当前，基础教育课程改革正在深入发展，义务教育阶段的物理课程标准已经试用两年，今年又颁布了高中物理课程标准，拉开了高中物理课程改革的序幕。从国内外物理教育改革的发展趋势和研究成果来看，应当用科学探究的思想指导高中物理教学改革。科学探究体现了物理学的本质特征，是物理教学的重要组成部分；科学探究与物理知识的建构是统一的过程:科学探究能激发学生学习物理的内在动机，使学生有效地学习物理。
【关键词】科学探究 物理教学改革
当前，基础教育课程改革正在深入发展，义务教育阶段的物理课程标准已经试用两年，今年又颁布了高中物理课程标准，拉开了高中物理课程改革的序幕。新课标明确提出物理课程的目的是提高全体学生的科学素养；在课程结构上注重共同基础，体现选择性；在课程内容方面体现时代性、基础性和选择性，设计了模块课程供学生选择，这是课程改革的一项重要举措。然而，要真正落实新课标的要求，促进学生科学素养的全面发展，则需要深入开展课堂教学改革，改变以知识传授为主的传统教学方式，逐步形成以促进学生发展为主的现代物理教学方式。这是一个艰巨的过程，需要有明确的指导思想和物理教育工作者的共同努力。从国内外物理教育改革的发展趋势和研究成果来看，应当用科学探究的思想指导高中物理教学改革。
一、如何理解科学探究
目前，物理教育界对于科学探究有不同的理解和认识。有一种观点认为，只有把学生放开，让他们自己发现问题，自己动手实验才是科学探究，才是探究式的学习方式。这种观点是对科学探究的狭义理解，只看到了科学探究的自主性和操作性层面，而忽视了科学探究的本质含义。我们在实际教学中，不可能每个课题都用这种探究的方式学习。因此，如何理解科学探究和怎样用科学探究的思想指导物理教学改革就成了一个重要的研究课题。
从物理学的发展历程来看，伽利略开创了实验研究的先河，他对自由落体的研究堪称科学探究的典范；牛顿经过对天体运动的长期思考，最终发现了万有引力，将地球与天体的运动规律统一起来，又何尝不是科学探究里程中的丰碑？电磁感应定律是法拉第实验探究的结果，方程组则是理论思维的结晶。物理学革命的标志——量子论和相对论的创立，哪一个不是科学探究的辉煌成就？因此，科学探究的含义是十分广泛的。
从物理教育的角度来看，我们可以从以下三个层面来理解科学探究：首先是观念层面，科学探究体现着现代科学观。科学不是已经完成和固化了的知识体系，而是人类对自然界的永无止境的探究过程。科学的知识体系在探究过程中不断发展和变化，许多科学的结论是待证伪的，是在发现新的证据之后需要修正的。人类对自然界的认识尚且如此，对学生而言，其个体的认识也需要在探究过程中不断发展和改变。因此，学习物理的过程是一个不断转变对自然界的原有认识和观念的过程，是一个自觉的实现观念自我更新的过程。第二是思想方法层面，科学探究是科学家群体在长期探索自然规律的过程中所形成的有效的认识和实践方式，其中最重要的是科学思维方式，即我们通常所说的科学思想方法。当代科学教育理论认为，科学探究没有固定的模式，但有一些可辨别的要素，如提出科学问题、建立假设、搜集证据、提出理论或模型、评估与交流等，这些都是科学思想和工作方式的体现。在物理课程标准中，根据这些要素提出了对学生理解科学探究和发展科学探究能力的要求。第三是操作技能层面，任何实验探究过程都需要某些思维和操作技能，如控制变量、使用仪器、记录和处理数据等。因此，除了第三个层面要求学生必须动手实验之外，以上两个层面都可以以多种方式渗透在教学过程之中。
二、科学探究体现了物理学的本质特征，是物理教学的重要组成部分
科学探究是物理学的本质特征之一，但在我国中学物理教学中一直被忽视。国际物理教育委员会在《物理教育研究与教师教育》一书中讨论的第一个专题就是物理学的本质。文章作者弗伦奇(A P French)指出：“总的来说，科学的本质就是观察和探究我们周围的世界，试图从已知事物中确定某些潜在的秩序和模式。物理学主要研究无生命的世界，总是力图确认最基本的原理，并把诸多规律统一起来。”他从科学的本质出发，指出了物理学与其他自然科学的区别与联系。物理学的本质特征可以看作由两方面组成，一方面是其过程性特征，即对自然界的观察和探究，体现了自然科学的共性；另一方面是研究对象和追求目标上的特征，以无生命的世界为主要研究领域，力图确认世界最基本的原理，追求内在的统一性。物理学是在不断追求认识统一性的探究过程中发展的，在科学探究过程中寻求事物的本质特征及统一规律的思想方法是物理学的本质特征，是物理教学首先要体现的。中学生对物理的理解和认识是通过亲身经历的学习过程而逐渐形成的。物理课不应当是听课、记笔记、做实验、做习题的结合，而应当是在教师的指导和帮助下不断探究物理现象的本质与内在联系的过程，将科学探究作为物理教学改革的指导思想，这是体现物理学的本质与促进学生科学素养发展相统一的要求，是国际物理教育发展的共同趋势。
在20世纪50年代开始的第一次国际科学课程改革浪潮中，科学探究作为物理学的过程就已经进入了中学课程和教学之中。著名PSSC教材这样写道：“物理学呈现出来的不只是干巴巴的事实，从根本上说，是人类探究物质世界本质的一个连续不断的过程”。学生需要在物理学习中经历科学探究的过程，这种观点得到了国际物理教育界的普遍认同。虽然布鲁纳倡导的发现法在理论和实践中受到质疑，但科学探究对于物理教育的促进作用是确定无疑的，并且在20世纪末开始至今方兴未艾的新一轮科学课程改革浪潮中再次得到普遍的认同。
三、研究表明：科学探究与物理知识的建构是统一的过程
在物理教学改革中，有许多人担心强调科学探究会影响学生掌握物理知识。用科学探究的思想指导物理教学不是忽视物理知识的学习，而是注重了学生对物理知识的自主建构过程，科学探究与知识的建构是在同一过程中发生的。建构知识与传授知识的本质区别在于：传授是自上而下的，知识的来源是教师和教材，接受者是学生。而建构则是自下而上的，学生的头脑本来就不是一张白纸，他们对于物理现象和问题存在着大量的前概念和特殊的认识和思维方式，这些原有认识只有在科学探究的过程中经过冲突和挑战才可能真正转变，科学的观念和思维方式才能真正建立起来。国内外物理教育的大量研究结果表明，学生学习科学知识的过程是在原有认识的基础上自主建构知识的过程，学生的原有认识和在探究过程中产生的认知冲突在物理知识的建构过程中起着十分重要的作用。
以探究的方式学习物理是当前国际物理教学的发展趋势。以华盛顿大学物理教育研究组编写的“探究物理（Physics by Inquiry，1996）”为例，该教材是在研究组长期对学生如何学习物理进行深入细致的研究基础上编写的，完全打破了传统物理教材的编写模式。作者在前言中指出：“探究物理由一系列以实验为基础的单元组成，一步一步地将学生引入物理学和物质科学。学生通过深入地研究简单的物质系统及其相互作用，获取科学过程的直接经验。学生从自己的观察入手，发展基本的物理概念，使用并解释不同的科学表达方式，建构具有解释和预测功能的模型。所有单元设计都有明确的目的，发展学生的科学推理技能，提供将科学概念、表达方式和模型与实际问题建立联系的实践活动。”
在探究过程中帮助学生建构知识的教学策略方面的研究也有了一定成果。下面仅举一个典型的例子，说明如何在教学过程中将科学探究与知识的建构统一起来。尼德若（Niedderer，1987）通过对16—19岁的学生的研究，提出了一种以“新科学哲学”为基础的教学策略。其目的不是用科学理论代替学生自己的观点，而是让学生以探究的方式了解科学理论和自己的观点，并通过比较日常思维与科学思维的差异来达到学习科学概念的目的。这个策略包含以下六个阶段：
1．准备：教学干预之前的过程，包括准备仪器和相关概念。
2．开始：提出一个开放性问题。
3．实施：包括下列内容：提出问题或形成假设，设计和进行实验，观察，理论讨论，总结发现。
4．对结果进行讨论：全班讨论。
5．与科学的结论进行比较：把学生的发现与相似的历史上的理论或者现代观念进行比较，找出不同之处，并讨论产生这些差异的原因。
6．反思：鼓励学生回顾实施过程，并思考出现的特殊问题或困难。
这种教学策略的后三个步骤体现了科学知识的社会建构过程，将学生、教师、科学家视为一个大群体，学生通过探究只能得出个别结论，而不是普遍性的结论。通过与科学的结论进行比较和反思，将学生个体或小团体的认识发展为一般的认识，从而达到在探究过程中发展科学思维和建构知识的统一。
四、科学探究能激发学生学习物理的
内在动机，使学生有效地学习物理
物理课程难教又难学，老师的教与学生的学之间存在差异，这是国际物理教育领域面临的共同难题，表明传统的教学方式不能帮助学生有效地学习。许多研究者关于探究式教学进行了大量研究，结果表明，探究式教学比较符合学生的认识和发展过程。在物理教学中，科学探究将物理学科的探究本质与学生学习的探究过程有机地统一起来，体现了物理教学的本质特征。学生从原有的认识出发，积极参与寻找解释和答案的过程，真正成为探索物理世界的主体。它与启发式教学有着本质的区别，启发式仍然将教师放在主体地位，学生要*教师来启发，因此往往造成启而不发的局面。
科学探究可以激发学生学习物理的内在动机，充分发挥学习的潜能。在探究过程中，学生要明确研究的问题，自己收集和分析信息，做出假设或预测；要在老师的指导下，在共同讨论证据、比较结论以及把自己的结论和科学知识进行比较和建立联系的过程中，获得新的观点和新的思维方式，主动地构建、修正或放弃自己原有的认识和解释，从而扩展对科学的理解和认识。这个过程涉及到深层次思维过程结构的重组和元认知意义上的建构，可以提高学生的质疑、推理和批判性思考的能力，增强他们对自己学习的控制和责任感，从而更加有效地学习物理。
探究式教学不仅在西方国家有较长的历史和相关研究，在我国的台湾和香港也已经有了多年的实践。在我国的物理教学改革中，也有不少教师在尝试探究式教学，并取得了一定的成效。但由于受到课时的限制和应试教育的压力，高中物理课堂教学改革受到一定影响，但研究性学习和课题研究的开展在教师观念转变和经验积累两方面都起到了一定作用。
五、对高中物理教学改革的建议
虽然学生学习科学的本质具有共性，国外和港、台的有关研究成果可供我们借鉴。但教学过程是一个非常复杂的过程，受多种因素的影响和制约，其中社会环境、文化背景和学校条件等因素也是不可忽略的，而正是在这些方面，我国与发达国家存在较大差异。从我国目前的情况来看，发达地区与不发达地区之间、重点中学与普通中学之间也存在很大差异。探究式教学作为一种现代物理教学模式，应作为我们教学改革和发展的方向，但不可能一步到位。在目前条件下，用科学探究的思想指导物理教学改革应当是可行的，关键在于教师对于探究性教学的认同和对于有效的物理教学的责任感，同时，教师自身对科学探究的理解和引导学生开展科学探究的能力也是非常重要的。
教师可以根据学校和学生的实际情况，将科学探究作为物理教学的指导思想，从以下三个方面入手，逐步改变传统的教学模式，向探究教学的方向发展。第一，将科学探究的思想体现在具体的教学方式和方法之中。教师应把握科学探究的本质，而不是将其形式化和程式化。例如，教师的讲授作为一种具体的教学方法，既可以变成“满堂灌”式的知识传授，也可以体现科学探究的思想，作为探究式教学的补充。关键在于教师在何时使用这种方法以及如何使用。第二，就像科学家的探究过程一样，学生的探究方式是灵活多样的，而不是一整套具体的模式和程序，教师应注意启发学生探究的积极性，培养他们自主探究的意识和能力。第三，科学探究并不一定需要装备良好的实验室，教师要想办法利用生活中的低成本的物品，因陋就简引导学生开展探究活动。
这样，用科学探究的思想指导物理教学就存在着多种教学方式，学生动手实验是其中一种重要的方式，但不是惟一的方式。任何物理教学内容都是科学探究过程与结果的统一，都是一个发现和提出问题直至问题解决的过程，只是在以前的教学中忽视了作为过程的科学探究方面，常常将科学的结论直接告诉学生，让学生理解和运用，使科学的过程与结果分离开来。用科学探究的思想和观念指导物理教学，教师首先要创造一种探究学习的课堂氛围，使学生逐步体验和认识到，学习物理就是在教师的引导和帮助下不断探索周围的物质世界，不断发展自己的认识和探究能力，形成科学的思维方式和行为习惯的过程。教师要从科学发展的角度认真研究教学内容，分析科学家提出和解决问题的研究方法；在充分了解学生的原有认识和思维方式的基础上，从学生发展的角度把握每一个重要物理问题的提出、研究和解决过程，针对学生的实际将大问题分解成小问题，最后转化为学生感兴趣而又能够解决的问题。给学生提供研究所需的仪器、数据或资料，引导学生用科学的研究方法和思维方式来探究问题的答案，尝试自己解决或通过合作学习解决这些问题。在学生遇到困难时，可以采用多种方式（如多媒体教学等）展示或重现物理学家的探究过程和思想方法，给学生以启迪。在这个过程中，引导学生主动寻求和建立知识之间的联系，自主建构对物理世界的认识。只有这样，物理课程标准提出的三维目标才能在学生身上真正实现。