《物理课程标准》提出的课程理念之一是“在课程实施上注重自主学习，提倡教学方式多样化”，并且指出，“高中物理课程应促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。”在该标准中，把“科学探究及物理实验能力要求”与共同必修模块、选修模块放在并列的位置，由此不难看出，高中物理课程中的科学探究和物理实验占有非常重要地位。本章主要通过一些典型的教学案例，说明什么是科学探究、什么是探究式教学，以及如何实施科学探究式教学等问题。
（第一节 ）科学探究与探究式教学
一、科学探究
什么是科学探究？人们也许习惯于知道一个确切的定义，诸如：科学探究是指对自然、社会、思维等的客观规律的研究讨论、追根究底、多方寻求答案、解决疑问；或简单地说，就是像科学家一样地思考和工作。但仅仅记住这样一个定义是无法加深对科学探究的理解和把握的，我们真正需要的是知道如何进行科学探究，了解科学探究的具体细节，把握科学探究的思维方式和工作模式。下面两个例子很有可能帮助我们解决这些问题，虽然这两个例子不是物理学科的，但“他山之石可以击玉”，相信聪明的读者一定能从中领悟到科学探究的真谛，并迁移到物理学科中来。
【案例1】雷迪实验
亚里士多德发现，苍蝇和其他昆虫喜欢云集在腐烂的物质周围。这使他相信，某些动物并非由雌雄两性结合产生，而是由腐烂物质本身产生的。他认为，这种转变是“大自然的自发作用”所致。这种看法一直延续到17世纪。1668年，雷迫对此进行了验证。
观察：雷迪观察到，把肉放在敞开的容器里任其腐烂，就会生出蛆（苍蝇幼虫）来。
假说：根据当时公认的理论，蛆的生成就是从简单的无生命物质（腐烂的肉）自发生成复杂有机体的一个例子。
预测：该理论预言，假如把肉置于用金属丝网封口的容器内，也会生出蛆来。（如果蛆是肉本身变成的，那么有无丝网都一样。）
实验：在雷迪所用的金属丝网封口的容器内，没有生蛆。
解释：苍蝇群集在腐烂的肉周围并在上面产卵，卵再发育为蛆。而实验中，苍蝇把卵产在金属丝网上，而没有产在肉上。
这个实验和其他的一些实验使得生物学家们终于确信，无生命物质不能自发生成复杂的有机体。
【案例2】布朗运动
发现问题：18世纪。英国植物学家布朗利用显微镜观察植物花粉授粉的情况，无意间发现了花粉在不停地运动，而且花粉本身也在不断地转动和变形。
猜想与假设：布朗认为这是有生命的花粉自发运动的原因。
制定计划与设计实验：用上百年前的植物标本微粒和岩石粉末（无生命）进行实验观察。
进行实验与收集数据：实验发现无生命微粒仍然在不停地运动（实验现象也是数据的一部分）。
分析与论证：由于无生命的微粒也能在液体中不停地运动，说明微粒的运动不是生命现象，而是任何微小颗粒在液体中都具有的运动特征。
在以上的两个例子中，实验者都经历了：①潜心观察，以某种方式（看、听、感觉、尝等）来感知事件中的特征。②对观察到的现象的本质形成假设，作出一般性的结论。③作出推断，将假设应用到今后的情形中。④进行实验，或对推测的试验通过寻找所推测的现象的实际情况来确定推测的正确与否。必要时对假设进行修改，并利用修改后的假设，重复上述步骤。
这种一般的程序被称为科学的方法或科学方法。所以，所谓科学探究，就是指人们运用一定的科学思维程序，利用已知的知识或经验去探索未知知识的过程。当然科学工作者的实际工作远没有如此刻板，并总是按明显的逻辑有系统地进行，它需要聪明的才智，富有创意的想像力以及设计与试验的强烈直觉。
有些人认为，科学的发展并不是从“观察”或“事实”开始的，而是从问题开始的。确实，有时科学家如果没有思考过某个问题的话，那他也就不会注意到某个事实。在我们中学物理教学中，科学探究无论是从“观察”或“事实，，开始，还是从“问题”开始，都没有矛盾。在《物理课程标准》中，对科学探究“提出问题”这一要素的要求是：能从日常生活、自然现象或实验现象的观察中发现与物理学有关的问题。由此可见，“观察”仍然是提出问题的源泉，是科学探究的开始。虽然《物理课程标准》中对这一要素的要求没有提到“观察”，但并不会影响到“观察”在科学探究过程中的地位和作用。
二、探究式教学
探究式教学是针对灌输式教学提出来的。因为教学的作用不是填鸭式地把尽可能多的事实塞满学生的脑子，而是要引导学生养成批判观察的习惯，以及理解与解决问题相关的原则、标准；也就是说要培养学生独立思考的习惯和摆脱当前成见与偏见的探究精神。教师的教学不是发布知识的过程，而是引导学生自己领会知识、学会思考的过程。
为更好地理解和把握探究式教学，下面我们先来看两个教学片断。
【案例3】教学内容：为什么平时总是看见轻的物体下落得慢、重的物体下落得快？
这是一个古老的问题，也是生活中经常遇见的问题，下面是两位教师对此教学内容的教学处理。
教师A：表面积相同的一枚硬币和一小张纸片从同一高度无初速度地释放，同学们是否看到了硬币下落得快些，而纸片下落得慢些？
学生：是。
教师A：这是一个古老的问题。早在两千多年前，亚里士多德提出了一个错误的观点，而这个错误的观点后来被伽利略巧妙地推翻了。（老师板演推导过程）
教师A：为什么看见的“事实”不“真实”了呢？
学生：（没有响应）
教师A：其实这是由于空气阻力作用的原因，如果没有空气阻力，轻、重物体下落的快慢是一样的。
接着，老师用真空管进行演示。
教师B：现在我来做一个小实验，请同学们仔细观察，看看有什么发现？
取表面积相同的纸片和硬币，从同一高度同时无初速度释放。
学生：硬币下落得比纸片快些。硬币做直线运动，纸片做曲线运动……
教师B：很好！同学们有两个发现，这节课我们先来研究第一个发现。为什么硬币下落得快些？
学生：因为硬币比纸片重些。
教师B：真是这样吗？
学生：（沉思）
教师B：请同学们分组按下表中的实验内容进行实验，看看有什么发现。
实验内容实验结果结论
表面积相同的纸片与硬币从同一高度同时无研速度释放硬币先落地重的物体下落得快。
两张大小一样的纸，将其中的一张搓成纸团，另一张铺平，从同一高度同时无初速度释放纸团先落地同样重的物体下落时也有快慢之分。
一张大纸和一张小纸，将小纸搓成纸团，大纸铺平，从同一高度同时无初速度释放纸团先落地轻的物体下落得快。
学生：进行实验并将实验结果填入表格中。
教师B：你们能从实验结果归纳出一个什么样的结论？
学生：物体下落的快慢似乎与物体的轻重无关。
教师B：那么，你们认为与什么有关呢？
学生：与物体的体积有关。与物体的形状有关……
教师B：教师先发给每个实验小组几个大小不一的小铁球和形状各异的小铁块（教师事先准备好的），再请同学们按表5—2中的实验内容进行实验，记下实验结果，看看有什么发现。
实验内容实验结果结论
大、中、小三个小铁球从同一高度同时无初速度释放同时落地物体下落的快慢与物体体积的大小无关。
长方形、三角形、球形小铁块从同一高度同时无初速度释放同时落地物体下落的快慢与物体的形状无关。
学生：进行实验并记录实验结果。
教师B：怎么样？
学生：似乎与体积大小和形状也无关。
教师B：既然同学们的实验结果是物体下落快慢与物体的轻重、体积大小、物体的形状无关，那么与什么有关呢？
学生：（交流与讨论后）与空气的阻力有关。
教师B：你们的意思是，如果没有空气阻力，轻、重物体的下落快慢是一样的，是吗？
学生：是。
教师B：用真空管进行演示。
对于同样的教学内容，用同样的教学器材（教师B自己准备了一点简易器材，准确地说是准备了一点道具而已），在教学处理上，两位教师却存在很大的差异。教师A忽视了学生的学习过程，急于将结论交给学生；而教师B则善于创设情景、提出问题、引发学生思考，学生经过动手实验、动眼观察、动口表达与交流、动脑思考并结合演示实验，弄明白了轻、重物体下落的快慢是由于空气阻力的影响，如果排除空气阻力的因素，轻、重物体下落的快慢是相同的。这样，学生在获得知识的同时，不仅经历了用实验研究的过程，体验了把实验获得的信息演绎、归纳成结论的科学方法。而且还受到了科学思维的训练。
通过上面案例中两个教学片断的比较、分析。我们可以了解到，所谓的探究式教学，就是根据具体的教学内容和预先设定的教学目标，以知识为载体，在教师的引导下，让学生运用科学的方法（即学生用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家研究自然界所用的方法而进行的各种活动，包括观察、测量、制作、提出假设、进行实验、提出模型和交流等）进行学习，主动获取知识，发展科学探究能力，形成科学观念，培养探索未知世界积极态度的实践活动。
中学的探究式教学一般分为两类。一类是学生根据自己的观察或发现所提出的研究课题（或在教师推荐下由学生选择的研究课题），并利用课外时间进行。在这类探究活动中，学生自主程度较高，探究活动的环节较多，探究周期较长，但每一个学生所能完成的课题数目极其有限。另一类是在课堂内进行的，课题的内容服从教学进度的需要，课题由教科书或者教师提出，因受到课堂教学时间的限制，每个课题所花的时间不可能太长，探究环节一般较少，因此这类探究课题的数量较多。我们在本章中将重点介绍课堂探究式教学。
三、科学探究与探究式教学
探究式教学是科学探究的一种模拟，无论是探究的广度、深度、复杂程度或时间的长度，都难以与科学探究比拟。科学探究是科学家从事科学研究以寻找事物的规律和本质，是对一个未知领域的探索；而探究式教学中的很多现象和规律通常是人们已发现的，只是对学生来说是未知的。因此，在探究式教学中，教师应把“发现”的任务交给学生，让学生成为“发现”的主人。探究式教学的提出及其在中学的推广与普及，将改变学生的学习方式和教师的教学方式。在新课程中提出探究式教学，试图通过这种教学模式，让学生经历科学探究的一般步骤和掌握科学探究的一般方法，也让学生充分体验科学探究的艰辛和发现的欣喜，进一步激发他们的探究欲望。
（第二节 ）探究式教学的要求
根据本章 （第一节）中我们对科学探究和探究式教学的理解，这里的科学探究指的应该是探究式教学。关于科学探究的要求，在《物理课程标准》及其解读读本中都有比较详尽的说明，这里就不再重复了，只是根据高中物理教学的具体实际，就理论探究以及如何在课堂教学中培养学生提出问题和经历假设过程，提出参考性建议。
一、不能忽视理论探究
探究的内容是丰富的，形式也是多种多样的，在物理课程中虽然大多数探究活动需要用实验进行，但也有不少探究活动属于理论探究，这种探究活动与数学课中的大多数探究活动十分相似。理论探究在高中物理课程中也具有重要的意义，应予以重视。
【案例1】在研究重力势能时，我们可设计出如下的探究活动：
（1）提出问题。
教师提出问题：重力势能的大小与什么因素有关？
（2）建立假说。
教师：同学们可以根据已有的知识和经验，大胆地进行假设。
在教师的引导下，学生通过相互讨论，自己建立假说。
学生A：与物体所处的高度有关。因为：①物体由于被举高而具有的能叫做重力势能（学生原有知识）。②放在地面上的石块没有杀伤力，而放在高处的石块，如果掉下来是很危险的（学生凭生活经验和生活感受）。
学生B：与物体的质量有关。同体积的棉花团和小石块从同一高度落下，小石块的杀伤力大。因为石块密度比棉花大，在相同体积的情况下，石块的质量大（学生经验和原有知识）。
学生C：与物体的质量和高度都有关。因为同一物体从不同高度落下时，物体从越高的地方落下，其杀伤力越大；物体从同一高度落下时，质量越大的物体，其杀伤力越大（学生经验）。
学生D：……
（3）检验假说。
教师对学生的猜测进行评价，并对学生的探究方向进行引导。
教师：大家的猜测都有一定的道理，但缺乏足够的依据。我们需要更充分的理由和更可靠的依据，同时也希望得到更精确的结论。如果我们能够推导出重力势能与它的质量和高度的定量关系式，这个问题就一目了然了。
功是能的转化量度，做了多少功就有多少能发生转化。教师要很好地引导让学生充分利用这个已知知识，设计推导方法。学生推导如下：
质量为m的物体放在水平地面上，现将其匀速举高到距地面高为h处。
根据二力平衡知，这个向上举物体的力的大小应等于物体的重力大小，即F=mg。
根据功的定义，力F对物体做的功是WF=F·h＝mgh。
由于物体匀速被举高，所以动能不变，力F对物体所做的功全部用于增加物体的重力势能，如果假定地面的重力势能为零，则离地面高为h处的重力势能为WP=WF=mgh。
（4）得到结论。
教师：由上面的表达式可以看出，物体的质量越大，高度越高，它的重力势能就越大。上述过程虽然没有实验设计和实验检验等环节，但学生同样经历了提出问题、建立假说、检验假说、得到结论等过程，在学习过程中，学生始终处于自主探究和积极思维之中，这样的学习也属于探究式学习的范畴。在高中物理中：①将物体抛出后，抛射距离与什么有关？②物体的动能与什么有关？③推铅球时，为什么要滑步？④两个电阻并联后，其总电阻与分电阻之间的关系如何？⑤用电高峰时，为什么照明灯一般会暗些？……这些问题都可以设计成这种理论探究的教学形式进行教学。
在探究式教学的具体实施中，应把重点放在提出问题、建立假设上。这是因为，一方面，传统的教学过于注重知识传授，对提出问题和建立假说重视不够：另一方面，问题是探究的起点。没有问题就没有探究，而发现问题是提出问题的前提，只有发现了问题，才可能提出问题。而假设可以启发我们应当设计怎样的实验和获取哪些信息，它是连接探究问题和实验的一座桥梁。我们可以将探究问题、原有知识和经验、现有知识、实验设计之间的关系表述为一个循环的过程，在其中，假设虽然不是结果，但它却是探究的中心。
二、创设问题情境