熊華暉 劉志翔 郭學(xué)謙 嚴(yán)華剛 張海霞 黃菊英 黃曉清 許莉莉 曲 典 李姍姍 姬長金 黃亞奇

(首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 北京 100069)

實驗教學(xué)是科學(xué)教育中非常重要、不可缺少的環(huán)節(jié)，任何其他教學(xué)方法和手段都無法代替，同時也是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的必要方式[1～5]，對學(xué)生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展有積極的促進(jìn)作用.實驗報告作為實驗教學(xué)中重要的課程資源，在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中起到極大的思維引領(lǐng)作用.遺憾的是，傳統(tǒng)實驗報告并未充分發(fā)揮出其在教和學(xué)上的潛在價值，大多尚僅停留在“實驗要點”的摘抄和“實驗數(shù)據(jù)”的記錄上，這使得實驗教學(xué)面臨流于枯燥的“按方抓藥”菜譜式操作訓(xùn)練的風(fēng)險，也與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的終極目標(biāo)相行漸遠(yuǎn)[6,7].仔細(xì)思考，這是由于傳統(tǒng)實驗報告尚未跟上新時代教學(xué)方式和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，直接體現(xiàn)在傳統(tǒng)實驗報告的要求和形式制約了學(xué)生思維發(fā)展的空間[8,9].因此，想要促進(jìn)實驗教學(xué)的深層次變革，非常需要研制符合現(xiàn)代教學(xué)理念的新型實驗報告.

1 傳統(tǒng)實驗報告的現(xiàn)狀與問題

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)注重實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗操作和?shù)據(jù)記錄等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生在報告中重點體現(xiàn)這些關(guān)鍵點，由此形成了特定的實驗報告撰寫形式.

報告一般包括如下內(nèi)容：

(1)實驗?zāi)康模?/p>

(2)實驗器材；

(3)實驗原理；

(4)實驗內(nèi)容；

(5)數(shù)據(jù)記錄及處理.

其中，實驗?zāi)康摹⑵鞑?、原理和?nèi)容往往要求學(xué)生在課前預(yù)習(xí)抄寫在實驗報告上，然后在課堂上讓學(xué)生按照這些步驟完成實驗操作過程，并要求學(xué)生將實驗結(jié)果記錄在實驗報告上.教師對學(xué)生完成實驗報告的要求大多體現(xiàn)在要點詳實、格式規(guī)范、態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)、字跡清晰、內(nèi)容完整、結(jié)果正確.這樣的實驗報告套路模式固然有助于學(xué)生順利完成實驗操作、培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度，但是卻忽略了引導(dǎo)學(xué)生主動思考的深層思維訓(xùn)練[10,11].事實上，實際實驗教學(xué)中確實存在不少學(xué)生對實驗報告撰寫流于形式、不求甚解，甚至將實驗報告看作“形式負(fù)擔(dān)”.即便教師在實驗教學(xué)過程中一再強(qiáng)調(diào)和引導(dǎo)學(xué)生對實驗思路展開探討，但體現(xiàn)在實驗報告的撰寫上效果差強(qiáng)人意，難以促進(jìn)學(xué)生的主動參與和勤于思考.

總體來說，傳統(tǒng)實驗報告的不足，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

(1)傳統(tǒng)實驗報告在內(nèi)容要求上過于強(qiáng)調(diào)實驗儀器的操作，忽略對實驗過程中出現(xiàn)問題的分析和解決，這樣不利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力；

(2)傳統(tǒng)實驗報告在安排序列上雖體現(xiàn)了實驗各環(huán)節(jié)間的關(guān)系順序，但忽略了對實驗設(shè)計原理的深層理解；

(3)傳統(tǒng)實驗報告的撰寫方式易使實驗過程流于形式，學(xué)生在實驗教學(xué)過程中始終處于被動地位，不能有效地激發(fā)學(xué)生對實驗的思考和興趣.

如何通過改進(jìn)實驗報告，激發(fā)學(xué)生對實驗的主動參與和積極思考，加深學(xué)生對實驗的深層理解和分析能力，進(jìn)而促成實驗教學(xué)的變革，是新型實驗報告需解決的問題.

2 探究型實驗報告的研制思路

研究表明，學(xué)習(xí)者的主動性是有效學(xué)習(xí)的重要因素，因此，如何在教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生的主動參與受到教育界的普遍重視[12,13].探究式教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過程中的互動性并以問題為導(dǎo)向引導(dǎo)教學(xué)環(huán)節(jié)，是提高學(xué)生主動參與的有效教學(xué)方式[14～17].探究教學(xué)的原則是“讓學(xué)生自己得出概念，而不是把概念灌輸給學(xué)生”.探究更看重知識的獲取過程而不僅是知識本身.對知識的獲取更強(qiáng)調(diào)是通過引導(dǎo)、討論、積極思維來自我建構(gòu)，而不是僅依賴于聽講和記憶[18].探究式教學(xué)能夠更好地引導(dǎo)學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容展開積極參與和思考，然而由于教學(xué)總是基于有限目標(biāo)展開，因此探究的內(nèi)容和形式需要限定在合適的范圍和程度之內(nèi)，如何平衡有限的教學(xué)目標(biāo)和探究范圍是實際教學(xué)過程中需認(rèn)真思考的問題.

為了在實驗教學(xué)中較好地解決這一問題，本研究研制了以核心問題為導(dǎo)向的探究型實驗報告，這就要求學(xué)生無論是在具體的實驗操作過程中還是在最終的實驗報告撰寫環(huán)節(jié)都基于核心問題而展開，引導(dǎo)學(xué)生對問題展開思考，搜集證據(jù)，并討論如何解決問題，而不僅僅是操作的記錄和分析，這種方式將更加關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力.

問題的提出和解決是探究式實驗教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有提綱挈領(lǐng)的作用.而實驗過程中可能涉及多方面的問題，例如概念性的問題、操作性的問題或計算處理方面的問題等.若設(shè)置問題過多，勢必分散學(xué)生的注意力，使得學(xué)生難于掌握實驗要領(lǐng).因而，實驗報告將圍繞與實驗相關(guān)的科學(xué)性核心問題展開，貫穿始終.其中，實驗操作過程是基于核心問題的證據(jù)獲得環(huán)節(jié)，而課堂討論則是組織分析材料探討問題解決方式的過程.圖1展示了傳統(tǒng)實驗報告和探究型實驗報告思路框架的區(qū)別.

(a)傳統(tǒng)實驗報告的思路框架

傳統(tǒng)實驗報告的思路框架體現(xiàn)了信息的單向流動，即學(xué)生一步步操作完成實驗即可，容易形成對實驗的刻板思維模式，即實驗就等于操作完成要求的既定步驟.而探究型實驗報告則體現(xiàn)了信息的流動和反饋作用過程，實驗報告以核心問題為中心環(huán)節(jié)，形成了閉合的反饋回路.探究型實驗報告要求學(xué)生將實驗操作放置在解決問題的大背景和環(huán)境之下，避免了學(xué)生為了完成實驗而操作的盲目性.

3 探究型實驗報告的內(nèi)容要素

3.1 核心問題

核心問題的設(shè)置和解決是探究型實驗報告的主要要素.一般來說，針對不同實驗類型，核心問題提出的角度也不同.

比如，操作性實驗強(qiáng)調(diào)學(xué)生使用和掌握儀器、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等，其中數(shù)據(jù)的精度往往反映了操作者的實踐能力，因而針對此類實驗的核心問題應(yīng)設(shè)置為如何確定和分析實驗數(shù)據(jù)的誤差并預(yù)估實驗的測量結(jié)果.例如，長度測量實驗、分光計的調(diào)節(jié)等主要要求學(xué)生掌握儀器的操作測量過程.

驗證性實驗強(qiáng)調(diào)對學(xué)科知識主干原理或規(guī)律的實驗驗證過程，針對這一類實驗核心問題可圍繞如何能夠驗證某一原理而提出.例如，金屬絲楊氏模量的測量、光電效應(yīng)等由實驗測量數(shù)據(jù)驗證基本的物理規(guī)律.

現(xiàn)象性實驗主要培養(yǎng)學(xué)生對實驗現(xiàn)象的觀察和概括能力，對這一類實驗的核心問題可設(shè)置為實驗現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的以及背后的物理機(jī)制是什么.例如，超聲成像、人體生理參數(shù)測量和旋光實驗等基于實驗基本現(xiàn)象引發(fā)學(xué)生對現(xiàn)象的物理解釋.

3.2 證據(jù)收集

在確定核心問題后，實驗教學(xué)圍繞核心問題而展開.學(xué)生在實驗教學(xué)中要收集證據(jù)回答教學(xué)中提出的核心問題.因此，收集證據(jù)的過程是回答核心問題的必要過程.探究實驗教學(xué)中收集證據(jù)過程相當(dāng)于傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的操作環(huán)節(jié).雖然探究實驗教學(xué)中的證據(jù)收集過程和傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的操作部分及數(shù)據(jù)處理內(nèi)容基本一致，但這兩者在實驗教學(xué)中的意義卻有顯著的差別.傳統(tǒng)教學(xué)中操作部分是獲得實驗結(jié)果的必要過程，更多體現(xiàn)出實驗的流程性，而在探究實驗教學(xué)中證據(jù)的收集過程是放置在解決核心問題背景下的，較好地體現(xiàn)了科學(xué)研究中的邏輯關(guān)系，讓學(xué)生對科學(xué)探究的本質(zhì)能夠有較清晰的認(rèn)識，即設(shè)計精巧實驗驗證猜想在解決科學(xué)問題中的重要作用.

3.3 分析討論

分析討論環(huán)節(jié)即學(xué)生對實驗結(jié)果進(jìn)行評判、分析、討論后得出結(jié)論.在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中往往忽視了這一重要環(huán)節(jié)，實驗操作完畢并且處理好數(shù)據(jù)就幾乎完成了主要的課堂教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生缺失了對結(jié)果的探討，未能調(diào)動學(xué)生對結(jié)果的進(jìn)一步思考.而對于探究實驗教學(xué)，分析討論環(huán)節(jié)是引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)果進(jìn)行反思、質(zhì)疑、分析并回答核心問題的重要一環(huán)，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的中心環(huán)節(jié).

4 探究型實驗報告的項目與使用

探究型實驗報告的項目包括核心問題、預(yù)設(shè)回答、實驗器材、設(shè)計實驗步驟、數(shù)據(jù)記錄及處理、實驗結(jié)論、證據(jù)、反思、探討，全部以問題形式注明以幫助學(xué)生把握實驗研究整體思路.表1呈現(xiàn)了傳統(tǒng)實驗報告與探究型實驗報告的項目，從中可以看出兩者的區(qū)別.

表1 傳統(tǒng)實驗報告與探究型實驗報告的項目

在教學(xué)使用上，傳統(tǒng)實驗報告一般要求學(xué)生在課前和課后填寫，而探究型實驗報告作為學(xué)生學(xué)習(xí)的學(xué)案，將整合入完整的實驗教學(xué)過程進(jìn)行使用，且不要求學(xué)生在課前填寫.具體教學(xué)過程如下.

4.1 核心問題引入

教師在課堂實驗教學(xué)展開之前應(yīng)提前設(shè)置有關(guān)本實驗的核心問題，待實驗教學(xué)展開時，教師應(yīng)首先向?qū)W生明確提出有關(guān)本實驗的核心問題，引領(lǐng)學(xué)生思考如何解答該問題.核心問題的設(shè)置不宜過多，一般一個或兩個即可.體現(xiàn)在實驗報告上，應(yīng)明確要求學(xué)生在撰寫實驗報告時將此核心問題開宗明義地概括總結(jié)出來，并要求學(xué)生在實驗操作之前，嘗試依據(jù)自己現(xiàn)有的背景知識回答這一問題，并填寫入實驗報告.

4.2 引出實驗

提醒學(xué)生當(dāng)科學(xué)研究中需要判斷自己的猜想假設(shè)是否正確，就需要做實驗來驗證.此時教師講解實驗儀器的原理、操作方法與步驟，要求學(xué)生在實驗報告處記錄所使用的主要儀器及操作步驟，若內(nèi)容較多，在課堂上僅做簡單記錄，細(xì)節(jié)可留待課下補充.之后學(xué)生開始進(jìn)行實驗，教師全班巡視學(xué)生的操作.

4.3 記錄數(shù)據(jù)

提醒學(xué)生準(zhǔn)確詳細(xì)地記錄實驗數(shù)據(jù)，實驗結(jié)束后讓學(xué)生將各自的數(shù)據(jù)記錄在實驗報告上，同時將小組數(shù)據(jù)寫在黑板上，便于下一步的全班討論.

4.4 引導(dǎo)討論

引導(dǎo)討論交流Ⅰ：引導(dǎo)全班學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)展開討論，得出結(jié)論.選擇學(xué)生代表發(fā)言，重點闡述如何得出結(jié)論，證據(jù)是什么.

引導(dǎo)討論交流Ⅱ：引導(dǎo)全班學(xué)生分析為什么會有這樣的結(jié)果，并就實驗數(shù)據(jù)的意義進(jìn)行說明等，嘗試與學(xué)科主干知識原理相聯(lián)系，加深對學(xué)科核心概念原理的理解.

引導(dǎo)討論交流Ⅲ：這一部分要求學(xué)生回顧自己在課堂剛開始時所回答的核心問題的答案.在實驗完成后，預(yù)先的答案是否與最后實驗完成后的答案一致.若不一致，應(yīng)在實驗報告上寫明為何自己先前的想法和最后的結(jié)果不一致，并可討論自己是否接受這一答案等，若不接受，理由是什么，能否進(jìn)一步驗證自己的想法等等.若答案一致，可分析自己為什么會得到這一答案等，實驗中有哪些結(jié)果是自己先前所未曾預(yù)料到的.

4.5 知識擴(kuò)展

拓寬學(xué)生的思考，引導(dǎo)學(xué)生對實驗原理所支配的類似物理現(xiàn)象展開討論，并且能夠結(jié)合和聯(lián)系生活中的實際例子以加深對學(xué)科主干知識的理解和掌握.如，在進(jìn)行超聲聲速測量實驗完成后，可以將超聲聲速與醫(yī)療方面技術(shù)應(yīng)用相聯(lián)系：利用超聲聲速可以測定骨密度，診斷患者是否患有骨質(zhì)疏松等疾病；利用超聲多普勒儀可以無損測量人體血液流速，從而幫助醫(yī)生對一些心血管疾病做出診斷等.

4.6 總結(jié)

引導(dǎo)學(xué)生對影響實驗結(jié)果的因素展開分析，探討實驗過程中遇到的困難和解決方法.布置學(xué)生按要求完成實驗報告.