美國AP物理探究實驗教學(xué)親歷與反思

王玉婷 邢紅軍

(首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院，北京 100048)

1 研究背景

AP課程(Advanced Placement Program)即美國大學(xué)先修課程，是由美國大學(xué)理事會(The College Board)提供的在高中教授的大學(xué)課程，AP物理課程是AP課程的一個重要組成部分.課程目標是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，推理能力和掌握必要的物理概念.筆者在美國加利福利亞州米拉蒙高中(MIRAMONGTE HIGH SCHOOL)實習(xí)時發(fā)現(xiàn)，在AP物理課堂上，教師每周都會進行兩類探究實驗教學(xué).第一類探究實驗是教師根據(jù)科學(xué)實踐目標自行設(shè)計與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實驗(教師的自由空間很大)，時長為40分鐘.第二類探究實驗是AP物理課程規(guī)定的實驗，時長為90分鐘.

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，所以科學(xué)探究能力的培養(yǎng)主要在探究實驗中得以形成.科學(xué)探究作為我國物理核心素養(yǎng)維度之一，指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗和制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力.主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素.同樣的，《AP物理1和2探究實驗指南》中，也明確要求教師要培養(yǎng)學(xué)生的七種科學(xué)探究能力，其中包括：陳述模型(陳述方法和運用模型去交流科學(xué)現(xiàn)象與解決科學(xué)問題)、運用數(shù)學(xué)(運用合適的數(shù)學(xué)工具)、積極提問(在課堂中，積極提問，拓展思維，引導(dǎo)探究)、設(shè)計實驗(對特點的科學(xué)問題進行實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)收集)、分析數(shù)據(jù)(進行數(shù)據(jù)分析，對實驗現(xiàn)象進行評估)、科學(xué)解釋(運用科學(xué)解釋和理論知識)、建立聯(lián)系(能夠?qū)⒏鞣N級別、各種概念和事物在科學(xué)內(nèi)或跨學(xué)科地聯(lián)系起來).通過對比，不難發(fā)現(xiàn)中國物理課程標準和美國AP物理課程關(guān)于科學(xué)探究能力的要求近乎一致，但是對于探究實驗的教學(xué)和考查形式卻南轅北轍.比如，有研究者把我國小學(xué)和初中課程改革的教訓(xùn)概括為“四個虛假”.即“虛假地自主”，“虛假地探究”、“虛假地合作”和“虛假地滲透”，彰顯出我國物理教學(xué)和美國物理教學(xué)對待科學(xué)探究截然不同的態(tài)度，值得我們深思.

有鑒于此，筆者試圖結(jié)合在美國加州高中的所見所聞，通過呈現(xiàn)兩種不同類型的探究實驗教學(xué)活動的原貌，嘗試尋找美國AP物理探究實驗教學(xué)的特點，以期為我國的中學(xué)物理探究實驗提供有益的啟示.

2 美國AP物理課程的兩種探究實驗教學(xué)活動及其特點

2.1 第一類探究實驗

《AP物理1和2探究實驗指南》鼓勵老師根據(jù)科學(xué)實踐目標自行設(shè)計與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實驗.第一類探究實驗的目的是提供給學(xué)生一個科學(xué)探究的機會，以及用自主安全而有序的實驗操作去運用物理知識.這類實驗具有如下特點.

(1) 培養(yǎng)學(xué)生的合作意識.在美國AP物理課堂上，教師更多的是采用傳統(tǒng)的講授法進行物理知識傳授，學(xué)生合作意識的培養(yǎng)主要依靠物理實驗教學(xué).教師會提前一周給出實驗題目和實驗要求，將其傳送到學(xué)生的電子書包.學(xué)生自行選擇合作伙伴，查閱文獻、整理資料、共同研討實驗步驟并完成實驗作品.

(2) 鍛煉學(xué)生的動手能力.《AP物理1和2探究實驗指南》明確提出，探究實驗是做出來的.所以，美國物理教師特別注重學(xué)生動手能力的培養(yǎng).每一個實驗作品都是由學(xué)生親自動手設(shè)計，以“最大承重的小橋”為例，要求學(xué)生用牙簽和膠水制作小橋.

(3) 輕松有趣的探究氛圍.美國物理教師在自行設(shè)計與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的物理實驗時，一直秉承著與生活緊密相關(guān)的理念，所以學(xué)生使用的實驗材料都取材于生活中熟悉的物品.當學(xué)生用親自設(shè)計的實驗進行科學(xué)探究時，教師只是一個引路人，負責(zé)營造良好的探究氛圍.只有當學(xué)生在探究中出現(xiàn)了很大的偏差時，教師才會及時提供幫助.

以“最大承重的小橋”的探究實驗為例，探究分為教師活動與學(xué)生活動.如表1，表2所示.

表1 教師活動

表2 學(xué)生活動

2.2 第二類探究實驗

第二類探究實驗指的是AP物理課程所規(guī)定的實驗，一般以引導(dǎo)型和開放型為主.引導(dǎo)型實驗由教師呈現(xiàn)問題，學(xué)生自行實驗.開放型實驗由學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并自行實驗.相較于中國的物理探究實驗教學(xué)，此類實驗具有如下特點.

(1) 教師的準備工作尤為充分.每次實驗前，教師會通過網(wǎng)絡(luò)將實驗概覽傳送到學(xué)生的電子書包，長達10多頁，包括實驗題目、主要挑戰(zhàn)、知識背景、社會應(yīng)用、探究類型、實驗?zāi)繕恕⒅攸c技能、實驗儀器、用時建議、輔助欄目、準備事項、安全事項等部分.筆者認為，實驗概覽中的輔助欄目是美國物理教育濃墨重彩的一筆，雖然整個探究實驗過程中都以學(xué)生為主體，教師看似若無其事，但是教師早已在課前把教學(xué)準備工作做足.由于每個學(xué)生收集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)的處理方法各有差異，所以教師把學(xué)生可能用到的實驗方法和數(shù)據(jù)處理方法都羅列出來，由學(xué)生自行選擇.

(2) 不同的實驗培養(yǎng)特定的科學(xué)探究能力.每個實驗對于學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)各有側(cè)重，以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例，培養(yǎng)的能力包括：陳述和建立實驗?zāi)Ｐ?、明確實驗所需的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)關(guān)系或確定實驗?zāi)Ｐ秃驼`差分析.對于重點培養(yǎng)的科學(xué)探究能力，教師在課堂上會給予較多的關(guān)注與指導(dǎo).對于此部分的實驗報告，教師會格外認真地批閱.

(3) 量化學(xué)生的科學(xué)探究能力.由于筆者全程跟隨一個著名物理教師全天實習(xí)，所以能親身感受到美國物理教育的真實面貌.美國物理教師給予學(xué)生很多的自由空間，然而這些自由空間全部都被形形色色的量表包裹得嚴嚴實實，目的是確保學(xué)生達到了教學(xué)目標.為了評估學(xué)生的科學(xué)探究能力，教師有一套專門的評價量表，每一種科學(xué)探究能力都有四個層次.以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例，對于陳述和建立實驗?zāi)Ｐ偷脑u估，分為：熟練(創(chuàng)造了準確和適當?shù)膱D形代表加速度和合力以及加速度和質(zhì)量之間的關(guān)系)、近乎熟練(創(chuàng)造了正確的圖形來表示變量之間的關(guān)系，可能不能完全反映變量之間的關(guān)系)、在通往熟練地路上(創(chuàng)造了有缺陷或不完整的圖形來反映變量之間的關(guān)系)、一種嘗試(對于變量之間的關(guān)系，給出了不正確的圖形表示).教師會根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)與實驗報告給予評分.

以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例，探究分為教師活動和學(xué)生活動.如表3，表4所示.

表3 教師活動

續(xù)表

表4 學(xué)生活動

3 研究與啟示

鑒于國情不同，中美兩國的物理教學(xué)方法必然體現(xiàn)出不同的文化制約性、文化適應(yīng)性和文化匹配性等，因此，我們不能盲目照搬美國的物理教育做法，然而對于域外優(yōu)秀教育經(jīng)驗的有益借鑒與參照，則有著他山之石的作用.研究表明，美國AP物理探究實驗教學(xué)具有以下特點，值得我們借鑒.

3.1 “真”訓(xùn)練

在美國的高中物理課堂中，科學(xué)探究并沒有被“泛化”和“神化”.相較于國內(nèi)在課堂教學(xué)中把科學(xué)探究當成生搬硬套的程序和模式，在一堂課有限的時間內(nèi)，面面俱到，七個要素一個不敢少，抑或是無論什么內(nèi)容都拿探究一番，從而導(dǎo)致探究的淺層化和庸俗化.美國的探究實驗教學(xué)通常是把探究的一般過程和策略隱含于實驗中，并沒有明確地向?qū)W生指出探究實驗的一般步驟或方法，而是由學(xué)生自己去感悟與操作.例如，如何尋找最大承重小橋的探究實驗.盡管沒有給出明確的探究步驟，但是學(xué)生通過一次又一次地探索與嘗試，從而在無意識中形成了科學(xué)探究能力，并能夠遷移到一般問題的解決中.形式教育說主張，教學(xué)應(yīng)當主要培養(yǎng)學(xué)生的能力，尤其是那些所謂的悟性或理性能力、思維能力、記憶能力等“形式”的東西，而不僅僅是傳授給學(xué)生多少事物的知識.顯而易見，美國的AP物理探究實驗教學(xué)正是秉承著形式教育說的理念，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.在物理課堂教學(xué)中，美國教師一般只提供實驗儀器和實驗?zāi)繕?，探究實驗是開放的，但又不是完全開放的，它為學(xué)生提供了腳手架—告訴學(xué)生要做什么，具體怎么做則由學(xué)生決定.兩人一組設(shè)計最大承重的小橋，以及三人一組討論《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》的實驗，都可以有效地鍛煉學(xué)生的合作能力與表達能力.在《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》實驗中，將實際值與測量值進行比較，從而培養(yǎng)了學(xué)生誤差分析能力.美國教師對學(xué)生的數(shù)學(xué)運算能力要求并不高，而是注重培養(yǎng)學(xué)生熟練使用軟件的能力，要求學(xué)生學(xué)會嫻熟地使用Excel、Google sheet等數(shù)據(jù)處理軟件.

3.2 “真”撰寫

實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ)，實驗報告是對實驗過程的總結(jié)，是交流實驗經(jīng)驗、推廣實驗成果的媒介和重要手段.因此，讓學(xué)生學(xué)會撰寫實驗報告是培養(yǎng)實驗?zāi)芰Φ囊粋€重要途徑，有利于發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng).筆者以物理實驗報告為主題檢索，發(fā)現(xiàn)中國知網(wǎng)上只有76篇文章，說明國內(nèi)物理教育研究在一定程度上對于這一領(lǐng)域的重視程度不夠.美國教師非常注重學(xué)生實驗報告撰寫的規(guī)范性與完整性.一旦學(xué)生完成了一個探究實驗，則要求撰寫一份實驗報告.實驗報告采取評分制，在學(xué)年結(jié)束后，如果學(xué)生能展示自己所做的所有實驗工作，學(xué)生可能會在一些大學(xué)獲得大學(xué)實驗室課程的學(xué)分.因此，我們應(yīng)當借鑒國外實驗報告撰寫的經(jīng)驗，結(jié)合具體國情，因地制宜地設(shè)計出適合國情的實驗報告形式，以便于更好地把握學(xué)生的學(xué)習(xí)過程.

3.3 “真”評價

在美國的AP物理探究實驗教學(xué)中，常常會呈現(xiàn)一番“熱熱鬧鬧、嘻嘻哈哈做實驗的場景”，看到此情此景，心中不禁會有一個疑惑，這種情況會不會導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量大打折扣？事實并非如此.美國教師會對學(xué)生的課堂表現(xiàn)和實驗報告進行非常認真的過程性評價，這是對學(xué)生行為的一種約束，評價量表如表5.

在學(xué)生上交的實驗報告中，教師不僅會評分，而且會對學(xué)生的科學(xué)用語以及實驗思路等方面給予修正，幫助學(xué)生形成良好的探究素養(yǎng)和書面表達能力.過程性評價采用質(zhì)性評價在內(nèi)的多種評價方式，從學(xué)生本身、同伴伙伴、教師家長等不同角度獲得評價信息，深入到學(xué)習(xí)的不同方面和不同層次，從不同視角對學(xué)習(xí)進行描述和評價，這樣對學(xué)習(xí)質(zhì)量的評價更全面也更深入. 此外，過程性評價對教師的教學(xué)有較好的反饋作用，評價過程與教學(xué)過程交互影響，利用評價的結(jié)果來診斷

教學(xué)中出現(xiàn)的問題，進而改變教學(xué)導(dǎo)向.因此，我們應(yīng)該客觀而全面地看待在物理探究實驗教學(xué)中實施過程性評價的優(yōu)勢，取其精華去其糟粕，為我國物理教育評價注入一種嶄新的思維方式.

表5 評價量表