基于科學(xué)探究的高中物理實(shí)驗(yàn)分析*

王慧軍 向 兵 王俊鋒

(河南大學(xué)物理與電子學(xué)院 河南 開封 475000)

1 引言

近年來科學(xué)探究已逐漸成為全世界科學(xué)教育的一種趨勢(shì).包括美國(guó)、日本、英國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家都將培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)作為科學(xué)教育改革的主要目標(biāo).2017年由教育部制定的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出高中物理課程目標(biāo)要培養(yǎng)學(xué)生具有科學(xué)探究的意識(shí)[1].要求學(xué)生能通過提出物理問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案、收集和處理數(shù)據(jù)、分析并得出結(jié)論、合作交流、評(píng)估反思這7個(gè)科學(xué)探究要素提升科學(xué)探究能力.科學(xué)教科書是課程目標(biāo)的具體體現(xiàn)，在某種程度上，教科書決定了學(xué)生對(duì)科學(xué)的一般看法.因此,本文將分析人教版教科書中物理實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究水平是否符合真實(shí)科學(xué)探究的要求.

2 科學(xué)探究評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

由于教科書在科學(xué)教育中的重要作用，許多研究從不同方面分析了教科書中的科學(xué)探究活動(dòng).20世紀(jì)五六十年代，Schwah將教科書中的科學(xué)探究活動(dòng)分為3個(gè)水平，水平1為問題和研究方法均由教材提出；水平2則是教材提出問題,方法和答案需要學(xué)生解決；水平3是把問題、方法、答案全部交給學(xué)生[2].1971 年，Herron 提出在保留水平1～3的同時(shí)，增加水平 0：?jiǎn)栴}、解答的方法和答案或結(jié)論均由教材給出[3].自此，很多學(xué)者相繼提出了與Herron相類似的分析框架，然而具有可操作性的只有兩個(gè)：Germann和Haskins根據(jù)教科書中科學(xué)探究活動(dòng)是否有利于學(xué)生主動(dòng)參與，將科學(xué)探究活動(dòng)分為7個(gè)層次[4]；Chinn 和 Malhotra認(rèn)為僅從科學(xué)探究過程是否有利于學(xué)生主動(dòng)參與進(jìn)行分析并不能區(qū)分簡(jiǎn)單科學(xué)探究和復(fù)雜科學(xué)探究，因?yàn)楹?jiǎn)單科學(xué)探究和復(fù)雜科學(xué)探究包含共同的科學(xué)探究過程.Chinn 和 Malhotra認(rèn)為復(fù)雜的科學(xué)探究和簡(jiǎn)單的科學(xué)探究有兩個(gè)根本的區(qū)別： 其中一個(gè)是在復(fù)雜的科學(xué)探究中需要的認(rèn)知過程和在簡(jiǎn)單的科學(xué)探究中需要的認(rèn)知過程不同；另一個(gè)差異是真實(shí)的科學(xué)任務(wù)與簡(jiǎn)單形式的科學(xué)任務(wù)之間的認(rèn)知差異，這暗示了認(rèn)知過程的差異[5].李西營(yíng)等人認(rèn)為科學(xué)探究不僅包括“做科學(xué)”還包括“認(rèn)識(shí)科學(xué)”，因此，把科學(xué)探究的評(píng)價(jià)體系分為科學(xué)探究過程和科學(xué)本質(zhì)兩個(gè)部分[6].

本文根據(jù)Germann，Haskins，Chinn,Malhotr和李西營(yíng)等人所提出的分析框架，將科學(xué)探究過程劃分為提出問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案、收集和處理數(shù)據(jù)、分析并得出結(jié)論、合作交流、評(píng)估反思這7個(gè)環(huán)節(jié).并從兩個(gè)維度分析科學(xué)探究活動(dòng)的這7個(gè)環(huán)節(jié).維度一：分析科學(xué)探究過程的各個(gè)環(huán)節(jié)是否有利于學(xué)生自主參與，即科學(xué)探究活動(dòng)的開放度.科學(xué)探究活動(dòng)的開放度越高，學(xué)生自主程度越高.維度二：分析科學(xué)探究過程的認(rèn)知操作度，即學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究活動(dòng)時(shí)的認(rèn)知操作水平.

3 研究?jī)?nèi)容

本研究選取的教材為人民教育出版社2019年出版的普通高中物理教科書(以下簡(jiǎn)稱人教版).人教版教材共分為必修1～3和選擇性必修1～3共6本.選取的科學(xué)探究活動(dòng)為這6本教材中的物理實(shí)驗(yàn)，即標(biāo)有“實(shí)驗(yàn)”標(biāo)志的物理實(shí)驗(yàn)(不包括“演示”實(shí)驗(yàn)和“做一做”實(shí)驗(yàn))，共計(jì)34個(gè).以下是關(guān)于這兩個(gè)維度的分析結(jié)果.

4 研究結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)開放度

實(shí)驗(yàn)的開放度分析結(jié)果如表1所示.在34個(gè)物理實(shí)驗(yàn)中，沒有一個(gè)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生自己提出問題；15%的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)問題提出猜想或假設(shè)；41%的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生參與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；97%的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生親手操作收集數(shù)據(jù)；94%的實(shí)驗(yàn)明確要求學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；12%的實(shí)驗(yàn)明確要求學(xué)生需要分工合作完成實(shí)驗(yàn)或?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、結(jié)論進(jìn)行分析討論；18%的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生思考和實(shí)驗(yàn)誤差有關(guān)的問題.

表1 人教版教材中實(shí)驗(yàn)的開放度分析

4.2 認(rèn)知操作度

實(shí)驗(yàn)過程中的認(rèn)知操作分析如表2所示：在人教版物理實(shí)驗(yàn)中，所探究的問題完全由教材給出，學(xué)生不需要結(jié)合情景或在閱讀專家研究報(bào)告的基礎(chǔ)上提出物理問題；有15%的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生提出實(shí)驗(yàn)假設(shè)，但卻沒有實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，僅有9%的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生完全設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和控制實(shí)驗(yàn)變量；剩下的實(shí)驗(yàn)教材中均會(huì)給出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟或提供簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)程序；在這34個(gè)實(shí)驗(yàn)中，雖然大部分實(shí)驗(yàn)均需要學(xué)生觀察現(xiàn)象，但卻沒有一個(gè)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在觀察時(shí)要避免觀察者偏見.一半以上的實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)處理，要求學(xué)生進(jìn)行復(fù)雜數(shù)學(xué)處理的實(shí)驗(yàn)僅有15%.在分析并得出結(jié)論環(huán)節(jié)，26%的實(shí)驗(yàn)結(jié)論需要學(xué)生歸納總結(jié)得出；47%的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)解釋或檢查結(jié)果；9%的實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生建構(gòu)理論來解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或數(shù)據(jù)，但需要建構(gòu)的理論已在教材中明確給出.實(shí)驗(yàn)結(jié)論不需要復(fù)雜關(guān)系鏈推論出來，也沒有實(shí)驗(yàn)結(jié)論要求學(xué)生整合多個(gè)研究成果.僅有6%的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生間分工合作完成，也僅有6%的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生進(jìn)行交流和討論.在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后僅有9%的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生考慮實(shí)驗(yàn)存在的問題或誤差來源.也并未有實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)結(jié)論提出新的問題與假設(shè).

表2 人教版教材中實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知操作度分析

5 研究結(jié)論

根據(jù)上述分析結(jié)果得出：人教版實(shí)驗(yàn)的開放度較低，大部分實(shí)驗(yàn)僅把實(shí)驗(yàn)的操作和對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析交給學(xué)生，其余的科學(xué)探究過程幾乎都由教材給出.在認(rèn)知層面，教材給出的大都是簡(jiǎn)單而膚淺的科學(xué)探究.大部分實(shí)驗(yàn)不要求學(xué)生閱讀真實(shí)的研究報(bào)告和觀察現(xiàn)象提出問題，也不要求學(xué)生提供猜想與假設(shè)；在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)教材往往會(huì)提供標(biāo)準(zhǔn)的案例供參考；獲取和處理數(shù)據(jù)時(shí)大多數(shù)實(shí)驗(yàn)只要求學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理；實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出不涉及較為復(fù)雜的認(rèn)知活動(dòng)，如需要學(xué)生進(jìn)行復(fù)雜推論，構(gòu)建新理論、整合多個(gè)研究結(jié)果.在實(shí)驗(yàn)過程中大部分實(shí)驗(yàn)也未要求學(xué)生分工合作，交流討論.對(duì)于實(shí)驗(yàn)中存在的問題不需要學(xué)生反思，而是直接告訴學(xué)生誤差來源，學(xué)生所要做的僅是考慮哪種方法誤差更小.因此，無論是科學(xué)探究過程的開放性還是認(rèn)知操作性，人教版物理實(shí)驗(yàn)均不能滿足真實(shí)的科學(xué)探究的要求.這項(xiàng)研究結(jié)果與Chinn和Malhotra(2002年)的研究結(jié)果相一致：科學(xué)教科書中的探究活動(dòng)既不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究過程技能，也不利于培養(yǎng)他們的科學(xué)推理技能.

6 研究啟示

通過上述研究，希望能對(duì)我國(guó)高中物理教材的編寫以及一線教師的教學(xué)提供一些借鑒和參考.

6.1 在實(shí)驗(yàn)過程中為學(xué)生提供足夠的自主性

通過上述分析可知：人教版教材中物理實(shí)驗(yàn)的開放度較低，教材和教師應(yīng)嘗試在實(shí)驗(yàn)過程中為學(xué)生提供足夠的自主性.尤其是物理問題的提出，愛因斯坦說過：“提出一個(gè)問題比發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題更重要”.雖然，對(duì)于學(xué)生而言提出一個(gè)可探究的問題很難，但教師應(yīng)該在教學(xué)過程中通過創(chuàng)設(shè)合理科學(xué)的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生提出可探究的物理問題.在進(jìn)行猜想與假設(shè)時(shí)注意引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象和已有知識(shí)提出猜想或假設(shè).教材和教師在教學(xué)過程中應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)出不同于教材中的實(shí)驗(yàn)方案.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)明確要求學(xué)生組內(nèi)分工合作，針對(duì)所收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論、分析，最終形成統(tǒng)一的結(jié)論與其他組進(jìn)行交流與評(píng)價(jià).在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要求學(xué)生積極思考實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題和收獲.

6.2 逐步提升學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的認(rèn)知操作

認(rèn)知的不同是區(qū)分簡(jiǎn)單探究和復(fù)雜探究的關(guān)鍵.如何提升學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的認(rèn)知，需要教材編寫者和知識(shí)傳授者的共同努力.筆者認(rèn)為可從以下方面入手：

(1)教材編寫者在選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，可從現(xiàn)實(shí)生活出發(fā)，創(chuàng)設(shè)問題情境.引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)解決復(fù)雜的生活問題.

(2)學(xué)生提出實(shí)驗(yàn)假設(shè)或猜想時(shí)，注意提醒學(xué)生說明假設(shè)或猜想的依據(jù).

(3)教材編寫者在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)思路，但要求學(xué)生自主設(shè)計(jì).若教材中提供實(shí)驗(yàn)案例，則要求學(xué)生設(shè)計(jì)不同于教材中的實(shí)驗(yàn)方案.教師在教學(xué)過程中可引導(dǎo)學(xué)生對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn).

(4)收集和處理數(shù)據(jù)、分析并得出結(jié)論過程中可設(shè)置層層遞進(jìn)的問題引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，從而使學(xué)生自主得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

(5)在實(shí)驗(yàn)過程中，要求學(xué)生對(duì)與之前猜想不符的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論、交流，找出實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題.

(6)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求學(xué)生思考所得結(jié)論的局限性；要求學(xué)生能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論提出新的問題或假設(shè)，并進(jìn)行課下探究活動(dòng).