高中物理开展课题研究的实践与思考

学生在教师指导下从社会科学或自然科学领域发现某个问题或专题，用科学研究的方法去认识问题、获取知识，达到对问题的认识深化或最终解决，这就是研究性学习。它是基本上由学生自己“当家做主”的学习方式，为学生最大限度地发展创新思维、增强实践能力提供了广阔的空间。一般认为，研究性学习的内容具有开放性、过程具有民主性、方案具有科学性。
　　围绕核心课程设置的课题研究，是研究性学习的重要组成部分。和研究性学习一样，课题研究是按照教育的基本认知规律进行的，学生需要对课题进行评估，对研究目标进行设定，对研究内容进行筛选，对研究过程进行控制，对研究结果进行论证，以上这些过程或步骤，都是科学研究方法的缩影。学生一旦掌握了这种科学的研究方法，就会由此步入科学研究的大门，给今后的研究工作带来极大的便利。从这个角度上讲，课题研究侧重的是过程和方法，看轻的是结果，它的最终目标，就是要提高学生带有发展性和创造性特征的学习能力，培养学生的创新意识和创新精神，锻炼提高学生的实践能力，全面提升学生的素质。课题研究主要着眼于这些能力与意识的培养，而不在于某项具体知识的学习。
　　河南省自2000年秋季开始执行普通高中新课程方案，我们对物理教学大纲（试验修订版）所列的课题研究进行了一年多的实践，对课题研究的重要作用有了更多、更深的认识与理解，主要表现在：

　　一、深入开展课题研究，能够深刻体会其作用与价值
1、课题研究都带有很强的实践性，有利于学生养成独立思考的良好学习习惯，激发学生的创新意识和创新思维
“研制‘水火箭’”是一个对动手能力要求相当高的实践性课题，学生需要认真思考，面对研制过程中出现的一个又一个问题，譬如：首先要考虑水火箭的飞行原理，它和火箭、飞机的飞行原理有何不同？其次要考虑制造与技术问题，怎样设计水火箭？箭体如何选择？箭头如何制作？作为箭体的饮料瓶内需装多少水？怎样才能保证充气过程是单向的？“水火箭”飞起来后，飞行的稳定性如何控制（即如何选择侧翼及其硬度）？飞行的高度如何控制（即怎样选择水和空气的比率，以及箭体内气体的压强）？而这些问题，大部分是教材中所没有的，学生必须独立思考、查阅资料、集体讨论，依*自己的力量去解决问题。这是一个相当典型的“递进式”研究课题，对应不同的阶段，学生可以得到不同的成果，得到不同程度的满足感与成功感，学生动起手来兴趣盎然，能够激发学生主动求知和探究创新的积极情感，培养学生的创新意识和创新能力。
2、带有探索性的课题研究，有助于培养学生的科学态度，训练科学的思维方法
“研究弹簧振子的周期和小球质量的关系”是一个探索性的研究课题，教学大纲并不要求学生学习这个知识点，因此实验的前提是学生不知道振子的周期和小球质量的定量关系（尽管学生可以通过查找资料知道这个结论）。做这个实验时，学生在测出若干组数据后需要列表，在坐标纸上描点，作出拟合曲线，用相应的函数表示这条曲线。这个过程一般情况下会重复几次，因为学生需要作出、、甚至曲线，之后才能从中确定最简规律曲线（直线）作为研究对象，以便写出函数表达式并求出其中的常量。如果再换用其它的弹簧重做该实验，还可以进一步解释函数式中各参数的物理意义。
　　探索性研究课题虽然看起来像是普通的学生实验，但它的结论却是学生所不知的，所以是真正的探索性实验。在验证性实验和探索性实验这两种不同的做法中，实验内容可能相似，但是，按照两种不同的思路去求得结果，学生的心理活动是完全不一样的，得到的训练也不一样，后者的训练质量要远远高于前者。学生做探索性实验的认知过程，类似于心理学中的“双盲实验”。中学阶段虽不要求学生掌握弹簧振子的周期和小球质量的关系，但这个实验所用的方法却是科学研究中一种非常典型的方法，学会这种方法，将使学生在今后的工作中受益无穷。“研究材料的保温性能”、“研究影响滑动摩擦力的因素”也是这样的课题。大纲安排这类实验，目的是进行研究方法的教育，培养学生实事求是的科学态度，教育学生从实际出发，尊重事实，按客观规律办事，而不是为了让学生多学一个知识点。
3、与新科技相关的课题研究，有助于全面培养学生收集和处理信息的能力
刹车防抱死（ABS）是近年来得到广泛应用的一项新技术，它在汽车刹车时，能自动控制刹车片与轮毂（）的压力而不至于轮毂被抱死，使刹车的动作在１秒内作用60—120次（相当于不停的在做机械“点刹”），车轮不与地面发生滑动摩擦（汽车的大部分机械能消耗在摩擦片与轮毂的摩擦上），与地面之间的附着程度得到增强，这样，司机既能快速刹车，又能控制汽车的运动方向，使得驾车的安全性大大提高。这项技术虽然很新，但是它的物理模型并不复杂，既可利用高中物理知识做些较为深入的研究，又可通过利与弊的调研，了解高新技术带来的巨大的社会效益和经济效益。但是，这方面的资料却很少，学生不但需要去图书馆查找资料、需要上网查找资料，还需要走访汽车修理厂或制造厂，考察了解ABS装置，实地观察配有ABS装置的小汽车的刹车过程与公路上轮胎磨损的黑色痕迹，可能的话，还要乘车亲身感受比较一番。千方百计查找资料的过程，就是学生收集、筛选、加工、提取有用信息的过程，这个过程培养的能力，对于生活在信息社会的学生而言，重要性是不言而喻的。
4、与社会问题相关的课题研究，有助于培养学生的社会责任感和使命感
我们知道，臭氧能大量吸收太阳紫外线，保护地球上的生物免受过多紫外线的伤害，被誉为“地球生命的保护伞”。然而，人们使用冰箱、空调时释放的氟氯烃化合物（和），上升到平流层后，通过光化学反应会大量消耗臭氧。根据有关研究，大气中的臭氧量减少1%，到达地面的太阳紫外线辐射就会增加2%。到达地面的太阳紫外线辐射增加，一方面直接危害人体健康，另一方面还对生态环境和农林牧鱼业造成破坏。因此，保护臭氧层被认为是当今全球最重要的环保项目之一。然而，臭氧层的保护涉及到无氟电冰箱的推广，无氟电冰箱的制造成本要比用氟利昂制冷的冰箱的成本高，消费者花较多的钱但本人并不直接受益，怎样引导公众正确认识这个问题，应该采取什么样的宣传策略，以及宣传的重点放在哪里，都是不得不考虑的问题。“小论文：从电冰箱到臭氧层”为这类问题的深入讨论留下了较大的空间。
　　从烧柴到燃煤，再到电、气并用，灶具的演变，可以说是社会进步、人民群众生活水平提高的一个缩影。在能够选择的前提下，引导学生思考用煤、用电或用管道煤气烹饪，哪种方法更经济，更符合中国人的烹调习惯，并且对家居环境的影响更小？这些都可以在“灶具的演变”中进行讨论。
　　过去，物理课中只讲物理原理、物理规律，最多讲一讲技术的应用，但是，科学原理的应用与评价一定会涉及到社会问题，二者密不可分，学校教育应该为学生做这方面的准备。引导学生思考科学技术与人类社会的相互关系，使学生在学习知识的同时潜移默化地受到辩证唯物主义教育。
　　要教育学生关注当前的社会问题、经济问题、可持续发展问题等，引导学生思考科学技术与人类社会发展的相互制约关系，从更广阔的角度认识物理学的作用，培养学生的社会责任感和使命感。
5、构建全新的评价标准，激发学生主动参与课题研究的意识
　　学生对物理题的习惯反应是“会”与“不会”，教师对学生的试卷、作业，则习惯于用“对”、“错”来评判，而研究课题对于不同学生的区分，不是会不会做，也不是做的对还是做的错，而是表现在所作研究的不同深浅和多少上。
　　有些课题，例如，“研究材料的保温性能”、“菜刀上的力学知识”、“从电冰箱到臭氧层”、“研究弹簧振子的周期和小球质量的关系”……都没有惟一正确的研究方案，也没有惟一正确的答案，学生做这些题目时，也不存在简单的“会”与“不会”的问题，而是可以从不同角度、不同深度进行多方面的工作。例如，写“从电冰箱到臭氧层”这篇论文时，有的学生着重从氟利昂破坏臭氧层的机理上去研究，有的学生兴趣则在于臭氧层如何阻碍太阳的辐射作用，还有的学生却在研究太阳辐射发生变化时地球生物的生理学变化。研究“菜刀上的力学知识”时，大部分学生都在刀刃的利钝、刀身的宽窄、刀背的厚薄、刀柄的长短、刀的形状等方面做文章，但有的学生却会注意到，用刀砍骨头时，手握在刀柄的某个位置会感到轻松、不震手，甚至会自己找些书来读，学习一点儿课本上没有的知识（比如打击中心、回转半径）。这样的研究课题每个学生都能参与，同时又有不同的深度和层次，给各种程度的学生都留有广阔的发展空间。
　　实验性研究课题中的一些技术问题，学生们的处理方法也肯定会有所不同。在“研究弹簧振子的周期和小球质量的关系”时，首先遇到的就是弹簧的劲度系数几乎都不知道，或者即便是知道了也不准确，怎样测弹簧的劲度系数？方法可以多种多样。其次，课堂演示用的弹簧振子周期太小，阻尼太大，不能用来做这个实验，需要换用较软的弹簧。当振子水平放置时，如果去掉滑动轴，就要解决支撑问题；如果将振子置于水平面上，就要解决振子的抖动问题；同时，上述两种情况都要考虑如何尽量减小阻力（空气阻力和摩擦阻力），考虑阻尼对振子周期衰减的影响。当振子竖直放置时，则需要考虑弹簧自重对振子周期的影响，即解决等效质量问题（这些问题当然不要求学生掌握，但知道结果对于教师却是相当重要的）。有的学生由于多方面的原因，实验结果可能并不理想，但他却解决了或考虑到了上述问题中的一个或几个，在这种情况下，如何评价该生的工作，就显得相当重要了。
　　另外，过去我们一直认为，学术界没有定论的内容，不应该在中学课程中涉及，就现在而言，似乎不能一概而论。让已经有一定分辨能力的高中学生接触一些目前还有不同认识的课题，有助于学生认识科学研究的进程，激发他们探索未知的热情，防止和避免思维出现片面化的倾向，有助于培养创新思维和创新精神。如在“从电冰箱到臭氧层”中可以讨论造成臭氧层破坏的主要原因究竟是氟利昂还是喷气式飞机的尾气；在“温室效应”中可以分析造成地表温度上升的主要原因，究竟是人类活动排放的气体（如氟氯烃化合物、卤化烷化合物、N2O和CH4等），还是太阳活动和大气环流的周期性变化。但是，我们过去的科学技术教育却把这些复杂的事情简单化了，评价的标准是要么对，要么错，没有其它选择。这种教育培养出来的学生，往往视野狭窄，思维方式单一，考虑问题多为“直线式”，不能较快适应社会复杂多变的需要。有意识地选取这样一些没有惟一答案的研究课题，就是想弥补过去在这方面的不足。
　　针对研究性课题的这种特点，对学生所作工作的评价也要有新的标准。例如，要考虑是否提出了新的有意义的问题，对课题的分析是否有独立的见解，实验中遇到的技术问题有几个是自己解决的，所用资料有多少是自己搜集的，解释课题是否用到了教材上或老师没有讲到的内容，对课题是否做了定量分析。因此，对学生课题研究的考核就不应该是简单地打个分数，而是要有一个综合的评价，指出其特点与不足，如果可能的话，还应该给学生指出继续研究的方向。
6、教学相长，有利于建立新型的师生关系
由于研究课题的范围非常广泛，其中很多都涉及科技或社会中的新问题，教师不可能精通所有的答案，因此，很多老师看到这些研究课题的头一个反应是：“我们自己还不懂，怎么去教学生？”这里有一个教育思想观念转变的问题。研究性课题本来就没有惟一正确的答案，它的解答会因场合不同、时代不同、要求不同、观念不同、学生不同而发生变化，要求教师精通所有研究课题那是不现实的，教师的角色也要变化。教师是课题研究当然的组织者；教师应该是学生的导师，对学生的研究方向和研究方法给予指导；教师应该是学生的裁判，协调、评判研究过程中学生之间发生的矛盾和纠纷；教师还应该是学生的伙伴，尽可能参与课题研究的社会调查、实验制作；教师不应该再抱着“师道尊严”的旧观念不放，因为你并不一定什么都比学生知道的多；教师不应该给出研究课题的具体步骤和方法，应鼓励学生采用不同的方法，提出不同的见解；教师不应该是学生的百科全书，不能也不可能回答学生提出的一切问题，要相信学生中蕴藏着巨大的积极性和创造力，自己的任务是把它们开发出来，同时自己也从中汲取营养，丰富和壮大自己。一年多来的实践，我们亲眼看到、亲身体会到了学生身上蕴藏的巨大潜力，尤其看到一些学习成绩平平甚至较差的学生那种积极主动、创意频生的情形时，深感评价标准务必更新、人才标准务必更新、课程改革势在必行、教学改革势在必行。同时，面对知识面如此之开阔、所提问题如此之尖锐的学生，教师的危机感也油然而生，真切感受到了接受继续教育、进行终身学习已经迫在眉睫。所以，课题研究的过程，同样是教学相长的过程，是营造新型师生关系的过程，充满温馨情感的师生关系无疑极其有利于教育目标的全面实现。
　　实际上，由于课题研究分工的不同，使得学生在自发组成研究小组时，每一个人都能找到适合自己的职位，兴趣和特长有机会得到展示，各个方面的能力都可以得到锻炼和提高。而这些能力的提高，不仅锻炼了学生的意志品质，而且丰富了学生的经验，开阔了学生的视野，十分有助于文化课的学习。这一点，已经在多所学校得到证实。

二、课题研究面临的困难
1、现行文化课课程过于繁重，学生升学压力过大，应试教育的弊端难以一下子根除，制约了课题研究的开设与发展。
2、由于大教育观尚未形成，社会各界对高中新课程方案尤其是开设研究性课题的意义尚不了解，需要加大宣传力度，以便从思想上和行动上获得配合与支持。
3、教师不但缺少组织、参与和指导课题研究的经验，而且缺少必要的档案、资料与信息；学校缺少某些器材与场地；学生的活动经费也是一个不得不考虑的问题。
4、课题研究的内容不具有系统性，不易体现学习内容和研究层次的渐进性、发散性，这需要在实践的基础上认真加以探讨、研究。

三、课题研究给我们带来的思考
　　近年来，很多物理教育工作者已经认识到，学科教育的目的除了传授知识、训练技能以及进行方法和能力的培养外，还有十分重要的一点，就是要对学生进行科学精神和科学价值观的教育。但是，目前这方面的探讨，不论是教学还是实践，基本上还是局限在以知识和学科方法为本的课程框架之内。然而，课题研究大大拓展了这一领域，弥补了学科教育在这方面的不足。
多年来，物理教育工作者所谈的实践能力，基本上是指学科的实验能力，而对于解决实际问题的能力，尤其是解决与社会相关的实际问题的能力，则重视不够。正是基于这种考虑，教学大纲设计了“刹车时车轮被抱死的利与弊”等课题，为学生从课本到社会、从理想到真实作了铺垫。
　　社会在发展，我们的认识也在不断地更新，中学物理课程中课题研究的引入，就是进步的表现，同时必将会给我们带来一些更深层次的思考和碰撞。然而，教育活动和其它社会活动一样具有很大的惯性，因此，也不能期望一次能解决太多的问题，上述深层次的问题如何解决，将会是设计新的物理教学大纲和课程时主要考虑的问题。