物理教材課題的研究論文

按照大綱的規定，新編高中物理教材（即《全日制普通高級中學教科書（試驗修訂本）物理》）設立了“課題研究”項目並列出了大綱給出的課題示例．

在高級中學開展課題研究，是全面培養學生綜合運用所學知識的能力、收集和處理信息的能力、分析和解決問題的能力、語言文字表達能力以及團結協作能力的重要環節．這項活動還有利於培養學生獨立思考的習慣，激發學生的創新意識．課題研究主要着眼於這些能力與意識的培養，而不在於某項具體知識的學習．

教師應該對課題研究進行指導，但要避免給出具體的步驟和方法．要鼓勵學生採用不同方法，提出不同見解．

研究課題可以大致分為探索性物理實驗、科技製作、新科技問題的學習報告、社會調查、擴展性學習等幾個不同的類型．課本中給出的只是研究課題的若干示例，教師和學生可以從中選用，也可以提出其他課題．教師要根據不同學生的特長和興趣向學生推薦，不能要求全班學生做同樣的課題．

課題的研究成果可以是小論文、科學報告，也可以是製作的儀器、設備．

課題研究應該以課內課外結合的形式進行．大綱為每個課題劃出了4個課時，教學中必須保證，其中應有兩個課時用於學生間的彙報和交流．

有關課題研究的一些問題説明如下．

1.課題中有一些探索性實驗

以往的學生實驗，除了某些單純的技能訓練性實驗外，主要有兩大類，一類是驗證性實驗，即在學過相應的知識之後通過實驗進行驗證，例如“驗證牛頓第二定律”、“驗證機械能守恆定律”……另一類則是知識的應用，例如“用雙縫干涉測光的波長”、“測定電源的電動勢和內阻”……這兩類實驗的前提都是認為學生已經掌握所涉及的知識，因此實驗的目的不是探索新的知識．這些實驗對於培養學生獲取新知識的能力，激發他們的創新精神，沒有很大的作用．

探索性實驗課題是為彌補這些不足而設立的．以“研究彈簧振子的週期和小球質量的關係”為例．教學大綱並不要求學生學習這個知識點，因此實驗的前提是學生不知道振子的週期和小球質量的定量關係．做這個實驗時，學生在測出若干組數據後列表，在座標紙上描點，作出擬合曲線，用相應的函數表達這條曲線．如果再換其他幾個彈簧做這個實驗，還可以進一步解釋函數式中參數的物理意義……

按照過去對於驗證性實驗的處理，必須先學習這個知識點，讓學生在實驗前就知道相應曲線的形狀，實驗後假若有的點不在這條曲線上，則要分析出現誤差的原因．但是，在這個研究課題中，學生事先並不知道它的圖象是什麼樣的，只是在看到這些點的分佈和走向之後才意識到它也許能用某個二次函數來近似地表示．在這種想法的鼓舞下，有些學生會嘗試作出T2和m的關係曲線，在這之後就會明確地得到週期與小球質量的定量關係．

在驗證性實驗和探索性實驗這兩種不同的作法中，實驗內容可能相似，但是按照兩種不同的思路去設計，學生的心理活動不一樣，得到的訓練也不一樣．中學階段並不要求學生掌握彈簧振子的週期和小球質量的關係，但是這個實驗所用的方法卻是科學研究中一個非常典型的方法，學會這個方法將使學生在今後的工作中受益無窮．大綱安排這個實驗，目的是進行研究方法的教育，而不是為了多學一個知識點．“研究影響滑動摩擦力的因素”、“研究材料的保温性能”也是這樣的課題．

2.許多課題沒有惟一正確的答案

實踐中的技術問題大多沒有惟一正確的答案，只能從不同的角度、不同的需要權衡利弊進行評價．我們過去的科學技術教育卻把這樣複雜的事情簡單化了：要麼對，要麼錯，沒有選擇．這種教育培養出來的人脱離實際，思想方法絕對化，不能適應社會的需要．大綱有意識地選取了一些沒有惟一正確答案的課題，目的是彌補這方面的不足．

“估測壓力鍋內水的温度”可以通過測量限壓閥的質量而知鍋內的.壓強，進而查表得知水的温度；但是也可以把熱敏元件貼在鍋外，其外再加保温層來直接測得，還可以把熱敏元件直接放入水中；還可能有別的辦法．在這些方案中，熱敏元件的耐高温問題、直接放入水中時鍋的密封問題，等等，都要研究．不同方案測得的水温肯定不會完全相同，這就需要討論、評價．這些工作在以往的中學科學教育中從未有過．

過去我們認為科學界沒有定論的內容不應在中學課程中涉及，其實不能一概而論．讓高中學生接觸一些目前還有不同認識的課題，有助於使學生認識科學研究的過程，激發探索的熱情，培養創新精神，避免思維的片面化．例如在“科普報告：從電冰箱到臭氧層”中可以討論造成臭氧層破壞的主要原因到底是氟利昂還是噴氣式飛機；在“科普報告：温室效應”中可以分析造成氣温上升的原因主要是人類的活動還是地球本身的週期性變化這樣兩種學術觀點……

實驗性課題中有一些技術問題，學生們的處理方法也肯定不會一致．例如在“研究彈簧振子的週期和小球質量的關係”中，由於課堂演示所用振子的週期太小，阻尼太大，不能用來進行這個實驗．解決這個問題並不難，可以選用較軟的彈簧，並去掉滑動軸．但這時如果水平放置就要解決小球的支撐問題，如果豎直放置則應解決彈簧下垂的補償問題．學生可以想出多種辦法，這些辦法各有特點，需要討論和評價．

3.一些課題是跨學科的

氟利昂不是一種單純的化學物質，其中有的成份能夠破壞臭氧層，有的不能．無氟冰箱中製冷劑的化學成份是什麼?它有什麼物理性質和化學性質?製冷的機理是什麼?學生們在“科普報告：從電冰箱到臭氧層”中可以進行討論．

“調查研究：灶具的演變”要求研究柴灶、煤球爐、蜂窩煤爐、液化氣灶、煤氣灶(天然氣灶)、電爐、電磁灶、微波爐的燃燒原理(加熱原理)和效率，比較燃料的燃燒值．“用電解法測定元電荷”要用化學課中學到的知識測量基本物理常量．這些也是跨學科的課題．

大綱列入了這些課題，希望有助於使學生加強綜合運用所學知識的意識和能力．

4.與新科學技術相銜接

怎樣縮小中學物理課程與當代新科技的距離，這個問題一直沒有很好地解決，有幾個研究課題打算在這方面進行一些嘗試．

剎車防抱死系統(ABS)是近年來的一項新技術，它在汽車剎車時自動控制摩擦片與輪盤(輪轂)的壓力，使車輪不與地面產生滑動摩擦，這樣司機仍然能夠控制車的運動方向．這種情況下大部分機械能消耗在摩擦片與輪盤的摩擦上．這項技術雖然很新，但是它的物理模型並不複雜，利用高中物理知識可以做些較為深入的研究．“剎車時車輪被抱死的利與弊”就是基於這種考慮設計的．

“科普報告：從電冰箱到臭氧層”、“科普報告：温室效應”、“科普報告：阿爾法磁譜儀與反物質”等幾個課題也都和科技與環境的最新熱點有關．

5.拉近了物理學與實際問題的距離

我們的中學物理教育一直重視理論知識在技術中和解釋自然現象中的應用，但是仍然存在某些脱離實際的傾向，表現之一是對於物理規律、物理量的認識的絕對化、理想化．實際上，物理學中的實驗定律，在一定程度上都是近似規律．例如，教科書一直説滑動摩擦力的大小跟壓力成正比，與接觸面積無關，但是通過“研究影響滑動摩擦力的因素”這個課題就會看到，實際情況與這種説法是有較大偏差的．

改變電流表的分流電阻可以改變它的量程，這是歐姆定律的典型應用．但是，學生設計的原始電路往往考慮不到表頭的保護措施，實際上是不能用的．“把靈敏電流表改裝成多用電錶”這個課題可以讓學生體會到理論和實際的差距．

6.一些課題與社會問題密切相關

大綱修訂版在選擇研究課題時注意了科學技術與社會問題的聯繫．例如，臭氧層的保護涉及無氟冰箱的推廣，但是無氟冰箱比氟利昂製冷的冰箱成本高，消費者花較多的錢但本人並不直接受益，對這個問題應該採取什麼宣傳策略?許多報導説臭氧層的破壞使得皮膚癌的發病率上升，其實皮膚癌主要是白色人種生的病，黃種人很少有這種病，黑種人更是與它無緣．當今世界上的醫學資料大部分來源於西方國家，國際傳播媒體也基本上由他們控制，事情的嚴重性會不會被誇大了?這裏面是否也有某種形式的種族偏見?研究課題為這類問題的深入討論留出了很大的空間．

氣體燃料比固體燃料更方便，然而使用不當容易引起爆炸和火災，還可能使人中毒．使用氣體燃料是否利大於弊?天然氣比焦爐煤氣貴，但是燃燒值高，實際使用時哪種燃料更經濟?對於不同地區，用電燒飯和用燃氣燒飯哪種燃料更經濟，對環境的影響更小，並且更能符合中國人的烹調習慣?這些都可以在“調查研究：灶具的演變”中討論．過去在物理課中只講物理原理，最多講一講技術應用，但是科學原理的應用及其評價一定涉及社會問題，二者密不可分，我們的學校教育應該為學生做這方面的準備．

7.要用新的標準來評價課題研究

學生對於物理題的習慣反應是“會”與“不會”，物理教師對學生的試卷、作業則總以“對”“錯”來評判．這次大綱推薦的研究課題對於不同學生的區分不是會不會做，也不是做對還是做錯，而是表現在所作研究的不同深度．例如“菜刀上的力學知識”這個課題，要解釋刀刃為什麼能夠切開物體，只用到合力和分力的知識，絕大部分學生都能在一定程度上做出．但是，還有其他方面的問題：細長的刀和短寬的刀用起來是不一樣的；用刀時刀把的長短也涉及一些力學問題……學生的觀察要有一定的敏鋭性才會發現這些問題，如果能夠進行一定的定性與定量的分析，那就更好了．更進一步，如果用刀“剁”骨頭，當刀的前端接觸骨頭時，手會感到刀把向下震，反之則向上震．有那麼一個位置，刀上的這一點剁到物體上時，手感十分輕鬆．學生能夠發現這一點，已經很不簡單；如果還能自己找些書來讀，學習一點課本上沒有的知識並正確分析了這個現象，那就很了不起了．這樣的研究課題讓絕大多數學生都能參與，同時又給各種程度學生的發展留出了很大的空間．

針對研究課題的這種特點，對學生所做工作的評價要有新的標準．例如，要考慮是否提出了新的有意義的問題，對課題的分析是否有獨立的見解，所用資料有多少是自己收集的，是否用到了課堂上、課本上沒有講到的知識，對課題是否作了定量的分析……對學生的工作應該給予總體的評價，指出其特點與不足，不能只給一個簡單的分數．

8.教學相長

許多教師看到這些課題時的頭一個反應是：我們自己還不懂，怎麼教學生?這裏有一個教育思想轉變的問題．研究課題本來就沒有惟一正確的答案，它的解答會因場合不同、時代不同、要求不同、觀念不同、學生不同而有變化，要讓教師精通所有這些課題本來就是不可能的．教師應該是學生的導師，能對學生的研究方向和研究方法給予指導，但是教師不是回答一切問題的百科全書．要相信學生中藴藏着巨大的積極性和創造力，教師的任務是把它們開發出來，同時自己也從中汲取營養．

研究課題涉及的物理知識不一定是傳統意義上的重點知識、主幹知識，有的課題甚至不是純粹的物理學問題，它們只能説是與物理學相關的．提出這些問題的着眼點是培養學生的某些意識和能力，主要不是為使學生學到某些具體的知識．在帶領學生做課題研究時，這點應該十分重要.