展研究性教学的可能性

由于多种原因，人们在理解和实施研究性教学中容易出现两方面的偏差，一是对研究的泛化，另一是对研究的神化。前者就是随意地给一些人们早已熟知的教与学的形式贴上研究性标签，如一个从目的到内容再到方法、步骤，甚至连表格都画好了的实验活动设计，却不仅被冠以研究的名称；后者则只把从问题的提出、证据收集、方案的制订和实施到解释的形成、检验和结论的得出等等都是由学生自主发现、由学生独立完成的活动才归为研究。当前,受传统学科教学目标、内容、时间和教学方式的局限,在学科教学中普遍地实施研究性教学尚有一定的困难。因此,将教育部奖研究性教学作为一项特别设立的教学活动作为必修课纳入《全日制普通高级中学课程计划(试验修订稿)》,从制度上保障这一活动的实施。在学科教学中，特别是在对学生掌握知识内容有明确目标要求的物理学科教学中，要组织起在问题、证据、解释、评价和交流五个方面都具有高度探究性的活动是不容易的，也没有必要刻意追求这样的境界。如对研究的问题来说，要是研究的问题完全是由学生自己提出来的，那当然很好，而且在教学中也必须有意识地重视培养学生提问、质疑的能力，但是这并不意味着我们一定要等到学生能够自己提出好的研究问题之后才能组织研究性教学活动。相反地，在物理学科课堂教学中，切实可行而且效果良好的方法是教师设置问题情境，并通过引导优化和集中学生的问题，使得后续的研究有明确的目标和内容，这样的教学过程也可以培养学生提出问题的意识和能力。如果这样的程度也不容易达到，就完全可以由教师直接提出研究的问题，根据别人提出的问题，学生也完全可以进行有高度研究性的学习活动。而且只要学生真正深入到研究知识的过程，他们就会提出这样那样的问题。实际上，真正的学生研究活动就是由问题引导的，学生提出问题能力的培养可以贯穿于学习活动的始终自然地进行，而不必刻意追求一开始问题就是由学生自己提出来的。

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通过对科学研究活动和研究性教学活动特征的考察，使我们完全可以把研究性教学请下神坛，把研究性教学引入物理学科教学之中。但是，设计一个研究性教学活动，我们虽然不强求活动在每一个方面都具有高度的探究性，但毕竟要有具有一定研究性的活动内容，而且尤其不能缺少能起着核心要素作用的研究性活动内容。我们决不能从目的到内容再到方法、步骤，甚至连表格都画好了的实验活动设计让学生去做，然后冠以研究性教学的名称，这样，研究性教学就会成为装满旧酒的新瓶上的时髦标签。

综上所述，如果我们从基本特征上去把握研究性教学，就可以分辨并避免对它的神化。同时，如果充分认识到假说的提出在科学家的探究和学生的探究中的核心地位，我们也就十分明确在科学研究性教学活动的设计中功夫应该花在什么地方并能分辨和避免对它的泛化。当然，要使研究性教学真正成为学科课堂的现实，需要研究解决的问题还不少，本课题已经并继续在做出努力，希望能推动研究性教学在学科教学实践中的发展。

1.7本课题选择建构能量知识结构作为研究性教学主题的理由

1.7.1能量概念及其规律在物理学中的重要性

能量是物理学中最重要的概念之一。因为能量概念对应着物质运动的不同形式，机械能对应机械运动、内能对应热运动、电磁能（光能）对应电磁运动，而物理学就是研究物质的这些基本运动规律的，所以能量概念贯穿物理学的每个分支，力学中有机械能、热学中有内能、电磁学中有电磁能、光学中有光能、近代物理中有原子能等。能量概念还把物理学中的许多知识联系起来，与能量有关的规律都是物理学中最重要的规律，例如动能定理；热力学第一、第二定律；全电路欧姆定律；楞次定律；光电效应方程；质能方程等。特别是能量守恒定律，它是自然界普遍存在的规律，它成为物理学与其他学科联系的纽带，成为解决自然界问题的基本规律和基本方法，用它解决问题不但简单方便、而且能够深入到问题实质。正因为如此，有人把物理学称做物质与能量的学科，能量概念及其规律在物理学中的重要性可见一斑。 1.7.2能源与政治、社会、经济的紧密性

能源是社会经济发展的命脉，第一次工业革命与热能的开发与利用用关，第二次工业革命与电能的开发与利用用关，没有“能源”人类将无法生存。“能源开发”、“节约用能”、“能源危机” 已成为全球性的问题。能源问题既是一个经济问题，也是一个社会和政治问题。海湾战争的实质是能源问题，全球性的

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能源竞争已经愈来愈激烈。培养学生从能的角度分析社会和自然界问题是物理学科开展研究性教学的很好素材之一。 1.7.3建构能量知识结构内容和方法的丰富性

建构以能量为主线的普通物理知识结构是对传统的五板块结构的反思，是从能量的角度对普通物理知识的整合，在反思和整合的过程中要以建构主义的基本理论为指导，意义建构能量概念、规律结构，用能量的规律解决社会、自然、生活中的实际问题，在这些问题的解决过程中要用到物理科学研究的基本方法。能量概念及其规律在物理学中的重要性，能源与政治、社会、经济的紧密性，建构能量知识结构内容和方法的丰富性实现了课堂教学与研究性教学的有机结合，实现了问题解决与掌握方法的有机结合。这些正是研究性教学所要求的。这就是本课题选择建构能量知识结构作为研究性教学主题的理由。建构能量知识结构作为研究性教学主题是我们开展研究性教学的一种尝试。

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第2章 物理学科研究性教学教学设计的理论研究

2.1研究性教学及其教学设计的理论基础

2.1.1主体性教育理论

主体性教育理论缘起于我国改革开放的呼唤、反思传统教育和回归历史潮流的需要。主体性教育理论在中国经过20多年的发展，由最初20世纪80年代对教学认识中的主体与客体的关系问题的讨论，到90年代提升为一场声势浩大的整个教育思想的革命，并由理论进入到实践领域。主体性教育理论是在吸收西方文艺复兴以来的主体性教育思想的基础上结合中国改革开放的实际建立起来的一种时代的教育理论，是我们时代的哲学，它推动着中国教育思想和实践从传统走向现代。主体性教育理论把教育看作是“人的主体发展的过程”，认为“主体性教育就是有目的地增强和发展人的现代性、有效性、能动性、创造性和自主性的过程”。研究性教学开展的主要目的培养学生的能动性、创造性和自主性。主体性教育理论的思想成为研究性教学的指导思想之一。 2.1.2建构主义和人本主义学习理论

从本世纪中叶开始，在学习心理学领域，行为观逐渐被认知观取代，许多学习心理学家对传统学习理论进行了反思和批判，其中建构主义学习理论和人本主义学习理论从科学主义和人文主义的角度，奠定了研究性教学理论的基础。研究性教学观是建立在现代学习理论基础上的科学学习观，基本观点与传统消极学习观相对立。研究性教学过程是积极的有意义学习过程16。建构主义学习理论认为，学习活动中的三个基本要素是学习者、学习活动和知识，从认识论的角度看，就是学习活动中的三个基本要素，即主体、中介和客体17。通过学习活动使学生与外部环境相互作用，实现同化和顺应，来逐步建构有关外部世界知识的内部图式，从而使自身的认知结构得以转换和发展18。所以，学习过程是新旧经验之间的双向的相互作用过程，它依赖于学生主体的信息加工，因而研究性教学重视运用科学的认知方式和策略，尊重学生学习的认知规律。学习过程是在一定的情境即社会文化背景下，利用必要的学习资料和学习手段，借助他人的帮助，即通过人际间的协作活动而实现的意义建构过程。建构主义学习理论认为，学习环境中的四大要素是“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”。建构主义和人本主义均提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习，学生有探究和创造的潜能，研

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黄崴，教育研究，2002，4

易凌峰，http://www.being.org.cn/yanjiu/jichu.htm 17

主客体关系学系列丛书撰写组，主客体关系学纲要，人民出版社，1998年9月第1版。 18

施良方，《学习论》，人民教育出版社，1994年，第180-182页

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究性教学本身可激发学生学习的兴趣和动机以及求知欲。研究性教学是积极主动的知觉过程，因而研究性教学关注知识表征，认知结构的发展及问题解决。研究性教学不仅在于获得问题解决的结果，更注重学习创造性与及主体性人格培养，并以此作为研究性教学的主要目的。 2.1.2系统科学

阎金铎主编，查有梁、谢仁根、沈仁和、李久和、梁钧著的《物理教学论》一书中，论述了系统科学三原理：反馈原理、有序原理和整体原理，然后演绎得到教学三原则：意义兴趣原则、逐步跃迁原则和结构能力原则，探讨了课堂教学系统模式19，如图2.1。

（1）反馈原理与意义兴趣教学原则

任何系统只有通过反馈信息，才可能实现有效的控制；或者说，没有信息反馈的系统，要实现有效的控制，从而达到预期的目的是不可能的（反馈原理）。

在任何一门学科的教学中，师生未能明确该学科的意义，未能通过教学增强教与学的兴趣，师生之间缺乏信息反馈、情感转移，这样的教学不可能是成功的（意义兴趣原则）。

（2）有序原理与逐步跃迁教学原则

没有开放、没有涨落、处于平衡态的系统，要走向有序是不可能的（有序原理）。在任何一门学科的教学中，教学过程不是循序渐进，逐步深化；不是周期跃迁，勇于创新；不遵从有序进化，和谐奇异，这样的教学不可能是成功的（逐步跃迁原则）。

（3）整体原理与结构能力教学原则

没有相互联系，没有整体结构，要使系统发挥整体功能是不可能的（整体原理）。在任何一门学科的教学中，师生不重视掌握学科结构，不重视发展各种能

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反馈部分（资源或环境） 5 1 6 控制部分（师）2 6 4 3 受控部分（生） 6 4 （（教师）教师 5 6 反馈部分（资源或环境） 图2.1 查有梁、谢仁根、沈仁和、李久和、梁钧著， 物理教学论.，广西教育出版社，1996年12月第1版，第43-95页。

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力，不遵从整体优化，多样统一，这样的教学不可能是成功的（结构能力原则）。教师必须从整体上、从相互联系上掌握学科内容，理解所教学科的现代结构。学生在学习一项项知识的同时，应该不断注意前后知识的相互联系，最后能较系统地理解学科的完整结构。

学生的学习活动是一个在教师通过教学活动控制下的实践或认识活动。这个活动系统首先是一个开放的系统，即各种信息通道是畅通的。这样，学生才能在完成自主的内外操作后，主动与他人交流看法，得到反馈，形成涨落，集思广益，从无序走向有序，形成结构，发展能力。我们只有将该模式与研究性教学理论有机结合起来，并结合大学生和工科物理的特点对工科物理研究性教学进行具体的设计，在教学实践中探索行之有效的实施办法，才可能取得较好的效果。 2.1.3新的教育哲学观

马克思主义的教育哲学观20的核心思想是实现人的全面发展，尊重人的独立自主精神，尊重人的现实生活。实践是认识的基础，实践是检验真理和发展真理的标准。“面向21世纪教育”国际研讨会议上通过的《学会关心：21世纪的教育》报告中指出：传统的教育观是建立在教师和教材与知识的联系、学生是被动的接受者这样一种学习观的基础上的。面向未来，我们需要一种新的具有更高整体化的求知方式21。因此，面对21世纪的教育应尊重学生的自主地位，密切联系现实生活，让学生在学习课本知识的基础上广泛地参加实践活动。一切教育为了学生的全面发展，人才培养应从学科为中心向学习者为中心转变就成为新时期教育所追求的最高目标。 2.1.4终生教育理论

1970年，法国的保尔·朗格德在终身教育引论一书中，提出了“终身教育”和“学习社会”的概念。根据朗德的理论，终身教育是贯穿个人一生的连续性的教育过程，同时也是连接家庭教育、社会教育和学校教育为一体的整体性教育体系。终身教育要求尊重学习的主体，提供所有人一生学习的机会；强调人的全面发展，重视个人自由发展，使教育成为一种生活。终身教育的立足点就于使每一个人在一生中都拥有接受各种不同形式的教育和学习的机会，使更多的人获得新的知识与技能，以适应社会发展的需要。在本课题研究过程中，就要将终身教育理论作为指导思想，注意学生学习方法的培养，当教育和学习的机会出现的时候，使学生有能力抓住机会实现自身的教育目标。终生教育理论已成为现代教育的基本思想，研究性教学的开展就是为了培养学生的终生学习能力。

2021

上海市市西中学，高中综合活动课程教学实践，上海教育， 1999，6 陈建中，“活动—发展”教学模式，《课程?教材?教法》，2000，8

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2.1.5科学哲学理论

传统的科学观认为科学是人们通过对客观世界的观察、实验、收集数据，经过分析归纳而得到的知识体系，它是客观的、真实的。在这种科学观的影响下，学校教学更加注重知识的传授，注重归纳方法和逻辑思维的培养。这种观点遭到后人的批判，著名科学哲学家波普尔认为科学的本质是永不休止的探索。科学知识不是静态的真命题的集合，而是试探性的假设。科学的过程是不断提出问题，提出试探性假设（理论），不断消除错误，再提出新的问题的无限的循环逼近客观世界本质的过程。波普尔认为，科学的合理性不在于假设的合理性，而在于对假设选择的合理性，因此科学的本质是批判。之后，著名科学史家和科学哲学家库恩提出了科学及科学发展的“范式”理论，他认为科学是科学共同体所共有的信念，是约定俗成。科学的发展是范式的转变，是不断地由新范式来替代旧范式的过程。库恩从历史发展的角度，更加强调科学知识的主观性、社会性和相对性。并明确提出非理性因素在认知中的能动作用。

尽管对科学哲学界和社会学界的有些观点我们不能全认同，如否定科学的客观性，认为新范式的建立就意味着旧范式的消亡等。但是，他们的观点的确把人们对科学地认识向前推进了一大步，使人们对科学本质的认识更加深刻、更加全面了。对于科学知识、“柏拉图在他的《泰阿泰德篇》中所给的经典性的回答，即所谓的知识必须要能够满足如下的三个条件：信念条件，真的条件和证实条件。合而言之，知识是经过证实的真的信念。”科学知识要经过实践的检验，因此，它具有客观性。旧知识也不一定因新的理论体系的建立而失去意义。例如，并不因为相对论力学的建立，牛顿动力学就失去其存在的价值。恰恰相反，在牛顿力学的基础上形成的学科愈来愈多。如弹塑性力学、断裂力学等等。牛顿力学已经而且还会为人类文明和社会进步做出巨大贡献。对于科学的本质，我们认为，应同时包含以下三方面的内容：其一，科学是相对稳定的、经过实践检验的知识体系。其二，科学是人类认识客观世界的探索过程。其三，科学知识是这个探索过程中阶段性的成果，是人们的一种思维形式，是科学共同体的共同约定和信念。科学知识既具有静态性，又具有动态性和相对性；既具有客观性，又具有主观性和社会性。

2.2什么是物理学科研究性教学的教学设计

教学设计（Instructional Design，简称ID）是运用现代学习与教学心理学、传播学、教学媒体论等相关的理论与技术，来分析教学中的问题和需要、设

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计解决方法、试行解决方法、评价试行结果，并在评价基础上改进设计的一个系统过程22。

研究性教学是以问题的形式展开的一种新型的学习方式，没有固定的的教学大纲和教材，学习是以学生为主，而且研究性教学的部分内容是在课外完成的，这就要求研究性教学的教学设计必须从整体上进行把握，特别对学科教学中的研究性教学既要受当前有序的课堂教学时间的限制，又要遵循研究性教学的规律，其难度相对较大。但是，为了使学科教学中的研究性教学开展的科学有序，广大物理教育工作者要克服困难，积极进取，探索物理学科教学中的研究性教学教学设计的规律，使研究性教学走进物理学科教学。笔者经过几年的教学实践，并结合常规的教学设计的思想认为：

物理学科教学中的研究性教学的教学设计应当运用研究性教学和相关的教育心理学理论、马克思主义的教育哲学观、物理教学论、传播学、教学媒体论等理论与技术，来分析物理学科教学中的研究性教学的问题和需要、设计解决方法、试行解决方法、评价试行结果，并在评价基础上改进设计的一个系统过程。学科教学中的研究性教学的教学设计的具体产物是一套系统的教学实施方案，包括研究性教学的目标、问题、实施、评价和实践方案等。

2.3物理学科研究性教学教学设计的特点

（1）系统性

研究性教学的教学设计过程是一个科学逻辑的过程，在进行教学设计时，首先确立研究性教学的总体目标，根据物理学的课时和学生可能支配的课外时间确定研究的课题，并对课堂和课外时间提出合理的分配意见，课堂上怎样组织学生，课外怎样指导学生，怎样组织学生评价等都要做出具体的安排。它是一个系统性很强的工作。这也体现了教学设计工作的系统性。 （2）粗放性

在常规课堂教学的教学设计中，教学大纲、教材、课堂教学时间都是固定的，重点难点也是明确的，教师在进行教学设计时只要通过对内容的研究就可以确立教学目标。整个教学设计过程基本上是线性的。而在研究性教学中，由于学习的内容具有不稳定的特点，研究的范围也难以界定，因而教学设计只能是对下一阶段工作进行粗线条的估计，至于自己的设计是对还是错教师心中也没有底，从这一点看，研究性教学的教学设计是一种对未知过程的想象与摸索，它

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皮连生主编，教学设计，高等教育出版社，2002.6，1-2

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需要最大限度地发挥教师的创造力，教学设计的内容形式可以百花齐放，整个设计过程是粗放的也是立体的。 （3）动态性

研究性教学强调的是研究过程，而不是研究的结果，由于这一过程是不断变化的，研究性教学的教学设计内容和方式必须根据过程的变化而变化，因而它还具有动态性的特点。研究性教学的教学设计过程实际上也是对课题研究的一个设计过程和跟踪过程。 （4）灵活性

在常规教学中，教师只是对规定内容进行处理，教学方式相对单一，在研究性教学中，由于研究性教学的教学形式千差万别，学生的研究内容与方式也各不相同，随时都可能出现一些意想不到的情况，这就决定了教师的教学设计也必须灵活机动，可以说在进行研究性教学的教学设计时，灵活性尤为重要。 （5）协作性

在研究性教学教学设计中要强调老师间的合作、师生间的合作、师生与社会的合作。老师间的合作是为了充分发挥集体备课的优势，妥善解决好研究中不断出现的新问题，从而找到最佳的解决方式；师生间的合作是为了师生共同探讨学生面临的困难问题；师生与社会的合作是为了寻求社会对学生研究问题的支持，便于学生顺利的开展研究。

2.4物理学科研究性教学教学设计的意义

（1）有利于研究性教学有的放矢的进行

研究性教学是一种新的教学策略和学习方式，部分教师由于受传统教学方式的影响把研究性教学设计为一种干预性很强的教学活动，也有部分教师把研究性教学设计为一种放任自流的教学活动，这两种倾向都不利于研究性教学的开展。教师只有认真学习研究性教学和教学设计的理论，科学的进行研究性教学设计，才能使研究性教学有的放矢的进行。 （2）有利于转变固有的教学方式和学习方式

素质教育的目的是实现人的全面发展，其核心是培养学生的创造精神和实践能力。研究性教学尊重人的创造精神，尊重学生的自主地位，联系现实生活，让学生在认真学习课本知识的基础上广泛地参加社会实践活动，为学生构建了一种开放的学习环境，为学生提供一个多渠道获取知识、并将学到的知识加以综合和实践的机会。研究性教学的设计将推动学生积极、主动、自主地开展学习，把学生真正置于学习主体的地位，让学生成为学习的主人，改变了学生单

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纯地接受教师知识传输的学习方式，实现了从学科为中心向学习者为中心转变。 与此同时，教师从知识的传授者，知识的占有者的权威地位变为学生学习的引导者、指导者，有的可能是参与者，它彻底转变了教师固有的教学方式。 （3）有利于教师积极主动参与研究性教学的研究

研究性教学的设计具有很高的灵活性和开放性。它没有固定的教材和教学范本，要求教师、学生和社区人士共同参与教学计划的制定、实施和评价活动。他的开展有利于调动老师参与课程规划、设计、实施和评价的主动性和积极性，有利于教师积极主动参与研究性教学的研究。

2.5物理学科研究性教学教学设计应遵循的原则

物理学科研究性教学的教学设计除了遵循理论联系实际原则、科学性原则、循序渐进原则、主体性原则、鼓励创新原则、可持续发展原则等研究性教学的一般原则之外，还要遵循以下原则。 （1）分层次设计原则

学生的知识水平和学习能力各不相同，学生的个性存在差异，学生的交往能力也不尽相同。教学设计时针对不同层次的学生设计不同层次的研究问题，使每位学生都能顺利的完成所要研究的问题，体会成功的喜悦。例如，在指导学生小组分工时，就要针对学生的不同特点进行合理分工。性格活泼开朗、交际能力强的学生负责对外联络，动手能力强的学生负责摄影或做实验，理论水平强的学生负责书写和结题，性格内向，做事认真、细腻的学生负责资料保管。使不同层次的学生各尽所能，发挥各自的特长，作到人尽其才。 （2）课内外结合原则

根据物理学的课时和学生可能支配的课外时间确定研究的课题，并对课堂和课外时间提出合理的分配意见，课堂上怎样组织学生，课外怎样指导学生，怎样组织学生评价等都要做出具体的安排。

2.6教学设计前的准备工作

这是在进行研究性教学的教学设计时最为重要的一个阶段，为了不打无准备之战，使自己的备课更有针对性，教师必须对方方面面的情况都进行充分的调查和估计。重点做好学生情况研究和指导策略研究。 2.6.1学生情况研究

学生是研究性教学的主体，他们研究热情的高低、活动能力和自我管理能力的强弱将直接决定这门课程的成败。为此，必须对学生的知识现状、能力层

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次、研究兴趣、活动区间、生活环境作一正确的评估。由于这门课程是面向全体学生，因而不能凭主观臆断。我们可以采取一些手法从以下几个方面对学生进行一次摸底,以找到一些教学设计的依据。例如，我们在2001级教学实验时是按下表对学生进行了摸底： 你对研究性教学 熟悉 研究兴趣 你的性格 你与他人 你喜欢的学科 动手能力 社交能力 每周上网时间 上网时 高 内向 善交流看法 自然科学 强 强 交友聊天 ① ② 了解一点 一般 外向 不善交流看法 人文科学 一般 一般 学习 ③ 不清楚 低 较差 较差 其它 约（ ）小时 选项 通过调查和访谈，我们发现，起初，学生对研究性教学抱着一定的好奇心来参加，态度普遍比较积极。随着研究性教学开展，他们的反应可能并不如想象的强烈，有的学生感到费时，害怕影响其它课程的学习，有的学生感到研究性教学并不是一件容易的事情。针对这些情况，我们及时调整设计方案，减小研究课题的难度，对学生做细致的说服教育工作，使他们树立研究性教学的信心。在性格上，性格外向的学生社会活动能力一般要强一些，但自制能力往往要差一些，工作也相对要浮躁一些；而性格内向的学生虽然拙于言辞，不善交际，但却非常沉稳。有的学生善于与他人交流看法，社交能力强，愿意到一个不熟悉的部门去进行采访；有的学生则不愿意与陌生人聊天，也不敢在大庭广众之下高声说话，了解这些，可以帮助我们在教学设计时能根据不同学生的具体情况制定不同的指导策略。在知识结构方面，有的学生喜欢人文科学，有的学生喜欢自然科学，他们对某些学科又或多或少有些偏爱，因此有必要对他们的知识现状作一摸底，以便最大限度地发挥他们的创造才干。在社交能力方面，我们发现，现在的大学生大多是独生子女，在家中的特殊地位使得他们往往目中无人，惟我独尊。他们大多不愿向别人袒露自己的思想，心理封闭。这一点在常规教学的重要性并不十分突出，教师在进行教学设计时也大可不必对学生的日常行为进行研究，而研究性教学的一个非常明显的特点就是强调集体的协作精神，一个课题研究小组有无凝聚

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力往往决定着这个课题能否顺利进行。因此，了解学生是否具有合作意识就成为我们进行研究性教学教学设计前必不可少的一环。一般来说，我们可以从不同侧面去进行了解，如他们是否愿意与大家一同分享成功的喜悦，是否愿意向父母或朋友倾诉自己的心思，是否喜欢自己的父母或同学，是否有过孤独的感觉等等。

另外，在我们的调查中有两个现象值得我们在进行研究性教学教学设计高度重视。第一个现象是有87%的学生对研究性教学不清楚，13%的学生对研究性教学了解一点，没有一个学生对研究性教学熟悉，这说明我们目前的教学对研究性教学开展的不够，在进行研究性教学教学设计时，要加强研究性教学理论和方法的指导。第二个现象是有56%的学生每周上网时间在8%小时以上，18%的学生每周上网时间在6小时以上，95%的学生上网时是在聊天或做其它事，这一方面说明目前的大学生计算机的能力较强，另一方面说明目前的大学生没有把上网真正的用在学习和研究上，了解这些情况，对教学设计时如何把学生的这一不利因素转化为有利因素，使学生把上网变成研究性教学获取信息的主渠道是很有意义的。

通过以上几个方面的研究，我们就掌握了研究性教学教学设计的第一手材料，在进行教学设计时也就可以对症下药、有的放矢了。

研究学生的常用方法是对学生进行问卷调查和找学生聊天。只要我们尊重他们，以诚恳的态度去对待，他们一般都会乐意与教师进行交流。 2.6.2指导策略研究

指导策略是提升学生研究兴趣的一种有效途径。学生的研究兴趣能否得以长期保持、研究过程能否顺利完成都离不开教师的精心策划，要当好这一导演的角色，就必须掌握一些指导的技巧。因此，我们有必要对指导策略进行研究，在不同的场合，对不同的学生采取不同的策略，尽自己的最大努力去保持学生研究的积极性。常见的指导策略激励法、激将法、求助法等。

2.7研究性教学教学设计的基本要素

根据我国教育心理学家邵瑞珍教授对完整教学过程的分析和建构主义的教学理论，研究性教学的基本要素23如图2所示。 （1）情境要素。

研究性教学是一种基于问题的学习方式和教学策略，特别强调问题来源的情境性，在真实情境下的充分体验和对困惑的感受，是问题产生的根源。无论

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叶平，研究性学习的设计要素，http://www.21newedu.com/ 社会进步主义教育研究中心（21世纪教育实

验室）

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是课堂还是课外开展的研究性教学，师生都要共同创设情境，通过对物理知识结构，特别是对物理知识和学习方法与生活有关的真实事件的情境模拟，引出不同的问题，带来丰富多彩的学习内容，并以不同的视角理解学习的内容，随着研究的过程不断变化，随着问题的发展而不断产生新的学习内容。在本课题的第4章 “问题设计”中列出了问题背景。 （2）目标要素

教学目标是指通过研究性教学学与教的活动，要求学生掌握那些知识或技能？形成怎样的认识和态度？要求用可观察、可测量的术语精确表述学习目标。这是本课题的第3章所要研究的问题。 （3）任务要素

任务要素是研究性教学设计的关键环节。无论是综合实践活动还是课堂教学的研究性教学，按照建构主义理论应该给学生一个完整任务的思想，我们不能像过去那样拘泥于课堂上的50分钟，而是要在一个单元的概念下设计学习活动，将割裂的学习课时逐步融合为一个整体的学习过程单元。因此，有必要打破一节课、一节课思考的备课程式，强调进行阶段（或单元）学习任务的整体设计和时间的整体安排。在学习活动设计过程中，根据课程的要求和学生的需求确立学习的主题，统筹筹划几节课、十几节课，以至在几十节课的学习任务，把研究性教学方法和其他教学方法、各种类型教育技术和媒体组织在一个教学过程中。研究性教学课程的各项任务，都必须与这一课程的整体学习目标相一致，并且要根据不同的学习阶段的分阶段目标来确定。在本课题的第4章中有实例分析。 （4）组织要素

研究性教学有3种不同的学习组织形式：小组合作研究、个人独立研究、个人研究与全班集体讨论相结合。在目前的教育实践中，研究性教学最常见最有效的组织形式是小组合作研究。但在物理学科教学的研究性教学中，个人独立研究也是一种可行的组织形式，可采用“开放式长作业”等方法进行。甚至在“部分探究”类型里，也能够以布置预习（或预先收集资料）和布置家庭作业的方式，结合课堂合作探究与课外个人独立探究的方式组织学习活动。

图2.2 评价要素 资源要素 组织要素 任务要素 情境问题 目标要素 过程要素 27

（5）资源要素

学习资源应该被视为研究性教学的基础要素。目前，信息资源最重要的形式之一是互联网络，特别是万维网（WWW）这个巨大的全球资源。学习者可以利用各种著名的“搜索引擎”，如雅虎、搜狐、Google等，搜索某个题目各方面的内容。随着万维网上的中文内容日愈增多，学生可以把这个全球范围的网络资源视为包罗万象的辞典大全、百科全书和世界博览馆。然而，为更好地开发和利用网络资源，教师和学生需要努力从这种资源中，构建能够有更效支持研究性教学活动的相关资源，围绕不同的探究专题记录和积累不同的网站、网页链接表，并注意经常更新。

从相关资源的用途分类，支持研究性教学的网站大体可分为：①专题信息网站，如虚拟博物馆、网上图书馆、期刊网、科普网、历史网、军事网等等；②互动学习网站，如各类研究性教学网等；③社区交流活动网站，如各类学习论坛、网校等；④教育教学资讯网站，如中国基础教育教学网K12、人教网、中国中小学信息技术教育网、中国基础教育网等；⑤教育行政和政策网站，如教育部网站、各地教育信息网等。

研究性教学不仅需要丰富的信息资源，而且需要丰富的人力资源，主要是能够指导学生有效开展学习活动的“导师”，包括教师和其他人员。学校应该对教师资源做进一步的梳理，了解教师的特殊才能、兴趣和爱好。目前中小学教师在专业领域、综合知识结构、研究方法上都存在准备状态的明显不足，为研究型学习的实施带来了一定的困难，需要尽快地组织教师培训。美国《丰富教学模式》实验把“导师”的范围扩大到家长和社区成员，征求具体参与活动的意向，例如，个人有哪些专长和兴趣，是否愿意给学生作讲座、进行短期培训、充当辅导员、允许学生到工作单位参观等等，这种方法值得我们学习和借鉴。此外，环境也是一种不可忽视的学习资源。我国许多中小学结合对当地的历史名胜、民俗文化、人文景观和科学场馆和科技设施的调查访问，把可供学生长期使用的资源进行梳理和重新编撰，同样是组织学习资源的有效方式。

在调查和了解到各类学习资源后，需要将这些信息记录和组织起来，供学校长期开展研究性教学使用。可以采用资源登记表和建立资源档案等方式来记录信息，利用计算机和校园网形成各校的资源数据库。初步实现了网络教育的地方，还可以考虑在区域范围内构建更大的共享资源数据库，形成集成化的学习资源中心，包括围绕学生的研究专题组建的专题资源库，演示型或交互型学

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习软件库、课例库和知识素材库等等，实施交互式的导师指导和分布式的学习。要采取各种措施，鼓励向学习资源中心和资源数据库不断提供新资源，形成一种“资源自增长”的机制。 （6）过程要素

研究性教学突出地表现为探究过程，探究过程的设计和组织实施是最重要的环节。按照建构主义的理论。整个研究性教学的过程设计必须围绕“意义建构”这个中心而展开，无论是小组和班级合作学习，还是学生独立探索，或者是教师进行的指导等等，一切活动都要有利于完成和深化对所学知识的意义建构，即对新信息的意义的建构，以及对原有经验的改造和重组。

正如科学研究的过程必须从设计研究方案开始，研究性教学也需要围绕“意义建构”来制定学习方案。要以学生对“任务”的原有知识经验和认知结构为基础，规划整个学习的切入点；要根据课题研究、项目活动设计或课堂教学等不同特点，制定研究学习活动的计划，提出完成任务的路径、方法和策略，规划好表达、交流和评价等活动。

探究学习的过程不能局限于书本和课堂，探究过程的实质是模拟科学研究的过程，要求学生走出课堂、走出校门，积极开展社会调查和社会实践活动。要注意把对“死”的文献资料与现实生活中“活”的资源结合起来，引导学生充分关注当地自然环境、人文环境和现实的生产、生活，把自己身边发生的事情纳入研究（探究）性学生的内容，从重发现需要研究和解决的问题。探究过程本身是丰富多彩的，社会科学与自然科学的学习也不尽相同。自然科学探究中，除了以观察、访问等方式搜集资料外，科学实验、小发明、小制作等过去行之有效的创造性活动，都可以纳入探究性学习的过程中。

探究过程虽然是学生自主进行的，但教师必须作为指导者和参与者的身份，给予各种方式的指导，绝不能放任自流。

对探究任务的指导，包括：你的小组必须决定研究简报的表达形式，例如：海报、图像或其他形式；制定一个每人完成任务的时间进度表，以简报形式发布；请记住确定一个完成任务的截止期限，以便督促每个人按时完成计划。

在课堂教学中同样需要注重对研究性教学的指导，结合学科教学内容，着重指导学生自己发现问题、提出问题、思考问题、解决问题，在培养研究性教学能力与习惯方面，与研究性教学课程的功能互补。 （7）评价要素

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了解学习和教学的目标是否达到，这是本课题的第6章所要研究的问题。

30

第3章 目标设计

制订目标是研究性教学教学设计的第一步，目标是教师和学生完成教学和学习任务所要达到的要求或标准。是教师设计内容和确定教学方式的依据。从教育的不同层面出发，教学目标有多种表达形式，即教学目标具有层次性。对物理学科研究性教学来说，教学目标可以分为多个层面：1.从研究性教学教育目的层面制订的物理学科研究性教学总目标；2.从研究性教学主题的层面制订的分目标；3.从课题研究的层面制订课题研究目标及其子目标。物理学科研究性教学教学目标的结构如图3.1所示。

设定目标时的要注意以下几点：

（1）设定目标时应从工科物理课程和学校、教师、学生的实际出发，作统盘考虑。根据学生的需求，从知识、方法、能力、情感、态度与价值观等不同角度分别设定。

（2）设定目标时不求面面俱到，只要符合学校、学生和当地社会经济的发展需要、突出重点并可行即可。

（3）设定目标时不求一步到位，可在实践中作调整、充实，使其逐步可行并完善。

图3.1 课题研究目标及子目标 物理研究性学习总目标

教育目的 分目标 3.1总目标

从教育目的和素质教育的层面来说，物理学科研究性教学总目标应定位于使学生在德、智、体、美等各个方面全面发展。其重点是通过科学探究培养学生的探索精神、科学素养、创新精神和实践能力24，促进学生形成健全的人格。

3.2分目标

本课题采取的是以建构工科物理能量知识结构为主题的研究性教学。其分目标是：

知识与方法目标：学习建构以能量为主线的工科物理知识结构；学习建构知识结构的基本方法和物理科学研究的基本方法。

能力目标：通过建构知识结构，改变传统的以教师为主的教学方式和学生被动的接受式学习方式，改变学生的思维方式，使学生学习转向主动的探索性学习，实现知识向能力的转化。培养发现问题和解决问题的能力、合作能力、自学能

24

教育部，全日制义务教育，《物理课程标准》，北京师范大学出版社，2001.7，第2页

31

力、想象力、创造能力、结构能力与收集、分析和利用信息的能力。

情感、态度与价值观目标：在建构以能量为主线的工科物理知识结构时，通过自主参与类似于科学研究的学习活动,获得亲身体验，逐步形成善于质疑、乐于探究、勤于动手、努力求知的积极态度，产生积极情感，激发他们探索、创新的欲望。通过合作学习，使学生学会交流和分享研究的信息、创意及成果，发展乐于合作的团队精神。通过学生认真、塌实的探究，实事求是的获得结论，尊重他人的想法和成果，养成严谨、求实的科学态度和不断追求的进取精神，磨炼不怕吃苦、勇于克服困难的意志品质，培养科学态度和科学道德。通过社会实践和调查研究，使学生深入了解物理科学对于自然、社会与人类的意义，关心国家和社会的进步，关注人类与能源和谐发展，形成积极的人生态度，培养对社会的责任心和使命感25。

3.3课题目标

本课题的研究性教学与物理学科教学穿插同步进行，目前物理教学采用五板块结构。为了便于教学和开展研究性教学，我们把能量知识结构的建构划分若干课题，采用了以课题为单元的实施方案（详见第6章），要求师生共同设计课题目标，课题研究目标是指每次活动的主题构想。这是进行每次活动的教学设计时必须明确的问题。那如何来确立每次活动的主题构想呢？一般来说可以从以下几方面来展开。

1、每个课题都有课题的中期和长期目标，在确定每次活动的主题构想时，应结合课题的中长期目标来设计本次活动的课题目标。

2、在课题的实施过程中，可能会和原先预计的目标有所不同，那就要求在教学设计时结合实际情况，调整活动目标。

3、在课题的实施过程中，要对学生的操作过程进行分析总结，结合组内学生的工作能力、知识水平以及上次活动完成情况等，来确立下次活动的目标，使之更加适合学生，使他们在实施过程中，少走弯路，多有收获，为整个课题的完成打好坚实的基础。

在制定目标的时候，一定要具体，有可操作性。一次活动最好着重解决一个问题，达到一个小的研究目标。

在制定目标时，对每次课题研究的活动目标的重点进行分析，对学生研究中可能出现的困难进行估计，这是研究性教学教学设计的核心内容。为了避免设计

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普通高中研究性学习实施指南（试行）

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的盲目性，老师在进行教学设计前应做好两项工作，一是要对学生在上一次活动中碰到的困难进行了解和分析，从中找出一些共性的问题，进而分析出现这些问题的症结和根源；二是要对课题研究的外部环境进行分析，对可能影响课题研究的客观情况进行估计。这样在进行每次活动的教学设计时，就可能更具有针对性，对重难点的把握就可能更接近于学生学习的实际情况。

课题研究目标要根据具体的研究课题确定，要求用可观察、可测量的术语精确表述学习目标。不同的教师对不同的课题设计的目标可能不同，力求写出新意。例如，“力学中的能量知识结构的研究”的课题目标是：

该课题分为三个阶段：第1阶段，质点机械能知识结构的研究；第2阶段，刚体机械能知识结构的研究；第3阶段，机械振动和机械波的能量知识结构

知识与方法目标：第1阶段围绕建构质点动力学的能量知识结构，自己通过对知识结构的逻辑关系进行证明，从而打好力学基础。第2阶段通过类比等方法并利用高等数学工具建构刚体力学的能量知识结构，掌握结构方法、类比方法、积分方法。体验一个课题研究的完整过程，掌握科学研究的基本流程，掌握结构方法、类比方法、积分方法。第3阶段通过对机械振动和机械波中能量知识结构的研究掌握能量的传播问题。

能力目标：第1阶段重点培养学生的整体认识能力，第2阶段和第3阶段重点培养学生自学能力、想象力、结构能力。

情感、态度与价值观目标：以上三个阶段均贯穿学生科学态度，综合意识的培养。

另外，设计课题目标时要遵从循序渐进的原则，分课题逐步递进。例如，在上述课题之后，到了“热学中的能量知识结构的研究”的课题，将其目标递进到：

知识与方法目标：通过建构热学能量知识结构，拓展学生知识面，引导学生从历史中抓住问题的本质，提出要研究的问题，并学会判断问题的价值。使学生了解物理科研的一般过程和方法，重点掌握文献研究方法、实验方法、统计方法。

能力目标：、学习查阅文献和网络资料，学会寻找信息源，培养学生搜集、分析、综合信息的能力。着重培养查阅文献资料的技能，网络技能，数据归类统计的能力。并具有初步设计解决问题的方案（包括实验方案）、构建知识模型、解决问题的能力。

情感、态度与价值观目标：通过从历史现象和社会中寻找研究的能量问题，

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增强学生的社会意识，提升学生的人文科学素养，体验科研的艰辛，培养学生的人文精神。

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第4章 问题设计

研究性教学是一种基于问题的学习方式，通过问题的解决培养学生学习方法和科学研究方法是研究性教学的主要目的之一。本章针对能量主题提出了12个与能量有关的研究课题在每个课题中提出了问题背景知识（情境）、课题研究目标与要求。这些课题仅供教学时参考，特别强调的是研究性教学要鼓励学生自己提出问题。

研究题目1：高中能量知识结构的研究

问题背景：高中学习了许多能量概念，先让学生自己建构高中能量知识结构，发现学生存在的问题，以便今后有的放矢的开展研究性教学，本课题是对学生知识结构测查的预演课题。

目标与要求：1、测查学生高中能量知识结构的掌握情况 研究题目2: 联合国对伊朗核查问题实质的研究

问题背景：能源与人们的生活密切相关，全球性的能源竞争已经愈来愈激烈。海湾战争以及联合国对伊朗核查问题的实质是能源问题，培养学生从能的角度分析社会自问题可以培养学生从多角度分析问题的能力，也反映了物理学与社会、经济、政治的密切联系。

目标与要求：1、学习带着问题查找资料，收集第一手资料；2、学习阅读分析资料，提取其中的有效信息；学习总结归纳，对信息进行加工和处理。3、学习多角度、全面的观察和分析问题。重点学习从能量的角度分析社会问题。4、写出一篇时事论文，简述联合国对伊朗核查问题，分析美国和伊朗的态度、表面的和内在的原因，并就此做出评论。

研究题目3：力学中能量知识结构的整体研究（共3个子课题）

问题背景：整体与部分是从认识论的角度讨论问题的。所谓整体是相对部分而言的，整体由部分组成，每一部分由比它更小的部分组成。认识和利用一个事物，必须即了解它的整体，也了解它的各个部分，特别是它的关键部分。整体即表示一个事物的全部，也表示由多个事物组成的一个系统。整体有时称为系统，系统是一个相当广泛的概念。例如，国家可以看作是一个系统，一个班级是一个系统，物理学是一个系统，力学是一个系统，宇宙是一个系统、原子是一个系统、本课题研究的能量问题也可以看作一个系统。在研究系统问题时，整体与部分、部分与部分之间的关系称为结构。例如，由A、B、C三个人组成的团体乒乓球队，按出场先后顺序可以排列成ABC、ACB、BCA、BAC、CAB、CBA等队列结构，不同的

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3.能推倒出静电场的环路定律，知道它表征的意义。 4.会用类比法引入电势能，能总结出电势能的概念结构。 5.会用类比法引入电势的概念，能总结出电势的概念结构。 6.会用两种方法计算电势。

7.能总结出本节的知识结构，包括概念、规律、方法等

8.由电容器的能量公式推倒出静电场的能量公式，能量密度公式，会计算静电场的能量。 课外活动建议：

1.设计一个研究性实验，验证静电场能量的存在，并验证静电场能量与其它能量的转换关系。（可在学校实验室中做实验）

2.会用类比法引入稳恒磁场的能量公式，能量密度公式，会计算稳恒磁场的能量。 3.课外活动建议：设计一个研究性实验，验证稳恒磁场能量的存在，并验证稳恒磁场能量与其它能量的转换关系。（可在学校实验室中做实验）

建构电磁波的能量、能量密度、能流、平均能流、平均能流密度的概念。 4.总结该课题研究中的创新点。

5.万有引力场的概念和规律研究：把万有引力场与静电场类比建构万有引力场的概念和规律研究。然后在校图书馆查阅资料，检查建构的正确性。 研究题目9：自然界中各种能量之间的转化关系研究

问题背景：物理学中研究的能量有传递和转换问题，在传递和转换过程中遵从能量守恒定律，生态系统中也存在这个问题，一切生物的生命都需要能量，如果没有能量的供给，生态系统就无法维持下去。地球上所有的生态系统所需的能量，归根结底来自太阳。绿色植物通过光和作用将太阳能转化为化学能，储存在它们的有机体中。一部分绿色植物被初级消费者摄取，一部分初级消费者又被次级消费者捕食——这样，绿色植物所固定的太阳能就沿着使食物链流动了。 目标与要求：1、了解自然界的各种能量是怎样转化的。2、查阅资料、列出你所知道的能量，说明各种能量之间的转化关系。 研究题目10：微波生物学效应的异质模型研究 问题背景：

能量与人们的生活米其相关，这是人所共知的事实。本部分通过微波生物学效应的异质模型研究使学生从一个侧面了解能量与人类生活的密切关系，学习研究综合性问题的基本方法。

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随着微波技术在广播、电视、通讯、科技和国防领域中应用的日益广泛，信息传输、无线电等射频微波电子产品已成为人类文明生活不可缺少的伴侣，从而也使整个生物界沉浸在人为环境电磁辐射之中，职业和公众受环境电磁辐射污染危害越来越严重，微波辐射对受照者及其后代作用的不良后果引起公众深切的关注。许多物理学家、生物学家、生物医学家开始研究“微波的生物学效应”这一跨学科课题。我国的电磁辐射健康影响研究工作开始于六、七十年代，在七十年代即开展射频微波电磁辐射的健康影响调查工作，探讨了相关的安全卫生标准及防护技术，并取得了很大进展。现阶段的研究表明，电磁辐射对人体的健康影响比较广泛，能引起神经、生殖、心血管、免疫功能及眼睛等方面的改变。从物理学的角度来说，微波的生物学效应表现为致热效应和非致热效应。致热效应是指微波辐射，特别是高强度的辐射，引起机体某些部位发热，造成健康危害，这是显而易见的，也是公认的。有实验室研究发现，长期低强度射频电磁辐射可造成非致热效应，对动物神经内分泌，膜通透性、离子水平等都有影响，也有报告认为射频微波能引起DNA损伤、染色体畸变等。这些非致热效应的研究所得的结果分歧很大27，其焦点在于低强度微波辐射是否存在着有害的生物学效应。这些研究大部分属于实验研究，文献报道的理论研究工作较少。国外对微波生物学效应的理论研究成果：建立受照者的匀质多层平板模型和球模型，研究微波（平面波）照射时机体对波的反射、折射和吸收。对球模型发现有共振吸收现象，这些研究在某种程度上解释了致热效应。然而生物体的结构是复杂的，仅用匀质多层平板模型和球模型得到的结论只是实际的粗略近似，该理论在许多方面与实际相差较大。

研究目标与要求：1、在研究的基础上建立与实际更接近的异质球模型和柱模型（多层球柱模型），2、编写计算程序，分别计算远场和近场（平面波和球面波）照射下机体的比吸收率，研究其吸收与介质、机体几何尺寸、电场极化方向、入射波的强度和频率之间的关系。3、研究结论与国内外实验结果比较，修正和完善现有理论。4、研究微波的生物学效应的物理机理，特别是非致热效应物理机理，为现有的实验结果提出解释。 研究题目11：能源与可持续发展 问题背景：

自然界的能源为人类提供所需的能量，能源资源中既有自身包含的能量，如

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赵清波，金永哲，张云生，郑传海。通讯微波辐射对作业人员健康影响的调查。中国工业医学杂志；1999，7(5)：293-294。

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煤炭、石油等，也有物质运动过程中才产生的能量，如风能、水能等。

能源按形成和来源可分为来自太阳辐射的能（太阳能、煤、石油、天然气、生物能、风能、水能）、来自地球内部的能（地热、核能）、来自天体的能（潮汐能）。按转化过程分为一次能源和二次能源。一次能源又分为常规能源和新能源，常规能源有可再生能源（水能、风能、生物能）和不可再生能源（煤炭、天然气等），新能源指核能、氢能等；二次能源指电能、汽油等。

目标与要求：1、通过图书馆、网上、社会各部门对世界（或我国、我省）能源面临的问题进行调查。写一份能源状况的调查报告。2、学习调查方法和写调查报告。

研究题目12：现代能源的开发与利用

问题背景：通过上一个课题的研究使我们认识到传统能源以不适应现代社会经济的快速发展，人们为了创造美好的生活，必须致力于现代能源的开发与利用研究。 目标与要求：通过图书馆、网上查阅资料，对原子能、氢能等现代能源的调查，了解现代能源的开发和利用情况，写一份现代能源的开发与利用的综述。

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第5章 实施过程、计划和方案设计

5.1实施过程设计

研究性教学的实施过程即“学与教过程”，它是研究性教学最重要的设计项目，设计者必须详细规划学生开展研究性教学活动的步骤、方法和注意事项，进行具体的指导。

依据研究对象和内容的不同，研究性教学的实施可以分为两类，即课题研究类和项目（活动）设计类。课题研究以认识和解决某一问题为主要目的, 围绕客观事物是什么样的或事物之间的关系、事物发展变化的规律是什么提出问题。课题研究以认识和解决某一问题为主要目的,具体包括调查研究、实验研究、文献研究等类型。项目（活动）设计以解决一个比较复杂的操作问题为主要目的，一般包括社会性活动设计和科技类项目的设计两种类型。前者如一次环境保护活动的策划,后者如某一设备、设施的制作、建设或改造的设计等。一项专题的研究性教学活动,可以属于一种类型,也可以包括多种研究类型。综合性较强的专题,往往涉及多方面的研究内容,需要运用多种研究方法和手段,更需要参加者之间的分工协作。无论是课题研究类，还是项目（活动）设计类，实施过程一般可分三个阶段：进入问题情境阶段、实践体验阶段和表达交流阶段28。在学习进行的过程中这三个阶段并不是截然分开的，而是相互交叉和交互推进的。学与教的基本过程模式可用下面框图来示意：

5.1.1教的过程设计

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学生 教师 获取信息 质疑选题 研究计划 搜集资料 信息处理 实施研究 总结报告 成果交流 问题情境阶段 提供背景 诱发动机 策划主题 介绍资料 实践体验阶段 方法指导 协调督促 组织交流 表达交流阶段 评价鼓励 总结交流 图5.1

普通高中研究性学习实施指南（试行）

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在研究性教学的教学中，教师与学生在教学中的地位发生了根本的变化，学生处于自主的主动地位，教师处于指导地位29。学生自主是指研究的全过程（收集信息、选题和立题、设计研究方案、进行具体研究、总结研究成果、完成研究的全过程）应该由学生自主去完成，把学生至于一种动态、开放、主动、多元的学习环境是开展研究性教学追求的目标，但是并不排斥教师的指导作用和学校常规教学管理制度的约束。在研究性教学的理论和实践中，认为教师已退居边缘，成了“局外人”的观点，是对学生主体性误解而导致教师主体作用的迷失30。教师在研究性教学中的地位应定位在：铺垫知识、指导方法、组织管理、疑难点拨、鼓励士气、协作参与等方面。在研究性教学中，表面上学生在主动的探求知识，实际上学生学习的每一个环节都离不开教师的精心指导。这是因为对能力有限的学生来说，无论其人生阅历，还是知识结构和研究能力，都不够成熟。而研究性教学也不同于真正意义上的科学研究，不能靠学生完全独立完成，学生的时间和精力也不允许这样做。在研究性教学中，当学生面对困难不知所措甚至退避时，教师必须适时进行有效的指导。这种指导是一种深层次、高水平的指导，不是直接告诉学生做什么、怎么做，而是启发诱导，是学生自己认识到应该怎么做，不是代替学生去解决困难和问题、而是通过一系列的指导策略，是自己解决问题，完成学习任务。这就要求教师在指导过程中，不仅要转变指导观念、更要讲究指导艺术和策略。指导策略是要循着学生的思路想，并要提出质疑，提供可深入思考与探究的思路或方向，供学生进行判断和选择；物理学科研究性教学的指导内容有以下几方面内容：

（1）选题指导：选题是研究性教学过程中非常重要的一步，选择的题目要可行，要具有实际意义和社会价值。题目太大或太难，学生会感到力不能及，面对困难容易表现出消极的退避，题目太小伙太简单，学生会觉得缺乏挑战性，感到索然无味，因而使研究性教学流于形式。因此，教师要根据物理课程研究性教学目标把握选题方向和范围，根据学生的知识水平和能力状况，尽可能把题目难度定位在学生的“最近发展区”内，同时，还要对可利用的资源和环境条件作必要的考察和分析，保证研究的可行性和现实性。选择的题目学生必须感兴趣，选题的指导力求宏观，给学生一定的选择自由度。例如，在本课题的研究中，我们把研究性题目的范围限定在能量范围，给出了一些子题目供学生参考，但也允许学生选择其它自己感兴趣的与能量有关的题目。

2930

施良方、崔允漷，教学理论：课堂教学的原理、策略与研究》，华东师范大学出版社 2000年 黄伟、谢利民，研究性学习课程实施中的问题辩证[J]，教育理论与实践，2001.（12），55

45

（2）计划指导：物理学科的研究性教学应课内与课外相结合，校内与校外相结合。由于在课程计划内安排的课时相对于开展研究性教学总体所需要的时间是有限的，就必然涉及到课内外时间空间与其主题内容的安排策略问题。即指导学生课内可做些什么，课外可做些什么；哪些工作可在校内做，哪些工作可放到校外去完成。一般而言，课内时间可用于选题、取材等方法指导和阶段成果经验的交流，而课外时间可用于课题研究的具体实施等。同时，需要对在课外进行的研究活动的场所选择进行有针对性的指导。

（3）组织形式指导：即指导学生如组织研究小组。当小组成员发生矛盾，小组其它成员难以协调或发现有的学生对该课题没有兴趣时，要适时指导并允许小组成员流动

（4）过程指导：这里所说的过程是指学生在课题选定后，制定研究方案、搜集信息、实施研究等过程。对过程的指导是最能体现教师创造性和指导水平的一个环节，要求教师掌握不同学生的心理，研究和灵活应用研究性教学的指导策略，真正做到“道而弗牵、强而弗抑、开而弗达”。

（5）方法指导：通过研究性教学使学生掌握科学研究的基本方法和思维方法是开展研究性教学的主要目的之一。方法指导是很重要的一个环节，要求教师对研究性教学的方法作总体规划，将方法指导贯穿在整个研究活动之中。本课题的第3章对物理教学中的研究性教学的基本方法作了统一设计。虽然这种设计是针对能量知识结构的建构而言的，但是，因为能量知识结构在物理学中的重要地位使得这些方法具有普遍性和代表性。

（6）结题指导：在结题指导中，不但要指导学生对获取的资料分析整理、提炼观点、形成小论文研究报告，还要指导学生表达论文、图表、模型、影像等多种方式及实现各种方式的方法。要注重结题指导中人文价值的发掘。例如，在微波的生物学效应的研究中不但要使学生了解“是什么”和“怎么回事”。还要使学生养成对生命的珍惜和热爱之情。

总之，研究性教学中教的设计应关注研究的全过程，除要关注师生共同的活动内容外，更要关注由学生单独进行的研究活动。图5.2给出了研究性教学的教的过程设计框架。

序号 研究性教学过程 教师的任务 46

1 了解研究性教学的理论 设计动员方案，采取讲座等形式做好理论介绍、思想动员等工作 选题思路介绍，提供问题情景，提供参考题目或筛选学生自选题目。 2 选题 3 4 计划与组织 选题论证，调整方案 指导学生组成研究小组，设计研究方案 对学生进行选题论证或开题报告的训练，就研究方案的科学性、可行性展开论证，根据论证的意见，帮助学生调整研究方案。 及时提供研究思路、方法、资料上的指导。要及时检查学生的研究情况，帮助学生总结已取得的成果，明确下一步的工作重点。 5 实施研究 6 结题 指导学生分析总结研究成果，形成结论，指导学生撰写研究成果。 7 交流与评价 对研究成果进行推敲，选择合适的方式进行展示与交流。组织成绩评定，引导学生总结研究经验。 图5.2给出了研究性教学的教的过程设计框架

教师要根据上述教的基本框架对研究性教学的教的过程作详细的规划和设计，并在实施过程中善于发现存在的问题，及时调整指导方案。 5.1.2学的过程设计

学的过程即实施研究的过程。不同的研究课题在研究方法和手段上有着各自的侧重点，为便于学生开展课题研究，构建“意义建构能量知识结构的研究性教学”实施研究的基本模式如下：

（1）类比研究模式

建构能量知识结构时，常用的方法是类比方法。类比是由一类对象已知的属性和关系，从而达到对另一类对象已知的属性和关系的推测。发现两种事物之间的类比关系，表明能把两者纳入同一层次的上位范畴之中。其基本流程如图5.3。

确定课题 确定类比对象 对两个对象的异同点类比 得出结论并对结论进行验证 撰写研究报告 交流总结 图5.3

例如，由力学中的功能关系类比静电场的功能关系时，研究的类比对象是静电场，被类比的对象是重力场和弹性力场。这两种场的相同点都是保守力场，不

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同点是这两种保守力所做的功的地形式不同，经过类比后，重力场和弹力场能引入的概念静电场也能引入，只不过两种势能的表达式不同而已。特别注意的事，用类比法的得到概念和规律要通过实验等方式进行验证。这是类比法的使用条件。否则，可能得出荒谬的结论。例如，人和羊都是动物，通过类比得到，羊吃草，人必然也吃草的结论，这个结论是否正确要通过实践检验。

（2）整体研究模式

普通物理学使用了微积分和矢量代数等数学工具，使得其研究范围比高中物理广泛，这也是普通物理学有别于高中物理之处，微积分不但是处理物理问题的工具，它也是人们认识和研究物理世界的一种方法和思想。在建构能量知识结构时，经常用这种思想研究问题，其基本流程如图5.4。

确定课题 确定整体 化整为零 积零为整 得出结论并对结论进行验证 撰写研究报告 交流总结 图5.4

例如，研究刚体的规律时，常用的方法是类比法和微积分思想研究模式。只要我们熟悉质点动力学的概念和规律，刚体可以看作质点的组合，就可以用微积分思想得出刚体动力学的概念和规律。如用微积分思想从质点动能的公式推导出刚体转动动能和转动惯量的公式。

（3）文献研究模式31

也称为“历史方法”，主要是以过去为中心的探究，对有关现有文献对照一定课题进行进一步深入的研究。文献是先人的劳动果实，是可贵的文化遗产。但所有的文献都受到时空的限制，在新的时空背景下可能会表现出这样那样的问题，这就为我们实施研究性教学带来了课题。文献研究模式就是将一定的成果事件放在当时的历史背景下进行成败得失研究，以认识其经验和教训，同时揭示当前关注的一些问题，或对未来进行预测，为现实社会服务的研究模式。只要是追根求源，追溯事物发展的轨迹，探究发展轨迹中某些规律性的东西，就可采用文献研究法。其基本流程如下：

确定课题 查阅文献 确定与课题相关的关键内容 对信息材料作摘要或总结 撰写研究报告 交流总结 例如，在学习热力学第一定律时“永动机的历史和教训”一提就采用的是该

31

图5.4

张学民 朱琼瑶 《教学设计理论》 辽宁师范大学 2000年

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模式。

（4）实验或观测模式32

物理学是一门以实验为基础的学科，通过科学实验或科学观测来获得数据和进行研究和学习，是物理学的最重要的研究方法。在大学物理教学中，理论课与实验课往往是两门课，这就要求我们对这两门课进行合理的整合，增加设计性实验，开放实验室，为学生研究性教学提供方便。运用此类模式，关键是要控制好变量和条件，真实准确地记录变量，以确保数据的可靠性，另外，学会误差处理的技巧和方法。其基本流程如下：

（5）调查研究模式

在社会调查和资料分析基础上进行深入研究。一般可运用于有关社会性问题的研究课题。实际上，这一模式是由两个步骤组成的，即先进行调查，再分析调查结果。要调查就要列出调查计划和调查提纲，包括确定样本的对象和数量、调查方法、设计调查文本和进行社会交际与开展具体调查等；要分析调查结果，就要甄别调查资料的真伪和价值程度，有的还需建立一定的数据库，找到问题及其原因，研究并提出相应的对策等33。其基本流程如下：

图5.6

明确课题 访谈程序或调查问卷的建构 数据收集 分析处理 结论报告 选择课题 设计方案 实验研究 结果处理 讨论成果 总结交流 图5.5

例如，“甘肃的能源结构与可持续发展”，“微波对人体的影响”等课题都可采用该模式。

（6）理想模型和理想实验研究模式

通过想象建立物理模型或理想实验来进行带技术性的物理研究。这种方法忽略复杂事物的次要因素，抓住主要矛盾，使人们便与找出事物发展和变化的规律。

3233

萧菲 修义主编，研究性学习的组织与管理，广西师范大学出版社，2002.4，155 靳玉乐 杨红 《当前活动课程建设的问题与对策》 《中国教育学刊》1997.6

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物理学中的理想模型一般分为三种类型34：一是实体理想模型，如质点、理想气体、点光远、光滑平面、刚体、细线等；二是系统理想模型，如保守力场系统、绝热系统、简谐振动系统等；三是过程理想模型，如匀速直线运动、匀加速直线运动、匀速圆周运动、准静态过程等。例如，“理想气体内能的研究”可采用该方法。其基本流程如下：

图5.7

确立课题 资料调查或实地考察 构思设计方案 制作或设计模型 文字报告（设计、过程的说明） 理想实验有叫思想实验，它是想象推理来完成的。理想实验是建立在可靠的实验基础之上，但又不是直接用操作来实现的实验，理想实验是一种科学的抽象方法，尽管它不是直接演示物理现象，而是用想象来描绘实验过程，但是有可靠的实验基础作保证，因此它的可靠性让人深信不疑。爱因斯坦、玻尔等人擅长理想实验，伽利略用理想实验发现了惯性定律。其基本流程如下：

图5.8

确立课题 实验基础资料调查 构思设计方案 描绘实验过程 文字报告（设计、过程的说明） 例如，用“重力场描绘静电场电势的研究”采用了该方法。 （7）畅想论证模式

一种假设或假想，再加以论证的研究方法，一般可运用于需要在创造性思维基础上进行创新性研究的课题。在物理学史上，用该模式取得研究成果的事例不计其数。例如，德布罗意用类比方法提出物质波的假设，时隔不久该假设得到了实验证实。科学研究有时也需要大胆畅想，要做得到先要想得到。但“猜想”决不是瞎想，它应是艺术性和科学性的结合，要将大胆设想和论证相联系。虽然对学生而言能论证到什么程度还不可能苛求，但要进行这方面的训练。其基本流程如下：

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提出问题 形成假说 设计实验 实验验证 反思小结 再次实验 总结交流 图5.9

阎金铎主编，《物理教学论》，广西教育出版社，1996.12，424

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