物理学是研究自然规律的一门基础学科，是中学的必修课程。多年来人们已经关注中学生的物理学习，由于种种原因，物理学已成为现阶段中学生思想认知中最为困难的学科^[1-4]。把研究性学习理念与自主探究意识渗透于物理教学之中，深入分析中学生物理学习困难的认知因素，探索适合中学生个体发展的研究性学习方式，构建基于研究性学习的中学物理教学机制，对于减少或者消除中学生物理学习困难，激发学习兴趣，提高教学效果具有积极的促进作用。

一、研究性学习及其内外部条件 (一) 研究性学习理念

研究性学习完全不同于传统意义的学习，是一种全新的学习方式。它主要基于以下四种学习理念^[5]143-146：一是布鲁纳(J.S.Bruner)的发现学习。学生在学习情境中，经由自己的探索寻找而获得问题答案的一种学习方式。二是巴娄斯(S.Barrows)的以问题为基础的学习。它在问题的诱发下，学生运用问题解决策略、推理技能，最终获得解决问题所需要的知识和技能。三是布拉门费尔德(P.Blumenfeld)的以项目为基础的学习。这是一种综合性的教学与学习方法，旨在让学生亲自参与对真实问题的研究来完成学习。学生提出解决问题的策略，各自发表观点，相互辩论，合作探究，获得对问题的解决，达到对知识的理解和能力培养的目的。四是布兰斯福特(J.Bransford)等人的探究性学习。在学习过程中，学生自己或者集体探究一个虚拟或真实的现象，并得出结论。

以上四种学习概念，虽然名称不同，但就其实质而言，是同一种学习形式，即基于对问题的探究而进行的学习，也就是我国学者提出的研究性学习。所谓研究性学习，广义上是指学生探究问题的学习，可以贯穿在各科各类学习活动中。狭义上是指在教师指导下，学习者以类似于科学研究的途径和方法，通过自主探究与体验，运用科学方法，收集、分析、判断和整理信息，主动获得知识、应用知识解决问题，形成创新能力的一种学习方式^[6-7]。在学习过程中，学生以类似科学研究的过程、方法和形式学习各门学科，极大地发挥了学生的能动作用，其目的在于感悟和体味知识的同时，培养学生的创新精神和实践能力，在质疑问题和解决问题的过程中，掌握学习方法，达到学会学习，并形成相应的情感态度和价值观。

研究性学习的本质是问题解决，在解决问题的过程中掌握方法，从而形成相应的能力。根据现代心理学对问题解决的研究，可以把研究性学习过程分为五个阶段：一是发现问题，也就是觉知(发现)问题的存在，这是研究性学习极为重要的一步。二是界定表征问题，表征问题就是对问题进行分析，包括确切界定问题的性质，分析解决问题已有的条件及所需要的条件，明确问题解决的最终目标等。三是确定问题的解决策略，选取以规则为基础的问题解决策略。四是执行策略，选取正确的问题解决策略，促使问题解决顺利进行。五是评价问题解决的结果，这个过程是核查执行结果与预定的目标是否一致。明确研究性学习过程，对开展研究性教学具有重要的指导作用。

(二) 研究性学习的内部条件和外部条件 1. 研究性学习的内部条件

从学习动机看，研究性学习更多地需要以学生的求知欲、好奇心、兴趣等内在学习动机为前提。因为它是一种自觉主动地发现问题、解决问题的过程。所以，以研究性学习为基础的教学，就要设计好问题，注重激发学生的好奇心和求知欲。这是开展研究性教学的重要条件之一。

从学习过程看，研究性学习需要高水平的认知技能，包括批判性思维、创造性思维和实用性智能等。批判性思维是一种思维技能，既能体现思维水平，也能凸显现代人文精神，任何涉及智力或想象的论题都可从批判性思维的视角来审查。如果学生缺乏批判性思维，就不可能提出更多值得研究的问题，创设研究性学习的契机。创造性思维是打破思维定势，以一种全新的、不同于他人的方式思考问题，进而生成新观念的思维形式。实用性智能是指在实践情境中表现出来的智慧能力，批判性思维、创造性思维能力较强的学生并不一定能在实践中显示出高水平的智慧行为。而拥有丰富的实用性智能，将能使个体较好地应对环境中的问题，顺利地进入新环境。因此，实用性智能对于强调实践性和亲历性的研究性学习是一种必要的心理品质。正因为如此，教师在开展研究性教学时，一定要考虑学生的认知技能。

2. 研究性学习的外部条件

研究性学习不仅对学习主体即学生提出一定的要求，而且还需要一些外部条件的支持。

学习内容必须具备可研究性。其一，从教育心理学角度看，学习内容必须对学生构成问题，亦即能够让学生产生疑问，引发学生思考。而不能构成问题的内容，不可能引起学生的探究动机，也就不可能开展研究性学习。也就是说问题质量强烈地影响研究性学习的成效。其二，学习内容必须具备研究的可能性。许多知识本身可能对学生构成了问题，但是学生无法通过研究来掌握，如数学中的奇数、偶数，物理中的质点、功、压强、电场强度、磁感应强度等概念，学生很难通过自己的探究准确地揭示概念属性，因为这些概念都是定义性的，需要教师讲解，才能使学生理解并掌握。其三，学习内容必须具有研究的必要性。有些学习内容对学生构成问题也具有研究的可能性，但是没有研究的必要，如牛顿是如何发现万有引力的，对中学生来说，只需要掌握万有引力的内容，而没有必要探讨牛顿发现万有引力的过程。其四，构成问题的学习内容还必须具备研究的现实性，亦即有较完备的仪器设备和具有指导能力的教师。

研究性学习离不开教师的指导。在研究性学习过程中，无论问题的选择、活动的开展，还是问题的解答，都需要教师的参与。但这种参与并不是要求教师单纯地充当知识的传授者，而是要充当学生学习的参与者、促进者、组织者和指导者，帮助学生在问题界定，信息的收集、分析和综合的过程中，理解要提出的问题，对问题进行分类，并找出可能的解释或解决办法。解决问题的步骤是一个“问题界定-假设检验-评价-问题再界定-再次假设检验”的过程。通过这种认知的辅导过程，使学生真正成为一个独立的学习者，掌握解决问题的方式和方法。

研究性学习大多需要小组协作完成。在多数情况下，受个体的能力和学习资源的限制，研究性学习需要小组协作进行。通过小组成员的分工合作，资源共享，可能开展更多的研究课题，提高研究性学习的实效。

弄清了研究性学习的内外条件，教师在开展研究性教学之前，就要全面综合考虑，把握并创设好充分的内外条件，为提高研究性教学的效果奠定基础。

二、研究性教学及其特点 (一) 研究性教学

研究性教学是教学理念、教学方式或教学方法有机融合的体现，它贯穿于各门具体学科的教学之中，表现为教师通过启发、促进、支持等系列方式，指导学生开展研究性学习活动，以完成学科教学目标。人们把这种教学策略简称为“研究性教学策略”，实施研究性教学策略的教学则称之为“研究性教学”^[8]。研究性教学就是学生在教师的指导下，以类似科学研究的方式模拟科学家的研究方法和研究过程去获取知识和应用知识。学习过程是学生积极主动的探索过程，学生需要的是教师的指导或帮助。而教师的主要职责是创设一种有利于研究性学习的情境和途径。

实施研究性教学，首先，确立问题，通过分析问题，增强学生的质疑意识，培养其批判性思维和创造性思维，训练其实用性智能。问题的质量直接影响研究性学习的成效，影响学生所花费的研究时间和精力，更影响学生对学科内容的兴趣。因此，问题的选择应符合中学生的认知特点和心理特征，建立在中学生知识储备和能力背景的基础之上，使学生通过努力可以完成。其次，创设研究情境，对虚拟的或真实的现象进行分析，探询理论推演或实验探索的证据，通过研究过程的身体力行，体验发现知识的过程，增强研究意识，发展创造性思维能力。再次，通过研究解决问题，打破原有的思维定势，并在解决问题的过程中不断衍生出新问题，形成永不放弃的探索精神。最后，教师对全过程进行总结，帮助学生理清思路，构建科学合理的知识结构。

(二) 研究性教学的特点

在实施研究性教学的过程中，需要构建教学相长、共同提升的师生关系，营造民主、平等、融洽的教学氛围，促进师生共识、共享、共进。因此，研究性教学具有独特鲜明的特点。

1. 主体性

学生是教学活动的主体，是研究课题实施者，对学习目标的实现负有主要责任。研究性教学就是要激发学生的求知欲，经过学生的质疑、设问、创新、假设、判断、验证等认识活动，完成教学任务。如果没有学生多种观点的碰撞、论争和比较，结论难以获得，学生也难以真正理解和掌握知识，形成探索能力。因此，学生的学习是对研究课题主动探究的过程，是积极主动地获得知识的过程。

2. 探索性

学习的过程不仅是一个接受知识的过程，而且也是一个发现问题、分析问题、解决问题的探索过程。教师深入钻研教材，提出符合学生现有知识和能力的问题，引导学生利用身边可获取的材料，以科学研究的方式，对问题进行探索，在探索中学习知识，体验发现的乐趣。

3. 生成性

学生在对问题的探索过程中，常常会突破原有条条框框衍生出新“问题”，使研究性教学得以持续进行，并取得意料之外的教学效果，培养学生发现学习问题的能力。

4. 多样性

研究性教学形式具有多样性与开放性的特点，既可采用理论分析的方法，也可采用实验研究的方法；既可以是教师指导下的个体独立研究，也可以是小组合作研究；既可以在课堂上进行，也可以在课外展开。

5. 共进性

研究性教学改变了传统的教与学的方式，在教师主导性与学生主体性充分体现的前提下，形成了教学相长的师生关系，成为师生共同发展的生长点。

三、中学物理教学中的问题设置 (一) 问题设置的原则

问题的设置是研究性教学的关键。从学生角度看，学生要以教师设置的问题为起点，围绕问题展开探究。所以，设置的问题能否激发学生内在的学习动机，诱发其好奇心和求知欲十分重要，它直接影响着研究性教学质量的高低。从教学角度看，所设置问题要贯穿教学活动的始终。问题是研究性教学的开端，因为有问题才能开展研究。同时，问题又是研究性教学的归宿，因为学生通过问题最终获取知识与技能、方法与能力，完成学习任务。因此，在中学物理教学中，设置问题应遵循一定的原则。

1. 探究性原则

所置的问题应是与中学生学习内容相关的具有探究性的与可能性的问题，通过中学生对该问题的界定与表征，能够生成(尝试)问题解决的策略。若问题具有探究性与可研究性，但对于中学生学习来说没有必要，这就不能作为问题。

2. 可操作性原则

简单地说，就是设置问题在操作层面上是可行的。既不脱离中学物理教学实际，又能很好地体现物理教学内容的要求，还能够按照“规定程序”完成。

3. 启发性原则

物理知识涉及人们生活的方方面面，问题设置必须联系中学生身边的物理现象，激发中学生的好奇心和求知欲。通过对这些现象的研究能够引发中学生对问题的深入思考和分析，最终学会解决问题。

4. 多元性原则

问题既可以就教材中某单一物理概念、规律、定律等进行设置，也可以就某一物理教学单元内容来设置，还可以围绕生活中的物理现象进行设置。

(二) 教学中的问题设置

建构主义认为，学习者是根据自己的信念和价值观对客体或事件进行解释的过程，是一种主动建构意义的过程。也就是知识不是通过教师的讲授得到，而是学习者在一定的社会文化背景下，借助他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式来获得。中学物理主要采用理论教学和实验教学两种方式，根据两种教学方式的特点，设置恰当的问题，则可以通过研究性教学完成教学任务。问题既是研究性学习的载体，又是研究性教学的支撑。

1. 理论课教学中的研究问题

在物理课堂开展研究性教学，教师需要做的首要和重要的工作，就是挖掘教材本身的研究价值，设置符合教学需要的、能激发学生兴趣的问题，促使学生以研究方式开展学习，初步形成自主学习的能力。这些问题不是科学家进行科学探究活动中的问题，而是教师深入研修教材，对教材内容不断挖掘、整合而生成的问题。问题一定要符合中学物理课程标准的要求，适合学生已有的知识经验和能力，并要与生活实际相联系，使教学内容的所有信息得到直接或间接的呈现，而且只有一个正确答案的问题。问题设置得是否恰当，既直接影响研究性教学的效果，也直接影响学生学习的积极性和热情。

设置问题就是将中学物理课程知识转化为符合教学要求以及适合学生实际的具体问题。教师在掌握学生的认知水平和知识背景的基础上，可以把教材中的物理概念、定律和规律等转化成典型的研究材料，即设计成问题，并指导学生运用探究方法开展学习活动，从中感悟知识的产生、发展和生成过程，形成愉悦的心理体验。

中学物理教材中的问题处处可见，如，初中物理有关“平面镜”的教学内容，在学生已经掌握了光的反射、折射知识，具备了分析简单光学现象能力的基础上，教师以探索“镜中我”这个问题为研究课题，引导学生应用生活中常见的器具(平板玻璃、蜡烛)等，探索得出平面镜成像规律，并进一步应用成像规律，解释生活中的光物理现象。再如，有关“杠杆”的教学内容，教师设置“杆称原理”问题为研究课题，引导学生分析杆称的特征(支点、力、力臂等)，使学生悟出杆称就是物理学中的杠杆。然后通过固定砝码质量，改变力臂长度；固定力臂长度，改变砝码质量的变量控制方法，探索杠杆平衡条件。教师引导学生进一步观察生活中的物理现象，衍生出对变形“杠杆”(剪刀、钳子、滑轮、轮轴等)问题的研究，持续生成新问题，步步深入。

总之，在物理课堂教学中，教师应该从教材内容、学生认知水平等实际情况出发，渗透科学探究的思想、方法和手段，以问题为主线启动学生的认识活动，由浅入深地进行探究性学习。这样，既可以使学生原有知识结构和技能变得更加深刻、透彻、娴熟，又可以促使新的知识与技能的习得，使学生的学习潜能得到充分挖掘与发展。

2. 实验课教学中的研究问题

实验教学是学生学习如何通过实验探索未知、获取知识、形成科学素养的重要教学手段，也是培养学生动手能力、创新意识的重要环节。传统意义的中学物理实验教学，通常是按部就班地验证课程标准中的原理、定理等，获得对物理概念的理解与掌握。通常的做法是学生通过既定方案进行实验操作，验证相关内容，最后以填空形式的作业给出实验结果，很难实现学生对实验所包含物理思想的理解和创新能力的培养。

研究性实验教学是把验证性实验转变成探究性实验，把验证性实验课题转变为研究问题，把实验过程作为课题研究与开发的过程来对待，以课题研究报告的形式给出实验结果。开展研究性教学，教师需要确定作为问题的实验课题，在此基础上再准备实验器材，然后讲解基本仪器的使用方法及操作规范，以及如何撰写课题研究报告等问题。学生根据自己对实验的理解，按照已掌握的实验方法，针对实验课题设计研究方案，完成实验操作。重要的是，教师要让学生明白，完成实验操作只是形式上完成了实验，最关键的是学生必须学会如何分析实验数据、总结实验结果、得出实验规律(上升为理论)、撰写实验研究报告，从而形成独立的实验能力。

在高中物理实验教学中，如“流体静力法测量物体的密度”“用打点计时器研究自由落体运动”“用力传感器研究力的合成与分解”“利用气垫导轨研究匀加速直线运动”“单摆振动规律研究”等。再如，利用数字化实验教学资源系统开发新研究性实验“超重与失重研究”“光强度与光敏电阻阻值的关系研究”“磁悬浮列车的工作原理研究”等。以上所枚举的问题都可以作为实验教学中的研究课题。

四、中学物理研究性教学模式

中学物理学科的研究性学习理念是以物理知识为载体，以提出问题为主线，引导学生在探索解决问题的过程中，增强问题意识，诱发求知欲，发展创造性解决问题的初步能力，养成主动探究的学习精神。因此，基于研究性学习的中学物理研究性教学，有利于改变中学生物理学习的被动状态，发挥他们的自主性和能动性，在研究问题中深刻理解、体验和感悟所学的物理知识，并同化于个体的认知结构之中，与原有知识经验融为一体，提高学习效果。

(一) 渗透物理思想的模式

科学思想是科学理论建立、发展和完善过程中贯穿于人们认识中的科学思维方式和思想方法。是在各种特殊科学认识和研究方法的基础上提炼出来的，能够发现和解释其他同类或更多事物的观念和推断法则。

中学物理课程中涉及的物理思想有：守恒思想、对称思想、类比思想、数理思想、理想化思想、极限思想等等。物理思想教学是有别于具体物理概念、规律和方法的教学，它可以教会学生如何科学思维，帮助学生认识科学的价值，以及激发学生创造的精神。因此，物理思想是物理教学中体现物理课程价值的重要内容之一。

研究性教学中渗透物理思想的教学是基于物理课程资源的教学模式。它通过具体的物理概念、物理规律、物理定律等资源的媒介作用，以问题探索为中心，通过问题引发学生学会思考，并以问题传达物理思想。如前述在“杠杆”的研究性教学中，学生依据杠杆的基本要素：支点、力、力臂，通过对变形“杠杆”的深入研究，使学生把归纳分类的物理思想内化为自己的知识结构。再如，研究单摆运动，单摆在忽略了摆线质量、空气阻力、摆球大小等因素，以及摆角小于5°时，实际单摆就可以视为理想单摆，理想单摆在摆动过程中动能和势能相互转换，总机械能保持不变。在对单摆的研究中，学生首先领悟理想化思想，明白理想化思想在处理物理问题中的作用，再次感知守恒思想，得出守恒量是变化过程中始终保持不变的物理量，守恒律是守恒量遵循的物理规律；在万有引力问题中，把恒星、行星抽象为具有一定质量而不考虑其大小的质点模型，使学生明白模型化思想；万有引力和电荷间的库仑力的对比，二者都是平方反比力，使学生明了类比思想的重要。

中学物理渗透物理思想的教学分为三个过程:一是教师准备传达物理思想的问题；二是学生对问题的探究过程；三是教师引导学生提升物理思想。在该模式的教学中，教师要时刻启迪学生关注问题之外的知识，善于总结问题所蕴含的物理思想，使学生在对问题探究的过程中领悟物理思想。

(二) 实验探索的模式

物理学是一门实验科学，物理学的定理、规律等必须经过实验的检验，方可被人们认可。中学物理的教学内容就是经过实验检验了的对自然规律的科学描述。实验教学在于培养学生的实验方法，养成探索未知的科学素养和科学精神。物理实验研究性教学就是把验证性实验转变为探索性实验，把验证性实验课题转变为研究问题。这是一种基于问题探究的教学，即教学中围绕实验课题，发挥学生各自的兴趣和特长，以小组为单位分工合作，共享集体智慧，逐步形成对问题的深刻理解和领悟，在解决问题的过程中，掌握技能，形成探索能力。

以“电阻实验研究”的研究性教学为例。教师给学生准备基本的实验器材以及不同阻值的测试电阻和二极管等。学生基于理论知识可以采用电流表内接法和电流表外接法两种接线方法。实验中采用变量控制法研究电阻、电流、电压的关系：首先, 保持电阻不变，改变电压，测量流过电阻的电流，画出电流-电压图；其次, 保持电压不变，改变电阻阻值，测量流过电阻的电流，画出电阻-电流图；最后, 保持电流不变，改变电阻阻值，测量电阻两端的电压，画出电阻-电压图。学生分析实验数据，发现：电阻不变，电流-电压之间呈线性关系；电压不变，电阻-电流之间呈双曲线关系；电流不变，电阻-电压之间也呈现线性关系。总结出电阻实验的规律--欧姆定律，通过对电流表内接法和电流表外接法测量数据的比较，得到两种接线方法的适用条件。在完成电阻测试之后，再让学生测试二极管两端电流、电压，画电流-电压图，图中反映出二极管的电流、电压关系曲线不是线性的，不遵循欧姆定律，教师提出“为什么二极管两端的电流、电压关系不遵循欧姆定律”的问题，引导学生通过在图书馆(或网络)查找资料得到答案，最终使学生知道电阻有线性和非线性之别，线性电阻遵循欧姆定律，非线性电阻不遵循欧姆定律，用伏安特性曲线表示，非线性电阻的伏安特性曲线通过实验做出。

在实验探索教学模式中，一是教师根据物理实验的内容要求，优化具有探索性和符合学生实际的实验课题；二是教师指导学生分析实验课题，提出实验方案，开展实验课题研究；三是通过实验反馈机制，教师及时发现学生在实验探索过程中遇到的难题，引导实验小组成员通过讨论，探询解决的方法；四是学生分析实验数据，总结得出结论，并撰写实验研究报告。在实验探索教学模式中，教师始终以“导演”的身份参与实验，起着组织、协助、启发、引导的作用。而学生则是“演员”，处于实验探索过程的主角，自始至终，学生发挥着自身的主体作用。

(三) 体验感悟的模式

研究性教学以学生发展为本，激发学生主动探索知识，它不仅重视学生学习过程中的理性认识，还重视学习过程中的感性体验。中学物理知识往往与实际的生活经验密不可分。在中学物理研究性教学中，教师结合学生的生活经验和知识背景，挖掘其中的物理因素，确定问题，使学生身体力行，亲身实践与感受，从而体验生活中的物理现象，领悟现象中的物理原理，认识和掌握物理规律。

能够让学生获得上述感受和体验的教学称之为体验感悟的教学。这种教学模式基于生活经验与常识，即从生活背景中发现问题，讨论交流，延伸启迪。学生通过研究性学习，分析身边常见现象中所包含的物理规律，达到对物理知识的理解，形成物理学习信念，成为激发物理学习的行为力量。生活现象中包含的物理规律很多，许多看似不同的现象却有相同的物理规律。如日出、日落的太阳，彩虹，薄膜的颜色，交通灯信号的颜色，城市晚上各种灯光的颜色，各种花卉艳丽的色彩等，这些现象都是关于光的色彩和颜色问题，它们存在共同特点。教师以“光的色彩、颜色”为研究课题，组织学生开展研究性学习。首先让学生去观察生活中看到的各种光现象和颜色，感悟这些光现象中的共同点和不同点。学生自然发现日出、日落的太阳，交通灯信号和城市晚上的灯光等，这些都是发出光的物体，而植物、各种物体(如彩棋、五颜六色的气球)等自身并不发光，它们反射太阳光(灯光)。因而，自然界中有发光的物体和不发光的物体。再通过三棱镜分光实验探索，得出太阳光是复色光，揭开颜色之谜，获得对光的色彩和颜色的正确认识。再如，自然界中有非常悦耳的音乐，有歌唱家美妙动听的歌声，还有各种美丽的鸟鸣，但是也存在令人心烦的噪音。这些都是我们身边熟悉的声现象，这些声现象的本质都是振动现象。教师以“认识声音”为研究课题，组织学生学习“声”这一物理现象，使学生感受各种声音，探究声现象的特征。在此过程中，教师通过“为什么声音有大有小”“什么声音是悦耳动听的”“什么声音是刺耳的且对健康有危害”等问题的引导，指导学生学习声现象，并通过实验探索得出“声机械振动在空间的传播”的结论。在此基础上，教师以“听不见的声”继续引导学生，深入探索声现象，使学生通过使用电脑、IPAD、手机等各种设备在网络中查找相关资料，以了解人们听觉范围以外的次声和超声现象，懂得次声的危害和超声的应用。

五、结语

基于研究性学习的研究性教学越来越受到广大教师和学生的重视，其在我国中学已开展十余年，这方面的理论研究成果非常丰富，而围绕具体学科的研究性教学仍然处于探索阶段。本文从操作层面探讨了中学物理研究性教学，以期对于减少或者消除中学生物理学习困难，提高中学物理教学效果有指导意义。