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促进科学认知发展的高中物理探究教学模型


第3 3 卷第 1 0期 2 0 1 3年1 0月
学科教学与教研 C UR R I C U L UM,T E A CH I NG  MAT E R I A L AN D  ME THO D  

V o l . 3 3,N o . 1 0 ,2 O c t o b e r 0 1 3

促进科学认知发展的高中物理探究教学模型

r />王文清1, 郭玉英2, 贾   永3
( 包头师范学院 物理系 , 内蒙古 包头 0 北京师范大学 物理系 , 北京 1 1. 1 4 0 3 0;2. 0 0 8 7 5; ) 包头回民中学 , 内蒙古 包头 0 3. 1 4 0 2 0

基于对物理学科和中学生学 习 物 理 的 认 知 建 构 本 质 的 理 解 , 借 鉴 当 代 科    摘要 : 学教育的相关研究成果 , 提出了由问题定位 、 诱导探究 、 焦点突破 、 知识表征与研 ,试图为改变 讨 、 应用整合五个要素构成的 “ 促进科 学 认 知 发 展 的 探 究 教 学 模 型 ” 目前中学物理教学中普遍存在的形式化探究教学提供一个可供选择的途径 。 科学认知 ; 认知发展 ; 探究教学 ; 模型    关键词 : ( ) G 6 3 3 . 7  文献标志码 : A  文章编号 : 1 0 0 0 0 1 8 6 2 0 1 3 1 0 0 0 7 5 0 5 - - -    中图分类号 : 自新课程改革以来 , 科学探究受到我国中学 物理教学领域的普遍关注 。 然而 , 从这几年我们 对多个地区中学物理探究教学的现场观摩 、 全国 物理探究教学大赛的参赛作品 、 各类文献发表的 探究教学设计案例以及全国中小学教师继续教育 网 “ 国培计划 ” 的探究教学设计作品来看 , 中学 物理探究教学中确实存在较为普遍的形式化 、 表 面化倾向 。 因此 , 尽管新课改倡导和推行探究教 学已有十余年 , 但对探究教学的研究依然是一个 关系到中学物理教育发展的急迫而重要的课题 。 中学物 理 探 究 教 学 中 的 形 式 化 、 表 面 化 倾 向 , 其典型特征就是按照课程标准提出的科学探 究要素展开 , 强求表面的学生探究形式 , 缺少对 学生已有认知及深层思考的引发 , 使得探究教学 得不到预想的效果 ; 强求由观察与实验归纳出预 期的结论 , 缺少对学生开放性思考的激励 , 使得 探究教学成为摈弃直觉与想象 、 排斥主观建构的 实验归纳与逻辑推断过程 。 国际科学教育的研究与实践表明 , 探究教学 已不再简单地强调学生的探究体验 , 而是更加注
; 修回日期 :2 收稿日期 :2 0 1 3 0 2 1 5 0 1 3 0 6 2 8 - - - - ) , 男 , 山西保德人 , 内蒙古科技大学包头师范学院副 教 授 , 博 士 , 主 要 从 事 中 学 物 理 课 程 与 教 学 论 研 作者简介 : 王文清 ( 1 9 6 2 ) , 女 , 山东高青人 , 北京师范大学教授 , 博士 , 博士生导师 , 主 要 从 事 物 理 课 程 与 教 学 论 、 科 学 教 育 研 究 ; 贾 永 究 ; 郭玉英 ( 1 9 5 7 ( ) , 男 , 陕西府谷人 , 包头市回民中学一级教师 , 硕士 , 主要从事中学物理教育研究 。 1 9 8 0

重学生的认 知 建 构 , 关 注 学 生 心 智 模 型 的 发 展 ,
[ ] 1-5 而且还特别关注学生对科学本质的理解 。 形

式化 、 表面化的探究教学恰恰就是在学生认知建 构方面缺乏应有的深度 , 在体现科学本质方面过 分强求逻辑与实证 。 为了改变探究教学的形式化倾向 , 本研究基 于对物理学科性质及中学生学习物理的认知建构 特征的 分 析 , 借 鉴 当 代 科 学 教 育 的 相 关 研 究 成 果 , 对物理课堂探究中学生的认知心理进程有了 新的描述 , 进而建构了旨在促进学生认知发展的 探究教学模型 , 并在高中物理课堂教学中进行了 实践尝试 。 一 、 中学 生 在 物 理 课 堂 探 究 中 的 认 知 心 理 进程 考察物理学家的科学探究实践以及中学生在
6] , 我们可以发现 , 物理 物理课堂探究中的行为 [

学的认知建构与中学生在物理探究中的认知建构 具有基本相同的特征 , 即由于物理世界的无限复 杂性和人类观察物理世界的信息转换本质 , 以及

·7 5·

人类对解释物理 世 界 的 逻 辑 一 致 性 的 强 烈 诉 求 , 无论科学家还是中学生 , 他们对物理世界的认识 都不会是通过对客体对象的观察与实验逻辑地得 出的 。 这也就是说 , 其探究进程不会是毫无歧义 的线性的实验归纳过程 , 而是在真实的物理情境 中产生的科学问题引导下 , 在原有认识基础上获 取观察信息并超越观察信息进行意义建构 , 因而 必然要受已有认 知 的 影 响 并 加 入 非 逻 辑 的 因 素 , 总是交 织 着 反 反 复 复 的 思 辨 与 逻 辑 、 构 想 与 实 证 。 由此 , 科学认知的形成与发展是一个随着观 察的不断深入 , 经历反复的构想 、 逻辑推断 、 交 流协商以及观察检验的非线性过程 。 基于上述观点 , 我们认为 , 学生在课堂中的 物理探究要表现出与科学家的探究相似的 、 与科 学本质相吻合的非线性特征 , 即不应该是仅仅从 几个典型的观察与实验直接得出被认为是得到实 证的知识结论 , 而应该是基于自己的日常观察与 思考 , 再经 历 逐 步 深 入 的 观 察 、 思 考 , 以 及 讨 论 、 交流 , 使得 认 知 成 果 与 认 知 方 式 多 次 转 变 、 不断提升 、 趋于科学的过程 。 由此我们设想 , 课 堂情境下学生科学探究的认知心理进程应该是其 基于日常观察与思考所建立的心智模型经历若干 次逐步深入的观察与思考而渐次转换 , 向科学模 型发展的过程 , 同时又是其日常思维经过准科学 思维向科学思维发展的过程 , 我们称之为科学认 知发展过程 。
6] 二 、 促进科学认知发展的探究教学模型 [

图 1  促进科学认知发展的探究教学模型

用整合 。 下面就结合教学中的具体案例 , 对各要 素进行讨论 。 ( 一 ) 问题定位 探究教学的展开首先需要有问题的引导 , 但 这个引导性问题应该指向什么探究内容 , 应该以 怎样的方式提出 , 却成为教学中的一个难点 。 为 此 , 我们试图通过问题定位的方式来加以解决 。 我们知道 , 任何物理概念和规律都有其特定 的表征对象及内容 , 针对某一物理概念或规律的 表征对象进行探究 , 进而对概念或规律所表征的 内容 ( 物理内涵 ) 进行意义建构的问题 , 就是该 加 速 度” 概 念 所 针 对 的 知识的焦点问题 。 如 , “ 焦点问题就是 “ 如何描述物体运动速度变化的快 。 慢” 但是 , 如果直接用 “ 物体运动的速度变化快 慢是不 是 一 样 的 ” 这 样 的 封 闭 性 问 题 来 导 入 探 究 , 显然对结论的暗示太明显 , 十分不利于学生 的建构性思考 , 这就需要我们寻求有利于提出建 构性问题的途径 。 在物理课程中 , 知识内容总是按照某种理论 体系组织呈现的 , 而每个知识单元都有其特定的 研究对象及内容 , 此为知识单元的研究主题 。 研 究主题又由该单元中若干知识的焦点问题为次级 主题而 逐 层 展 开 , 由 此 便 构 成 该 单 元 的 问 题 结 如何 构 。 比如高中的运动学单元 , 研究主题是 “ , 可分为运动对象 、 运动属性 、 描述物体的运动 ” 运动形式及其规律三个次级主题 , 其中 “ 运动属 性” 描 述 又 可 展 开 为 描 述 物 体 的 位 置 、 位 置 变 化 、 运动快慢 、 速度变 化 快 慢 等 三 级 主 题 , “ 运

新的探究教学模型力图克服目前科学探究教 学中的形式化倾向 。 为此 , 我们预期两个重要变 ) 将探究的关注点从对知识的实证转变为 化 :( 1 对 学 生 的 心 智 模 型 及 认 知 方 式 的 引 发 与 转 变; ) 将探究的方式从强制性的线性实证转变为对 ( 2 物理现象的多层次观察 、 建构性思考及多方式表 达与交流 。 此外 , 探究教学还应该适度保留传统 物理教 学 中 的 一 些 重 要 特 征 , 如 教 师 的 导 向 作 用 、 重点知识教学的完整性等 。 基于上述 讨 论 并 借 鉴 已 有 的 研 究 成 果 。 教学模型 ” 这一探 究 教 学 模 型 包 括 五 个 要 素 : 问 题 定 位 、 诱导探究 、 焦点突破 、 知识表征与研讨和应 ·7 6·
[ ] 7-9



我们提出图 1 所示的 “ 促进科学认知发展的探究

动形式及其规律 ” 又包括匀速直线运动 、 匀变速 直线运动等三级主题 。 明确了知识单元的问题结构 , 就可以确定某 概念或规律的焦 点 问 题 在 该 问 题 结 构 中 的 位 置 , 此即所谓问题定位 。 有了准确的问题定位 , 就方 便我 们 提 出 适 度 开 放 的 问 题 。 比 如 ,“ 加 速 度” 概念的焦点问题是该单元的问题结构中 “ 如何描 述物体运动属性 ” 当中的一个问题 , 由此可以结 合某一物理情境 , 以如下方式引出所要探究的问 本章研究物体的运动 , 其中一个重要方面 题: “ 就是描 述 运 动 的 不 同 特 征 ; 之 前 我 们 已 经 用 位 移 、 速度概念分别描述了运动的位置变化和运动 快慢的特征 。 那么 , 物体的运动还有什么新的特 征 ? 它又 需 要 我 们 用 怎 样 的 物 理 概 念 加 以 描 ” 述呢 ? 问题定位要求教师从整体上把握一个知识单 元的探究教学的问题层次 , 进而将相关知识的探 究实质性地联系起来 。 对学生而言 , 明确探究的 问题层次 , 不仅有助于他们确定探究目标的心理 定向 , 还有助于他们深入理解知识之间的内在联 系 , 形成清晰 、 准确的知识结构 。 ( 二 ) 诱导探究 诱导探究是指教师通过建构性问题 , 引导学 生基于其已有经验 , 运用其已有观念 、 知识 、 方 法等 , 对新知识所表征的对象及内容进行经验性 的 、 渐次深入的探究 , 激励学生联系多种真实情 境进行思考 , 并运用多种表征方式对各自不同的 见解加以表达和交流 , 由此显现其心智模型 、 相 应的思维方式乃至本体论 、 认识论信念 , 并将问 题的关键和难点聚焦出来的过程 。 这一阶段是本模型区别于其他探究教学模式 ) 要让学生在适度复杂 的关键所在 。 它要求 :( 1 的物理情 境 中 探 究 真 实 的 物 理 对 象 的 属 性 或 关 ) 物理现象的展现要分开层次 , 由日常现 系 ;( 2 象到定 性 半 定 量 现 象 , 逐 步 提 高 现 象 的 清 晰 程 度 , 以利 于 诱 发 学 生 的 迷 思 概 念 及 不 当 思 维 方 式 , 并帮助他们分清什么是观察的证据 , 什么是 构想的认识 , 哪些认识得到了证据的支持 , 哪些 认识还有待进一步的检验 , 从而体验观察的证据 与构想 的 认 识 之 间 的 区 别 与 联 系 , 逐 步 聚 焦 问 ) 激励学生对现象进行建构性的描述和解 题 ;( 3 释 , 鼓励学生用自己的表征方式大胆地表达自己

的见解和理由 , 鼓励相互之间的质疑和辩护 , 以 提高探究教学的生成性 , 拓展问题思考的深度 。 比如 , 针 对 初 中 “ 升 华 与 凝 华”的 诱 导 探 )日 究 , 教师可以给学生依次安排如下任务 :( 1 常观察与思考 : “ 你在日常生活中是否看到过某 种物质 ( 如, 水) 直 接 从 固 态 转 变 为 气 态 , 或 ” 者直接从气态转 变 为 固 态?你 的 依 据 是 什 么? ( 观察一新一旧两个家 2) 定 性 观 察 与 思 考 : “ 用的白炽灯泡,看看 它 们 有 什 么 不 同?你 对 此 ” 由 于 以 上观察都没有 能做 出 什 么 可 能 的 解 释 ? 真正看到实际发生的物态变化过程 , 所以学生给 出解释时教师不做定论 , 而是将问题聚焦在 “ 能 不能通过实验让我们观察到物质在一定条件下可 以直接从固态转变为气态 , 或者直接从气态转变 ” 为固态 ? 再如 , 针对初中 “ 平面镜成像 ” 的诱导探究 ) 日常观 教师可以给学生依次安排如下任务 :( 1 察与思考 : “ 你在平常照镜子的时候 , 你觉得从 镜子里看到的自己的头像与自己的头部二者之间 有什么 可 能 的 关 系 ? 你 是 如 何 做 出 自 己 的 判 断 ”( ) 定性观察与思考 :“ 的? 请每个同学用我们 2 准备好的镜子照一下 , 你对刚才的问题又会做出 怎样的判断 ? 你的理由是什么 ? 如果我们用一个 箭头代表物 , 用一条直线代表平面镜的镜面 , 你 ” 然 后, 会如何 画 出 这 个 镜 面 对 箭 头 所 成 的 像 ? 引导学生讨论 , 我们之前预测的各种关系 , 哪些 能得到现象观察的充分支持或排除 ? 哪些还需要 进一步的实验检验 ? 从而聚焦出焦点问题 , 再通 过后期的定量实验加以研究 。 又如 , 针对高中 “ 加速度 ” 的诱导探究 , 教 ) 日常观察与思 师可以给学生安排两个任务 :( 1 考: “ 当绿灯亮起时 , 并排的车辆几乎同时启动 并沿直线通过路口 。 你是否注意到 , 不同车辆通 ”( 过路口的运动可能会 有 什 么 不 同 ? 2) 定 性 观 察与思考 : “ 请 大 家 观 看 飞 机、赛 车、摩 托 车 起 跑比赛的 视 频 , 然 后 用 速 度 -时 间 图 象 描 述 三 者 的运动 , 解释你的描述 , 并比较三者的运动有什 ” 然后 , 将 问 题 聚 焦 在 “ 么不同 ? 我们能否通过 进一步的实验观察与测量来研究物体运动速度变 ” 化的特征 ? 诱导探究关注于学生的 “ 日常思维 ” 与 “ 准 科学 思 维 ” 的 认 知 进 程 , 强 调 对 学 生 已 有 认 知 ·7 7·

( 尤其是日常观 察 与 思 考 形 成 的 认 知 ) 的 激 发 以 及对学生自主建构的鼓励 , 也有意识地加强学生 对物理现象的质性探究 , 促进他们对概念与规律 的物理意义的理解 。 ( 三 ) 焦点突破 焦点突破是针对诱导探究所聚焦的更为具体 的关键和难点 , 参照物理学发展史中的研究案例 和后人不断改进的研究案例 , 再次创设典型物理 情境 , 以更有力的数据和逻辑推理 , 对关键和难 点进行突破 , 形成对表征探究内容的科学模型的 初步认识 。 比如 , “ 升 华 与 凝 华” 的 焦 点 突 破 由 “ 碘的 平 面 镜成像” 的焦点 升华和凝华实验 ” 完成 ; “ 突破由 “ 平面镜成像实 验 ” 完 成 ; “ 加速度” 的 物体在斜面上的运动实验” 焦点突破可以通 过 “ 获得数 据 , 进 而 引 导 学 生 探 讨 出 加 速 度 的 表 达 式 。 在此阶段 , 实验的设计与操作的开放度可根 据学生及学校的具体情况来确定 。 焦点突破着重于学生科学思维的运用 , 强调 对所聚焦问题的逻辑推断及观察实证 。 但是 , 本 教学模型中 , 我们要求焦点突破一定要建立在诱 导探究的基础之上 , 这样才能更好地促进学生反 复多次的认知转变 , 而不是一次性地承认逻辑推 断或观察实证的结论 。 ( 四 ) 知识表征与研讨 知识表 征 是 基 于 前 面 的 探 究 结 论 建 立 新 知 识 , 并以语言 、 图形 、 图象 、 数学公式等不同形 式合理地表征新知识 , 明确科学模型 ; 知识研讨 科 学 模 型) 的 物 理 内 涵 及 应 用 范 是对新知识 ( 围 、 条件等加以研讨和拓展 , 对知识形成 ( 模型 建构 ) 的科学探究过程进行反思 。 比如 , 对于 “ 加速度 ” 概念 , 不仅有文字的 表征 , 还有数学公式的表征 、 图象的表征 、 矢量 图形的表征 , 这 些 都 需 要 经 过 研 讨 来 促 进 理 解 。 此外 , 有必要对 “ 加速度 ” 概念的建立过程进行 反思 。 知识表征着重于学生关于新知识的表征方式 的科学化 , 即把自己可能具有的不适当 、 不明确 的表征方式转变为学科中通用的表征方式 ; 知识 研讨着重于学生将知识的表征方式与相应物理情 境 、 物理学方法以及知识的物理内涵等进行进一 步的联结 。 ·7 8·

( 五 ) 应用整合 应用是指引导学生将新知识 ( 科学模型 ) 应 用于不 同 的 物 理 情 境 中 , 通 过 解 决 各 种 物 理 问 题 , 使学到的新知识得到巩固和活化 , 并体验和 掌握问题解决的方法与策略 ; 整合是指引导学生 在运用知识进行问题解决的基础上 , 将新知识与 相关知识加以整合 , 即建立知识单元中的科学模 型之间的联系 , 形成合理的知识结构 。对此 , 教 师们都十分熟悉 , 故此处不再赘述 。
6] 三 、 教学实践研究简述 [

本课题的实践研究持续了一个半学期 , 从以 下三个方面进行了考 察 : ( 1) 模 型 的 教 学 实 施 , 即对实验教师运 用 本 模 型 的 课 堂 教 学 进 行 摄 录 , 再做逐段分析 。 结果表明 , 教师可以按照模型的 要素进行教 学 , 但 受 原 有 教 学 方 式 的 影 响 明 显 , 容易代替学生进行描述和分析 , 提出建构性问题 的意识不强 , 尤其对学生表达中所反映的认知问 ) 模型实施的阶段 题的判断 、 追问感到困难 。( 2 教学效果 , 即通过对实验班与对照班某一阶段教 学的前测 、 后 测 , 初 步 判 断 该 阶 段 的 教 学 效 果 。 结果表明 , 实验班成绩不会差于对照班 , 而高考 ) 模型实施的课堂教学 成绩显著优于对照班 。( 3 效果 , 即通过对实验班与对照班的某一节课教学 的前测 、 后 测 , 初 步 判 断 其 教 学 效 果 。 结 果 表 明 , 实验班在 概 念 理 解 、 理 论 论 证 、 简 单 应 用 、 单一过程的复杂应用等方面明显优于对照班 。 四 、 总结 本探究教学模型立足于物理学的科学本质及 学生物理探究的认知建构特征 , 力图使学生的科 学探究更符合物理学的自身性质 , 更符合学生的 认知规律 , 并使学生在知识 、 技能 、 思维 、 科学 本质认识等方面得到发展 。 本课题的实践研究只 是初步 的 , 模 型 的 成 熟 还 有 待 更 深 入 细 致 的 研 究 。 从已进行的实践尝试看 , 这一教学模型更适 合运用于中学物理的核心概念与规律的探究 教学 。
参考文献 : [ ]F 1 l i c k L B, L e d e r m a n N . S c i e n t i f i c I n u i r a n d N a t u r e           q y   S c i e n c s[ M] . S r i n e r, 2 0 0 6:3 3. o f   p g

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H i h S c h o o l P h s i c s I n u i r T e a c h i n M o d e l f o r P r o m o t i n S c i e n t i f i c C o n i t i o n D e v e l o m e n t               g y q y g g g p       1 2 3 WANG  W e n i n GUO  Y u i n J I A  Y o n q g, y g, g
( 1 P h s i c s D e a r t m e n t, B a o t o u  T e a c h e r s C o l l e e, B a o t o u I n n e r  M o n o l i a 0 1 4 0 3 0, C h i n a;           y p g g 2 P h s i c s D e a r t m e n t, B e i i n N o r m a l U n i v e r s i t B e i i n 0 0 8 7 5, C h i n a;       y p j g  y, j g1 3 B a o t o u  H u i m i n  M i d d l e S c h o o l, B a o t o u I n n e r  M o n o l i a 0 1 4 0 2 0, C h i n a)         g

:B h s i c s A b s t r a c t a s e d o n t h e u n d e r s t a n d i n o f t h e e s s e n c e o f c o n i t i v e c o n s t r u c t i o n i n d i s c i l i n e s a n d                         p y g g p   ,a l e a r n i n o f m i d d l e s c h o o l s t u d e n t s n d r e f e r r i n t o t h e r e l a t e d r e s e a r c h a c h i e v e m e n t s o f t h e h s i c s                       g g p y     , “ s c i e n c e e d u c a t i o n t h i s a e r u t s f o r w a r d t h e i n u i r t e a c h i n m o d e l f o r r o m o t i n s c i e n t i f i c c o n t e m o r a r               p p p q y g p g p y         ” , c o n i t i o n d e v e l o m e n t a n d t r i e s t o r o v i d e a n a l t e r n a t i v e w a f o r c h a n i n t h e a t t e r n e d i n u i r t e a c h i n                     g p p y g g p q y g       i s i n m i d d l e s c h o o l i n s t r u c t i o n . w h i c h r e v a l e n t h s i c s               p p y :s ; ; ;m K e w o r d s c i e n t i f i c c o n i t i o n c o n i t i v e d e v e l o m e n t i n u i r t e a c h i n o d e l     g g p q y g y    

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