郭曉萍，秦曉文，尹 瑋，張 殷

(1.教育部教育裝備研究與發(fā)展中心,北京 100080;2.北京教育科學(xué)研究院，北京 100036;3.廣西師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541001)

R. M. 加涅的學(xué)習(xí)分類理論認(rèn)為學(xué)生的學(xué)習(xí)有多種不同類型，分別對應(yīng)不同的學(xué)習(xí)過程和條件，從而產(chǎn)生不同的學(xué)習(xí)結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上提出了任務(wù)分析教學(xué)論，主張在實施教學(xué)之前，分析學(xué)習(xí)的不同類型，針對不同類型的教學(xué)目標(biāo)采用不同的教學(xué)過程、方法和評估[1]. 實驗教學(xué)是初中物理教學(xué)的重要組成部分，是落實物理課程目標(biāo)、全面提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑[2]. 要發(fā)揮實驗在物理教學(xué)中的重要作用，需要做好物理實驗的分類工作. 目前研究一般將初中物理實驗簡單劃分為教師演示實驗、學(xué)生分組實驗和課外實驗[3-4]，該分類不利于教師把握各類實驗的本質(zhì)特征而開展有針對性的教學(xué). 本文基于認(rèn)知理論分析，歸納了各類實驗的特征屬性、教學(xué)內(nèi)容以及素養(yǎng)要求，為實現(xiàn)初中物理實驗教學(xué)和評估的一致性提供參考.

1 基于認(rèn)知理論的物理實驗分類

1.1 理論依據(jù)

布魯姆在《教育目標(biāo)分類：認(rèn)知領(lǐng)域》中按照從簡單到復(fù)雜的順序?qū)⒄J(rèn)知技能分為識記、領(lǐng)會、應(yīng)用、分析、綜合、評價6個層次. 課程論專家安德森(L. W. Anderson)、認(rèn)知心理學(xué)家梅耶(R. E. Mayer)、測驗與評估專家艾雷辛(P. E. Airasian)等人在廣泛實踐的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了進(jìn)一步的修訂，提出了認(rèn)知過程的6個維度(記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價和創(chuàng)造)[1]，如圖1所示. 由于實驗是一項綜合性的學(xué)習(xí)活動，不是單一的思維活動，因此本研究選取該理論中理解、應(yīng)用、分析和創(chuàng)造4個維度為物理實驗分層，并分析各類實驗特征，構(gòu)建適宜實驗環(huán)境的主要依據(jù).

圖1 布魯姆認(rèn)知理論修訂圖

1.2 分類框架

根據(jù)實驗內(nèi)容屬性將初中物理實驗分為觀察、體驗、操作、測量、調(diào)查、探究、制作、研究8大類，分析各類實驗的學(xué)習(xí)特征和要求學(xué)生達(dá)到的能力水平，借鑒布魯姆認(rèn)知理論的修訂成果，按照素養(yǎng)形成的難易程度形成圖2所示初中物理實驗分類框架. 其中理解領(lǐng)域包括體驗類實驗和觀察類實驗，關(guān)注學(xué)生的直觀感受和直接經(jīng)驗，實驗難度較低；應(yīng)用領(lǐng)域包括操作類實驗和測量類實驗，聚焦知識的淺層應(yīng)用，實驗難度一般；分析領(lǐng)域包括調(diào)查類實驗和探究類實驗，聚焦物理規(guī)律和科學(xué)方法，實驗難度較高；創(chuàng)造領(lǐng)域包括制作類實驗和研究類實驗，強(qiáng)調(diào)復(fù)雜問題的解決或者創(chuàng)新性研究，實驗難度最高.

圖2 初中物理實驗分類框架

1.3 內(nèi)容界定

1.3.1 體驗類實驗

體驗，既是實驗過程，也是實驗結(jié)果. 體驗類實驗是指學(xué)生作為實驗主體經(jīng)歷某項實驗活動，并能從其經(jīng)歷和反思中獲得認(rèn)知和情感[5]. 簡而言之，學(xué)生的直覺感受即是對實驗結(jié)果的直接認(rèn)知，因此把體驗類實驗歸為認(rèn)知層次較低的理解類. 例如，學(xué)生通過手感知不同溫度的水的冷熱程度，形成對溫度高低的直觀認(rèn)識；用2只手的大拇指同時壓住鋼筆的兩端，通過比較手指的感覺，分析壓強(qiáng)與受力面積的關(guān)系；學(xué)生通過穿鞋底紋路不同的運(yùn)動鞋，發(fā)現(xiàn)增大或減少摩擦力的方法，并獲得摩擦力相關(guān)知識和經(jīng)驗；洗完澡后身體上殘留的水分蒸發(fā)，會有涼爽的感覺，從而讓學(xué)生形成蒸發(fā)吸熱的認(rèn)知.

體驗類實驗通過簡單、直觀而又真實的問題情境或?qū)嶒灜h(huán)境即可激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖動，通過利用學(xué)生最直接的感受，讓學(xué)生獲取相關(guān)的知識和技能. 該類實驗一般不需要使用教學(xué)工具和實驗儀器.

1.3.2 觀察類實驗

科學(xué)方法需要通過觀察自然現(xiàn)象,形成并進(jìn)行假設(shè)檢驗[6]. 觀，指感知行為；察，指分析思考. 在觀察類實驗中，學(xué)生主動從課堂演示實驗或物理現(xiàn)象中獲取信息[7]，進(jìn)而通過提問、假設(shè)、分析、驗證、歸納等一系列活動形成物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等思維能力. 由于學(xué)生的實驗行為僅限于對實驗過程和結(jié)果的分析、加工與提煉，所以把該類實驗歸為實驗認(rèn)知層次較低的理解類. 例如，通過觀察白光經(jīng)過三棱鏡后的彩色光譜，可以形成色散的概念，分析色散的規(guī)律；觀察在加熱過程中，水隨溫度變化的狀態(tài)，歸納水沸騰時的特征和規(guī)律. 由于人的感官有限，且容易受到主觀影響，因此可借助實驗儀器實現(xiàn)進(jìn)一步觀察，例如借助示波器觀察聲波的波形、振幅和頻率等.

觀察類實驗具有現(xiàn)象明顯、清晰、可視性強(qiáng)和易于獲取信息等特點，所以該類實驗的儀器設(shè)備通常尺寸較大，且有較好的放大功能. 另外，具有記錄、保存和結(jié)果再現(xiàn)功能的儀器對長時間觀察或瞬時現(xiàn)象的觀察也十分重要.

1.3.3 操作類實驗

操作類實驗類似國外的菜譜式實驗(Cookbook lab)，是指學(xué)生遵循給定的實驗規(guī)則或流程，使用相關(guān)實驗器材循序漸進(jìn)地完成預(yù)定的實驗程序. 這類實驗一般不涉及設(shè)計、探究等復(fù)雜流程，而是以操作為手段，以儀器的正確使用和物理程序的正確實施為目標(biāo)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的操作能力和實驗技能，進(jìn)而幫助學(xué)生形成規(guī)范、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，因此將此類實驗歸為應(yīng)用領(lǐng)域.

操作類實驗?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生對基本實驗儀器及儀器參量的識別能力，以及合理選擇和正確使用實驗儀器等基本能力. 例如，電流表、電壓表、天平、溫度計的正確使用，簡單電路的連接、安全用電等實驗，都要求學(xué)生正確、規(guī)范操作. 該類實驗需要學(xué)生在掌握基本物理知識后，能夠按照正確的方法、流程和規(guī)則完成實驗. 因此該類實驗所需要的教學(xué)儀器應(yīng)具有基礎(chǔ)性、安全性、規(guī)范性和通用性等特點.

1.3.4 測量類實驗

測量類實驗是指學(xué)生借助測量工具，按照某物理規(guī)律或物理方法量化物體某屬性的活動過程. 此類實驗對學(xué)生的要求為：具有初步的物理觀念和實驗技能；在特定情境和具體條件下，能運(yùn)用相關(guān)物理知識和規(guī)律，設(shè)計簡單的實驗方案；能夠采用合適的測量工具和測量方法獲得實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)的處理、表述、分析、交流、評估等系列活動. 該類實驗?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生構(gòu)建和運(yùn)用簡單物理模型的能力.

測量類實驗是以實驗器材的應(yīng)用為手段，以物理屬性的量化表達(dá)為目標(biāo)，因此可以將此類實驗歸為應(yīng)用領(lǐng)域. 例如，對溫度、長度、時間、質(zhì)量、力等物理量的直接測量，以及對平均速度、滑輪組機(jī)械效率和固體、液體密度的間接測量等實驗. 該類實驗所需儀器與操作類實驗相似，即實驗儀器應(yīng)具有規(guī)范性、標(biāo)準(zhǔn)性、通用性、工具性等屬性.

1.3.5 調(diào)查類實驗

調(diào)查類實驗是指學(xué)生針對已有的科學(xué)問題，提出科學(xué)性假設(shè)，設(shè)計出具有可行性的實驗方案，通過調(diào)查、觀察或測量等方式來收集實驗證據(jù)或信息，通過分析、評估、論證等思維過程形成結(jié)論的活動. 此類實驗對學(xué)生有如下要求：在真實情境中面對結(jié)果開放的物理問題，能夠設(shè)計出簡單的調(diào)查方案；能夠根據(jù)信息或數(shù)據(jù)所需精度選擇恰當(dāng)?shù)恼{(diào)查方式或測量工具來收集實驗數(shù)據(jù)；能夠采用圖表等方式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，并運(yùn)用科學(xué)方法分析數(shù)據(jù)和尋找規(guī)律.

調(diào)查類實驗?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生的批判性思維、辯證性思維、系統(tǒng)性思維以及收集數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)規(guī)律的能力，有利于幫助學(xué)生建立科學(xué)、技術(shù)與自然、社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的聯(lián)系，培養(yǎng)其客觀公正、實事求是的科學(xué)精神與科學(xué)態(tài)度.

調(diào)查類實驗是通過對真實情境的調(diào)查，了解其存在的問題，經(jīng)過分析和研究，準(zhǔn)確地把握問題的本質(zhì)和規(guī)律[8]，因此將此類實驗歸為認(rèn)知層次較高的分析領(lǐng)域. 例如，調(diào)查磁性材料的應(yīng)用，測量學(xué)校不同場所的噪聲值并分析噪聲的來源，等等. 根據(jù)調(diào)查類實驗的特征，該類實驗除了需要用到常規(guī)的記錄工具，也需要用到與之相關(guān)的測量工具、設(shè)計工具、繪圖工具以及處理數(shù)據(jù)或圖表的分析工具(軟件)等.

1.3.6 探究類實驗

探究類實驗是學(xué)生在學(xué)習(xí)和日常生活中發(fā)現(xiàn)物理問題，通過實驗提出假設(shè)并檢驗假設(shè)的過程. 此類實驗對學(xué)生的要求為：能夠在具備基本實驗技能的基礎(chǔ)上，對物理問題提出假設(shè)，甄別出自變量和因變量；能夠選擇合適的儀器、設(shè)備與工具，采用科學(xué)的物理方法設(shè)計實驗，并能在設(shè)計過程中考慮控制變量和實驗對照； 在實施探究方案的過程中，能夠獲取證據(jù)與信息，分析和處理數(shù)據(jù)，描述、解釋、探究實驗結(jié)果和研究其變化趨勢； 能夠?qū)嶒灲Y(jié)果進(jìn)行科學(xué)評估，用適宜的方法和手段呈現(xiàn)結(jié)果.

探究既是過程，也是培養(yǎng)學(xué)生各種能力的重要手段. 初中階段的探究類實驗，通常是控制單一變量，分析因變量與自變量的關(guān)系，進(jìn)而總結(jié)相關(guān)物理規(guī)律，故將此類實驗歸為認(rèn)知層次較高的分析領(lǐng)域. 例如，探究重力的大小和質(zhì)量的關(guān)系，探究水加熱至沸騰過程中溫度變化的特點，探究平面鏡成像時的物像關(guān)系，探究通電螺線管外部磁場的方向，等等.

探究類實驗除了需要用到工具類、測量類儀器外，還需要用到針對特定實驗而開發(fā)出來的專用儀器，例如平面鏡成像實驗儀、光反射實驗儀等，這些設(shè)備具有專用屬性，能夠滿足不同變量、不同條件的探究需求.

1.3.7 制作類實驗

制作類實驗是指學(xué)生基于應(yīng)用類物理問題，創(chuàng)造性地構(gòu)思實驗制作方案，運(yùn)用所學(xué)的知識、技能和方法，制作出有型作品的過程. 在此類實驗中，學(xué)生通常會經(jīng)歷如下過程：發(fā)現(xiàn)和明確問題，綜合運(yùn)用技術(shù)知識和物理知識對目標(biāo)作品及各個要素進(jìn)行分析；提出符合設(shè)計原則且具有一定創(chuàng)造性的方案； 采用相關(guān)器材、工藝和方法，將想法及方案轉(zhuǎn)化為有型作品，或?qū)σ延凶髌愤M(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化.

制作類實驗過程能夠在實驗活動中培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力、知識運(yùn)用能力、圖樣表達(dá)能力、物化能力、創(chuàng)造性解決問題能力和動手實踐能力，同時能夠促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)的物理知識與社會、生活、技術(shù)發(fā)展進(jìn)行緊密結(jié)合. 例如，課標(biāo)及教材中提到的制作出能夠展示物理本質(zhì)的模型、簡單的測量工具和簡易的儀器，包括自制溫度計、自制測力計、水位報警器的設(shè)計與制作等. 由于制作類實驗是有目標(biāo)的創(chuàng)造性行為，所以將此類實驗歸為認(rèn)知層次更高的創(chuàng)造領(lǐng)域. 制作類實驗通常需要用到設(shè)計類軟件、制作加工工具和分析測試類工具等.

1.3.8 研究類實驗

研究類實驗是指由學(xué)生主動提出實驗選題，通過自主構(gòu)思、深入分析、完整研究和科學(xué)表達(dá)的過程，利用科學(xué)研究方法獲得新知識的實驗方式[9]. 這類實驗問題可能是物理問題，也可能是跨學(xué)科問題，結(jié)果通常是開放與未知的.

研究類實驗要求學(xué)生能從針對物理現(xiàn)象和物理規(guī)律，提取出可通過科學(xué)研究及實驗進(jìn)行解答的問題，并通過長時間的實驗研究來解答這些復(fù)雜問題. 在此過程中，學(xué)生會經(jīng)歷完整的科學(xué)研究過程，即：從真實復(fù)雜問題的提出，到拆分為多個小的問題；根據(jù)這些小的問題，提出合理的猜想和假設(shè)，并進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研、研究與分析；設(shè)計出科學(xué)性的研究方案，通過評估不同研究方案，根據(jù)實際情況選取可行及可信的方案實施實驗；在實驗過程中收集證據(jù)和實驗數(shù)據(jù)，通過總結(jié)、分析，得出結(jié)論；經(jīng)過反復(fù)驗證與反思，系統(tǒng)地撰寫研究報告，固化研究成果.

研究類實驗?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)技能甚至科學(xué)精神. 學(xué)生在研究過程中會遇到許多未知的問題，因此需要學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的思維方式，創(chuàng)造性地提出方案解決問題，所以將此類實驗歸為認(rèn)知層次更高的創(chuàng)造領(lǐng)域.

研究類實驗在常規(guī)課堂中涉及較少，一般以第二課堂或者學(xué)科創(chuàng)新活動、主題學(xué)習(xí)、項目學(xué)習(xí)等形式開展. 此類實驗具有問題開放、形式多樣的特點，所需實驗設(shè)備與器材也具有一定的開放性和多樣性.

2 初中物理實驗分類統(tǒng)計

本研究梳理了《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》、《初中物理教學(xué)裝備配置標(biāo)準(zhǔn)》(JY/T 0619-2019)和人教版、滬科版、滬粵版、北師大版等初中物理教材中所涉及的所有實驗，合并其中類似的實驗，保留各個版本不同的實驗，形成了225個實驗條目. 采用上述基于認(rèn)知理論的分類框架，對225個實驗進(jìn)行了4大領(lǐng)域8個分類的編碼統(tǒng)計，結(jié)果如圖3和圖4所示.

圖3 不同類型實驗的數(shù)量分布

圖4 不同領(lǐng)域的實驗數(shù)量比例

理解領(lǐng)域和分析領(lǐng)域的實驗數(shù)量占比較大，其中理解領(lǐng)域?qū)嶒灁?shù)量約占實驗總數(shù)的50%，分析領(lǐng)域?qū)嶒灁?shù)量約占實驗總數(shù)的30%，這與初中生的認(rèn)知特點相符合. 初中階段是學(xué)生抽象思維、邏輯推理能力迅速發(fā)展的時期，體驗類、觀察類、調(diào)查類和探究類實驗有利于幫助學(xué)生從物理現(xiàn)象到物理本質(zhì)的深入理解，有利于學(xué)生在真實的學(xué)習(xí)情境中發(fā)展科學(xué)推理、科學(xué)論證、批判質(zhì)疑等學(xué)科核心素養(yǎng)，推動學(xué)生從物理觀念到科學(xué)思維的培養(yǎng).

創(chuàng)造領(lǐng)域?qū)嶒灁?shù)量占比較低，即制作類實驗和研究類實驗占比只有4%和0.44%，這說明目前初中物理實驗教學(xué)的開放性還不足，給予學(xué)生自主運(yùn)用物理知識進(jìn)行動手創(chuàng)作和科學(xué)探索的空間還不夠. 制作類實驗和研究類實驗對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的形成與保護(hù)，發(fā)散思維與創(chuàng)新意識的培養(yǎng)都具有重要價值，是創(chuàng)新型人才、高端技術(shù)人才培養(yǎng)的長期性、基礎(chǔ)性的積累過程. 《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》雖然對制作類有一定的活動建議，但在教材編寫、日常教學(xué)中還需要進(jìn)一步加強(qiáng).

科學(xué)探究是初中物理實驗的重要特征，因此探究類實驗占實驗總數(shù)的24.44%，遠(yuǎn)高于測量類、操作類等傳統(tǒng)實驗類型，這說明科學(xué)探究已經(jīng)在初中物理實驗教學(xué)中占據(jù)主導(dǎo)地位. 物理實驗教學(xué)正逐步從認(rèn)知層次較低的體驗、觀察、測量、操作等實驗類型向認(rèn)知層次較高的制作、探究等實驗類型轉(zhuǎn)變，這在一定程度上有利于解決實驗教學(xué)中長期存在的教學(xué)方法單一、內(nèi)容枯燥、教學(xué)流程死板等多種問題.

3 教學(xué)建議

3.1 加強(qiáng)頂層設(shè)計，合理設(shè)置初中物理實驗類型與實驗內(nèi)容

隨著傳感器技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、光影技術(shù)、激光技術(shù)、納米技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)等現(xiàn)代科技在教學(xué)設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)物理實驗的實驗?zāi)康摹嶒瀮?nèi)容、實驗方法以及實驗所需要的基本技能都發(fā)生了改變. 實驗技能也從對實驗器材的基本應(yīng)用擴(kuò)展到對物理知識、物理規(guī)律、物理方法和物理思想的實踐與應(yīng)用. 因此課程標(biāo)準(zhǔn)和教材在設(shè)置實驗項目時，應(yīng)充分考慮學(xué)生實驗?zāi)芰M(jìn)階的發(fā)展需求，在各個模塊合理設(shè)置理解領(lǐng)域、應(yīng)用領(lǐng)域、分析領(lǐng)域和創(chuàng)新領(lǐng)域的實驗主題與實驗內(nèi)容，讓學(xué)生充分經(jīng)歷體驗、觀察、操作、測量、調(diào)查、探究、設(shè)計制作、科學(xué)研究等不同學(xué)習(xí)過程，由簡至難、由淺入深、由點到面地培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰εc科學(xué)素養(yǎng).

3.2 豐富實驗教學(xué)方式，強(qiáng)化高層次能力目標(biāo)的實驗教學(xué)

近年來，隨著科學(xué)探究在物理實驗教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，基于高層次能力目標(biāo)的實驗教學(xué)數(shù)量明顯提升，但與英、美、芬蘭等發(fā)達(dá)國家的科學(xué)教育相比，還具有一定的差距. 建議在各個教學(xué)模塊中，遵照學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，基于項目教學(xué)、主題學(xué)習(xí)等教學(xué)方式，多開展基于科學(xué)方法的物理調(diào)查，基于學(xué)生動手實踐的設(shè)計制作，基于半結(jié)構(gòu)化的研究性實驗活動，在實踐中培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣、運(yùn)用物理的能力，為培養(yǎng)具有高階思維能力的創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ).

3.3 改革評價方式，提升教育質(zhì)量與教育水平

基于目前中小學(xué)校外作業(yè)減負(fù)、校內(nèi)教育質(zhì)量提升的改革目標(biāo)，充分發(fā)揮教育評價的正向?qū)蜃饔?，將學(xué)生的調(diào)查實踐、作品制作、研究小論文等日常學(xué)習(xí)成果納入學(xué)業(yè)水平評價. 強(qiáng)化過程性評價，豐富評價形式與評價內(nèi)容，利用立體多元的評價方式，為初中物理教學(xué)創(chuàng)設(shè)遵循學(xué)科特征、尊重學(xué)生個性發(fā)展、服務(wù)教育高質(zhì)量發(fā)展的育人環(huán)境.

4 結(jié)束語

本文基于認(rèn)知理論，對初中物理實驗分類進(jìn)行了研究，并據(jù)此對初中物理實驗進(jìn)行了分類統(tǒng)計與分析. 研究結(jié)果可為相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)的研究、物理實驗課程的設(shè)置和評價、物理實驗教學(xué)以及基于實驗素養(yǎng)的學(xué)生能力的培養(yǎng)提供參考.