高中物理教材實(shí)驗(yàn)的探究水平與過程技能研究
——以2019年人教版、滬科教版、粵教版必修部分為例

邱文婷 張軍朋

（華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

理解科學(xué)探究，具有科學(xué)探究能力是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成成分.深化學(xué)生對科學(xué)探究的認(rèn)識，儼然成為全球基礎(chǔ)教育科學(xué)課程改革的一個(gè)核心問題.21世紀(jì)以來，中國、澳大利亞、美國、加拿大、芬蘭等多個(gè)國家的課程目標(biāo)普遍注重發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力.例如，我國在2003年高中物理課程改革中，就明確提出在物理教學(xué)過程中要注重科學(xué)探究，提倡探究式教學(xué).在教育部2017年頒布的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中，更是將探究教學(xué)置于重要地位，明確將科學(xué)探究作為物理學(xué)科4大核心素養(yǎng)之一，彰顯科學(xué)探究對于發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要地位.

實(shí)驗(yàn)作為科學(xué)最顯著的特點(diǎn)，絕大多數(shù)國家課程文件中都將實(shí)驗(yàn)作為核心的探究活動(dòng).［1］教材中也配套有豐富的實(shí)驗(yàn)資源幫助學(xué)生構(gòu)建物理知識，從中提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)探究能力.而教材作為課程內(nèi)容呈現(xiàn)的主要載體，在一定程度上決定了課程教學(xué)中能否落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)對科學(xué)探究的要求.［2］其中人教版、滬科教版和粵教版是我國使用量較大的3版教材，對教師和學(xué)生有著較大的影響力.因此，本文將聚焦2019年版人教版、滬科教版和粵教版高中物理教材必修部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采用內(nèi)容分析法分析3版教材中實(shí)驗(yàn)的探究環(huán)節(jié)水平與科學(xué)過程技能，期望為教師合理利用教材實(shí)驗(yàn)開展探究式教學(xué)提供啟示.

1 研究設(shè)計(jì)

1.1 研究對象

本研究主要關(guān)注教材正文部分實(shí)驗(yàn).人教版主要分布在“實(shí)驗(yàn)”和“演示”兩個(gè)欄目；滬科教版主要分布在“實(shí)驗(yàn)探究”和“學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)”兩個(gè)欄目；粵教版主要分布在“觀察與思考”和“實(shí)驗(yàn)與探究”兩個(gè)欄目.

1.2 分析框架

研究主要分為兩個(gè)維度，維度一關(guān)注教材中實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究水平，維度二關(guān)注教材中實(shí)驗(yàn)的科學(xué)過程技能的使用頻率.

1.2.1 科學(xué)探究水平

科學(xué)探究水平主要是指科學(xué)探究的開放性水平.施瓦布（Schwab）依據(jù)“提出問題-設(shè)計(jì)方案—得出結(jié)論”3個(gè)階段將科學(xué)探究劃分為3個(gè)水平，水平1為限定探究水平，即僅結(jié)論向?qū)W生開放；水平2為引導(dǎo)探究水平，即方案和結(jié)論向?qū)W生開放；水平3為自主探究水平，即所有三階段均向?qū)W生開放.［3］赫倫（Herron）在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充水平0，即問題、方案和結(jié)論均給出.然而，施瓦布等人的探究水平體系主要關(guān)注探究任務(wù)整體的探究水平，對不同環(huán)節(jié)的探究水平缺乏關(guān)注，難以包容多樣化的探究活動(dòng).因此，張新宇等根據(jù)教師（教材）與學(xué)生在探究活動(dòng)環(huán)節(jié)中的角色地位，將探究活動(dòng)環(huán)節(jié)劃分為“目的確定、方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)施、結(jié)論形成、反思交流”，每一環(huán)節(jié)包含“缺失、限定、引導(dǎo)、自主”四個(gè)水平.［4］本研究將采用張新宇等的探究水平體系，構(gòu)建教材科學(xué)探究水平分析框架，如表1所示.

表1 教材科學(xué)探究水平分析框架

1.2.2 科學(xué)過程技能

美國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會（AmericanAssociationfor theAdvancementofScience）提出了12個(gè)經(jīng)典科學(xué)過程技能作為科學(xué)探究的評價(jià)項(xiàng)目，包括觀察、推理、分類、測量、交流、預(yù)測、控制變量、操作性定義、作出假設(shè)、解釋數(shù)據(jù)、提出問題和構(gòu)建模型.結(jié)合《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017版）、以往的相關(guān)研究以及物理學(xué)科特點(diǎn)，確定觀察、推理、測量、交流、控制變量、操作性定義、作出假設(shè)、解釋數(shù)據(jù)、提出問題和構(gòu)建模型10個(gè)科學(xué)過程技能.根據(jù)思維方式和操作技能的復(fù)雜程度，將其劃分為基礎(chǔ)科學(xué)過程技能和綜合科學(xué)過程技能，［5］如表2所示.

表2 科學(xué)過程技能及其分類

1.3 編碼方法

依據(jù)上述分析框架，對3版教材中的所有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行編碼.為了確保統(tǒng)計(jì)分析的可靠性和一致性，兩位研究者單獨(dú)地對教材中的實(shí)驗(yàn)類欄目進(jìn)行編碼.接著，利用SPSS對兩者的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，探究水平和科學(xué)過程技能兩個(gè)維度的一致性系數(shù)分別為0.830和0.852，表明研究結(jié)果具有良好的內(nèi)部一致性和可靠性.隨后，兩位研究者陳述各自對于統(tǒng)計(jì)的考量，并對持有不同見解處進(jìn)行討論協(xié)商.

下面以人教版必修1第58頁的實(shí)驗(yàn)為例，說明編碼的具體過程（圖1）.

圖1 教材實(shí)驗(yàn)的編碼示例

依據(jù)上述分析框架可知，在探究的水平上，該實(shí)驗(yàn)“目的確定”和“方案設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)為水平1、“方案實(shí)施”和“得出結(jié)論”環(huán)節(jié)為水平2、“交流評價(jià)”環(huán)節(jié)為水平0；在科學(xué)過程技能上，該實(shí)驗(yàn)涉及“觀察”、“測量”和“解釋數(shù)據(jù)”3項(xiàng)科學(xué)過程技能.

2 3版教材實(shí)驗(yàn)的分析

2.1 科學(xué)探究水平

3版教材實(shí)驗(yàn)在各環(huán)節(jié)探究水平的頻率分布如圖2所示.

圖2 3版教材實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)的探究水平分布

對于“目的確定”環(huán)節(jié)，人教版和滬科教版均處于水平1，粵教版絕大多數(shù)處于水平1，少數(shù)為水平2.可見，3版教材的實(shí)驗(yàn)大都為研究問題確定的實(shí)驗(yàn)，這可能與教材作為靜態(tài)閱讀文本具有一定的局限性有關(guān)，只有確定了實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟拍芡苿?dòng)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn).粵教版部分實(shí)驗(yàn)僅提供了情景素材，未直接給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑸閷W(xué)生形成探究目的提供了機(jī)會.仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)粵教版教材處于水平2的3個(gè)實(shí)驗(yàn)均來源于“觀察與思考”欄目，例如超重和失重一課設(shè)置的體重計(jì)實(shí)驗(yàn)，雖然該實(shí)驗(yàn)本身未指明實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，但在?shí)驗(yàn)前后正文中分別出現(xiàn)“人的體重會發(fā)生變化嗎？”等文字對學(xué)生判斷探究目的具有引導(dǎo)作用.

對于“方案設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)，3版教材均水平1分布最多，人教版仍有32%實(shí)驗(yàn)分布于水平2，是其他兩版教材的3倍以上.可見，雖然教材有關(guān)注對實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的引導(dǎo)性，但僅是人教版表現(xiàn)較好，直接向?qū)W生提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案仍是3版教材呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的主要形式.值得關(guān)注的是，滬科教版有17.14%的實(shí)驗(yàn)處于水平3，是其他兩版教材的5倍以上.可見，滬科教版較為關(guān)注學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的自主性.例如“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，人教版和粵教版教材均給出完整的實(shí)驗(yàn)方案，而滬科教版則要求學(xué)生“寫出所需實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)步驟”，并根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)方案完成實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生自主設(shè)計(jì)方案提供了機(jī)會.

對于“方案實(shí)施”環(huán)節(jié)，3版教材主要分布在水平2，隨后依次為水平1和水平3.可見，教材為實(shí)施方案提供了充足的外部支持，在實(shí)驗(yàn)的觀察與測量上極具引導(dǎo)性，表明教材關(guān)注學(xué)生本身對探究過程的觀察、現(xiàn)象記錄和數(shù)據(jù)表征，強(qiáng)調(diào)對學(xué)生信息獲取能力的培養(yǎng).［6］

對于“結(jié)論形成”環(huán)節(jié)，3版教材較多分布于水平2，隨后為水平1，少數(shù)分布于水平0和水平3.可見，教材以提供分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)等思路引導(dǎo)學(xué)生形成結(jié)論為主，但是仍有不少實(shí)驗(yàn)直接給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，甚至部分實(shí)驗(yàn)缺失“結(jié)論形成”環(huán)節(jié).仔細(xì)分析教材中那些缺失“結(jié)論形成”環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)，一類是練習(xí)使用某類儀器的實(shí)驗(yàn)，例如“練習(xí)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器”，這類實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)儀器的使用，自然無需形成結(jié)論；另一類是涉及“觀察”的實(shí)驗(yàn)，例如滬科版中“觀察彈簧測力計(jì)示數(shù)的變化”實(shí)驗(yàn)，教材在要求學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后便無下文.實(shí)驗(yàn)結(jié)論是基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的推理和解釋，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論是科學(xué)的特征之一，能夠區(qū)分“觀察”和“推論”同時(shí)也是科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵之一.［2］“結(jié)論形成”環(huán)節(jié)的缺乏或者教材直接給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可能會讓學(xué)生混淆“實(shí)驗(yàn)結(jié)論”和“實(shí)驗(yàn)結(jié)果”，影響學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的形成.

對于“反思交流”環(huán)節(jié)，人教版和粵教版水平0分布最多，其次為水平2；滬科教版則水平2分布最多，隨后為水平0.可見，3版教材的實(shí)驗(yàn)均存在缺失反思交流的情況，滬科版在反思交流環(huán)節(jié)表現(xiàn)較好，一半以上的實(shí)驗(yàn)均有提供反思性或總結(jié)性問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思評價(jià)，仔細(xì)分析反思內(nèi)容主要圍繞誤差分析展開，例如“探究加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系”實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生“討論和評價(jià)數(shù)據(jù)點(diǎn)離直線有相當(dāng)距離的原因”.

2.2 科學(xué)過程技能

3版教材的科學(xué)過程技能的分析結(jié)果如表3所示.

表3 3版教材實(shí)驗(yàn)的科學(xué)過程技能的使用頻數(shù)與使用頻率

續(xù)表

人教版、滬科教版和粵教版3版教材的科學(xué)過程技能的使用頻率的平均值依次為32.40%、33.71%和26.72%，可見滬科教版使用科學(xué)過程技能的平均頻率最多，人教版其次，粵教版相對較少.

在基礎(chǔ)科學(xué)過程技能方面，人教版使用“測量”、“觀察”和“交流”的頻率較高，使用“推理”的機(jī)會相對較低；滬科教版使用4項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)過程技能的頻率均較高；粵教版使用“測量”和“觀察”的頻率較高，使用“交流”和“推理”的機(jī)會較低.“測量”和“觀察”作為獲取證據(jù)的基本途徑，在3版教材中都有著較高的使用，體現(xiàn)了3版教材均注重對學(xué)生證據(jù)獲取能力的培養(yǎng).“交流”作為一種表述自己研究成果、信息和想法的途徑，能夠正確表述和闡明研究問題、程序、證據(jù)和結(jié)果是一種必備的科學(xué)素養(yǎng).結(jié)果表明教材為學(xué)生在探究過程中進(jìn)行交流與表達(dá)提供較為充足的機(jī)會，體現(xiàn)了教材重視學(xué)生在探究活動(dòng)中的主動(dòng)積極的作用.

在綜合科學(xué)過程技能方面，3版教材應(yīng)用各項(xiàng)綜合科學(xué)過程技能的頻率不平衡，應(yīng)用“解釋數(shù)據(jù)”、“操作性定義”和“控制變量”的頻率較高，隨后為“作出假設(shè)”，幾乎沒有應(yīng)用“提出問題”和“構(gòu)建模型”.實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用“作出假設(shè)”、“解釋數(shù)據(jù)”和“構(gòu)建模型”這3項(xiàng)過程技能，需要具備推理、創(chuàng)造性思維和解決問題這些高階思維能力.［5］“解釋數(shù)據(jù)”的較高使用表明當(dāng)前教材中的實(shí)驗(yàn)關(guān)注學(xué)生對知識間相互聯(lián)系的理解，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在對實(shí)驗(yàn)信息的分析過程中形成邏輯性的知識體系.例如在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒”實(shí)驗(yàn)中，3版教材都采用了研究自由下落物體的機(jī)械能方案，并要求學(xué)生能夠通過測量和處理數(shù)據(jù)獲得各計(jì)時(shí)點(diǎn)的動(dòng)能和重力勢能，并通過分析各點(diǎn)的動(dòng)能和重力勢能來驗(yàn)證機(jī)械能守恒.然而，除了“解釋數(shù)據(jù)”，“作出假設(shè)”和“構(gòu)建模型”兩項(xiàng)科學(xué)過程技能在教材中使用頻率均較低，尤其是“構(gòu)建模型”幾乎沒有體現(xiàn)，可見教材中的實(shí)驗(yàn)并沒有為發(fā)展高階思維提供充足的機(jī)會.此外，“提出問題”是開放式探究的標(biāo)志，也是發(fā)展批判性思維和科學(xué)思維的有力手段，教材中的實(shí)驗(yàn)都是有著明確問題和目的的，因此3版教材 “提出問題”使用頻率均為0.

3 結(jié)論和建議

3.1 正確辨識教材實(shí)驗(yàn)的探究水平，依據(jù)學(xué)生認(rèn)知水平開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)

結(jié)果表明現(xiàn)教材實(shí)驗(yàn)的探究水平整體以引導(dǎo)性水平為主，各環(huán)節(jié)的探究水平具體表現(xiàn)為：“結(jié)論形成”和“反思交流”環(huán)節(jié)存在缺失、5個(gè)探究環(huán)節(jié)都存在控制性水平和引導(dǎo)性水平，僅有“方案設(shè)計(jì)”、“方案實(shí)施”和“結(jié)論形成”存在自主性水平.不難發(fā)現(xiàn)，這可能與教材的導(dǎo)向功能以及各環(huán)節(jié)的特點(diǎn)有關(guān).例如，“目的確定”、“方案設(shè)計(jì)”和“方案實(shí)施”是實(shí)驗(yàn)中必不可少的，故所有的實(shí)驗(yàn)都會存在這3個(gè)環(huán)節(jié).而部分實(shí)驗(yàn)如“練習(xí)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器”等只是為了學(xué)生掌握某些實(shí)驗(yàn)器材的使用，無需形成結(jié)論，故“結(jié)論形成”會存在缺失.“方案設(shè)計(jì)”、“方案實(shí)施”和“結(jié)論形成”適合體現(xiàn)學(xué)生主動(dòng)經(jīng)歷探究的過程，因此可以設(shè)置為自主性水平.

然而，教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)是多樣化、多水平的探究體系，既不必完全按照教材實(shí)施，也不需要過分強(qiáng)調(diào)高水平的探究，而是應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生的具體認(rèn)知水平來進(jìn)行探究活動(dòng)設(shè)計(jì).首先，對于課中建立新知的探究活動(dòng)，可以依據(jù)新知與學(xué)生已有認(rèn)知的差距來確定探究水平，如若差距較大則以低水平探究為主，如若差距較小則可以高水平探究為主.例如，對于“探究彈簧彈力與伸長量”實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在初中時(shí)已經(jīng)學(xué)過相關(guān)知識，因此該實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生自主開展.其次，對于課后開放性活動(dòng)，此時(shí)學(xué)生經(jīng)過新課的學(xué)習(xí)，已經(jīng)掌握了基本的知識，且具備一定的問題解決能力，此時(shí)可突出學(xué)生的主體地位，以高水平探究為主.

3.2 關(guān)注教材對科學(xué)過程技能的呈現(xiàn)，平衡實(shí)驗(yàn)中科學(xué)過程技能的運(yùn)用

研究發(fā)現(xiàn)教材實(shí)驗(yàn)使用基礎(chǔ)科學(xué)過程技能的頻率較為平衡，且整體使用頻率較高；使用綜合科學(xué)過程技能的頻率較低且并不平衡，“作出假設(shè)”應(yīng)用較少，且缺少“提出問題”和“構(gòu)建模型”.

科學(xué)探究能力是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高層次能力，它建立在多方位的知識和技能基礎(chǔ)之上，［7］各項(xiàng)科學(xué)過程技能得以平衡的訓(xùn)練是發(fā)展高層次科學(xué)探究能力的必要條件.因此，教師應(yīng)當(dāng)全面了解教材對科學(xué)過程技能的呈現(xiàn)，并在開展探究教學(xué)時(shí)應(yīng)有意識地平衡科學(xué)過程技能的培養(yǎng)，而非僅僅關(guān)注和重復(fù)使用某些科學(xué)過程技能，如“測量”、“控制變量”、“推理”等.其次，高階思維技能和科學(xué)過程技能之間存在著一定的交叉，科學(xué)探究中應(yīng)用“作出假設(shè)”、“解釋數(shù)據(jù)”和“構(gòu)建模型”三項(xiàng)科學(xué)過程技能，需要具備高階思維中科學(xué)推理以及創(chuàng)造性思維和解決問題的能力.［5，8］因此，教師還需要注重發(fā)展涉及高階思維能力的科學(xué)過程技能，從而為發(fā)展學(xué)生的高階思維能力提供機(jī)會.

3.3 考慮實(shí)驗(yàn)的逐漸開放性，合理協(xié)調(diào)教師的指導(dǎo)程度

探究活動(dòng)的開放性指在某些相關(guān)主題內(nèi)容中，教材或教師的主導(dǎo)作用減弱而學(xué)生自主探究的權(quán)限增加；或是隨著年級的增長，學(xué)生自主控制探究環(huán)節(jié)的權(quán)限增大.可見，實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的構(gòu)成要素主要包括教材/教師的指導(dǎo)，內(nèi)容/年級，以及探究活動(dòng)的完整性，且隨著內(nèi)容/年級的逐漸增長，探究活動(dòng)中教師的指導(dǎo)力度應(yīng)當(dāng)逐漸減弱，學(xué)生參與探究活動(dòng)的水平逐漸增大，訓(xùn)練的科學(xué)過程技能也應(yīng)當(dāng)愈發(fā)復(fù)雜，［9］如圖3所示.

圖3 探究活動(dòng)的開放性

因此，教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生年級適當(dāng)調(diào)整指導(dǎo)程度，合理設(shè)計(jì)學(xué)生自主參與探究活動(dòng)的完整性.例如，對于必修1中“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，屬于高一年級學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，因此在開展此實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可以給予學(xué)生較多的指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生基于已學(xué)知識和生活現(xiàn)象提出研究的問題，并對此作出猜想和假設(shè)，加速度的大小與力和質(zhì)量的大小有關(guān)，隨后指引學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、記錄和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，形成結(jié)論并進(jìn)行討論和交流.而對于必修3中“測量金屬絲的電阻率”實(shí)驗(yàn)，屬于高二年級學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，且基于初中的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)基本掌握電學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法，因此教師可以適當(dāng)降低指導(dǎo)力度，提高學(xué)生自主參與探究活動(dòng)的完整性.