何偉康，李德安

華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006

21世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)普遍將科學(xué)探究能力作為重要的培養(yǎng)目標(biāo)寫(xiě)入課程文件。在對(duì)全球38份課程文件進(jìn)行比較分析發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)課程文件將實(shí)驗(yàn)探究作為核心探究活動(dòng)，我國(guó)的課程標(biāo)準(zhǔn)與這種情況一致。教材作為課程內(nèi)容的主要載體和教學(xué)最基本的媒介，教材實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容選擇和呈現(xiàn)方式對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)具有重要影響。因此，本文以2019年人教版高中物理必修部分教材為例，對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究要素呈現(xiàn)及探究水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以期為一線教師合理使用教材開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課程提供參考。

1 研究設(shè)計(jì)

1.1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象是2019年人教版必修部分的三本教材中正文部分所包含的實(shí)驗(yàn)，主要分布在“實(shí)驗(yàn)”和“演示”兩個(gè)欄目。

1.2 分析框架

研究主要從兩個(gè)層面進(jìn)行，首先關(guān)注科學(xué)探究在教材實(shí)驗(yàn)中的呈現(xiàn)，然后進(jìn)一步對(duì)各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的探究水平進(jìn)行深入統(tǒng)計(jì)分析。

1.2.1 科學(xué)探究要素的界定

2017年版課程標(biāo)準(zhǔn)提出物理核心素養(yǎng)作為新的課程目標(biāo)，包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面。其中，科學(xué)探究是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋?zhuān)约皩?duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力。主要包括問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流等要素。

對(duì)科學(xué)探究的理解，人教版教材編者之一張穎曾給出觀點(diǎn)，認(rèn)為科學(xué)探究有三重意義。首先，它是一種學(xué)習(xí)方法；其次，科學(xué)探究作為一種程序性知識(shí)，本身也是學(xué)習(xí)的內(nèi)容；最后，科學(xué)探究還是一種精神。

廖伯琴教授在新課標(biāo)解讀中進(jìn)一步指出，高中生科學(xué)探究能力表現(xiàn)如下：“問(wèn)題”是指具有科學(xué)探究意識(shí)，能在學(xué)習(xí)和日常生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出合理的猜測(cè)與假設(shè)；“證據(jù)”是指具有設(shè)計(jì)探究方案和獲取證據(jù)的能力，能正確實(shí)施探究方案，使用各種科技手段和方法收集信息；“解釋”是具有分析論證的能力，會(huì)使用各種方法和手段分析、處理信息，描述、解釋探究結(jié)果和變化趨勢(shì)，基于證據(jù)得出合理結(jié)論；“交流”是指具有交流與合作的意愿和能力，能準(zhǔn)確表述、評(píng)估和反思探究過(guò)程和結(jié)果。

基于上述理解，對(duì)科學(xué)探究的四個(gè)要素在教材實(shí)驗(yàn)中的呈現(xiàn)進(jìn)行界定，如表1所示。

表1 科學(xué)探究要素在教材中的呈現(xiàn)界定

1.2.2 科學(xué)探究水平分析框架

科學(xué)探究是一個(gè)活動(dòng)過(guò)程，通常包括提出問(wèn)題、作出猜想、設(shè)計(jì)方案、方案實(shí)施與收集證據(jù)、分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論、評(píng)估交流與反思等環(huán)節(jié)?？茖W(xué)探究水平是指探究各環(huán)節(jié)的開(kāi)放程度。為評(píng)估教材中的探究活動(dòng)各環(huán)節(jié)的探究水平，張新宇等人以師生地位界定為基礎(chǔ)，充分考慮活動(dòng)各階段的兼容性和聯(lián)系性，并整合探究環(huán)節(jié)，構(gòu)建了各環(huán)節(jié)探究水平的評(píng)價(jià)工具，如表2所示。

表2 各環(huán)節(jié)不同水平的探究要求[4]

分析示例如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)探究水平劃分示例

2 教材實(shí)驗(yàn)分析

2.1 科學(xué)探究要素

人教版必修部分：必修一13個(gè)，必修二6個(gè)，必修三13個(gè)，共計(jì)32個(gè)實(shí)驗(yàn)，按科學(xué)探究要素界定，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3和圖2所示。

表3 科學(xué)探究要素在教材中的呈現(xiàn)情況統(tǒng)計(jì)

圖2 科學(xué)探究要素在教材中的呈現(xiàn)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)

分析以上數(shù)據(jù)可知：

（1）從各要素總體呈現(xiàn)頻數(shù)看，證據(jù)要素的占比達(dá)到100%，在教材實(shí)驗(yàn)中的體現(xiàn)十分到位，體現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的證據(jù)思維和科學(xué)性；解釋要素的占比為56%，表明教材注重培養(yǎng)學(xué)生的論證分析能力；而問(wèn)題要素的占比為41%，不足一半，這與教材文本的靜態(tài)屬性和篇幅局限相關(guān)，不易設(shè)置問(wèn)題情境；但是，交流要素總體占比9%，在必修二的實(shí)驗(yàn)中更是完全缺失，說(shuō)明教材對(duì)交流要素的關(guān)注和體現(xiàn)不足，未能較好地引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行評(píng)估反思以及相互交流。此外，在三個(gè)必修模塊中，各要素占比表現(xiàn)出明顯的一致性，證據(jù)要素最多，其后依次是解釋要素和問(wèn)題要素，交流要素最少?？梢?jiàn)，教材中證據(jù)要素和解釋要素對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的作用較為顯化，而問(wèn)題要素和交流要素并不凸顯，需要教師在教學(xué)過(guò)程中加強(qiáng)引導(dǎo)。一方面，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，設(shè)置問(wèn)題情境引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題，例如在“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”實(shí)驗(yàn)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生猜想受力可能與電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度等因素有關(guān)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，培養(yǎng)問(wèn)題意識(shí)；另一方面，實(shí)驗(yàn)完成后應(yīng)加強(qiáng)師生、學(xué)生之間的交流和評(píng)價(jià)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行反饋總結(jié)，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)提升科學(xué)探究能力的作用。

（2）從必修各模塊看，相較于必修二和必修三，必修一在四個(gè)要素的體現(xiàn)上相對(duì)完整。尤其是兩節(jié)實(shí)驗(yàn)課，完全按照課標(biāo)的要求，從問(wèn)題、證據(jù)、解釋和交流四個(gè)要素按實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)逐步體現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷完整的探究過(guò)程?？紤]必修一是學(xué)生接觸高中物理的第一步，這樣能較為完整地向?qū)W生展示物理研究方法。對(duì)此，教師在必修一實(shí)驗(yàn)章節(jié)有必要按教材設(shè)計(jì)實(shí)施教學(xué)，后續(xù)實(shí)驗(yàn)則需根據(jù)學(xué)情或完整體驗(yàn)、或有所側(cè)重地開(kāi)展教學(xué)。例如，在必修三 “金屬絲的電阻率的測(cè)量”實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難度較低，可將實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)放在交流要素上，其他要素則簡(jiǎn)略處理。

2.2 科學(xué)探究水平

對(duì)各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的科學(xué)探究水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖3所示。

圖3 教材中實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)的科學(xué)探究水平頻數(shù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)于“目的確定”環(huán)節(jié)，從總體上看，絕大部分處于水平1，少部分關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的演示實(shí)驗(yàn)未提及實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，處于水??？梢园l(fā)現(xiàn)，教材中的實(shí)驗(yàn)都是給定研究目的，一方面，這可能與教材的編寫(xiě)相關(guān)，若目的不確定，則后續(xù)各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)難以展開(kāi)編寫(xiě)；另一方面，考慮教材對(duì)中學(xué)物理教學(xué)的指引性，需要指引教師和學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容。

對(duì)于“方案設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)，從統(tǒng)計(jì)上看，大部分實(shí)驗(yàn)都處于水平1，教材中都直接提供了完整的探究方案，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力。而實(shí)際上，2019年版教材在部分實(shí)驗(yàn)中（如“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”）增加了參考案例的設(shè)計(jì)，作為學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的參考，在實(shí)驗(yàn)正文部分則設(shè)置引導(dǎo)性的話語(yǔ)，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，教師完全可以根據(jù)教學(xué)需求選擇方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的開(kāi)放性。

對(duì)于“方案實(shí)施”環(huán)節(jié)，占比最高的是水平2，其次是水平1和水平3，整體開(kāi)放水平較高，表明教材注重培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)和收集信息的基礎(chǔ)能力，體現(xiàn)教材的基礎(chǔ)性。

對(duì)于“得出結(jié)論”環(huán)節(jié)，相當(dāng)一部分實(shí)驗(yàn)處于水平0，這與統(tǒng)計(jì)樣本中有較多的演示實(shí)驗(yàn)和實(shí)操類(lèi)實(shí)驗(yàn)有關(guān)。從各模塊看，必修二和必修三在水平3的占比明顯高于必修一，表明隨著物理學(xué)習(xí)的深入，教材在有意增加實(shí)驗(yàn)探究的開(kāi)放水平。

對(duì)于“交流評(píng)價(jià)”環(huán)節(jié)，絕大部分處于水平0，進(jìn)一步說(shuō)明教材對(duì)實(shí)驗(yàn)交流評(píng)價(jià)與反思的重視不足，有待加強(qiáng)。

此外，在整個(gè)必修部分，只有必修二“探究向心力大小的表達(dá)式”這一個(gè)實(shí)驗(yàn)在“方案設(shè)計(jì)”“方案實(shí)施”和“得出結(jié)論”三個(gè)主體環(huán)節(jié)達(dá)到了水平3，能較好地訓(xùn)練學(xué)生的探究能力和探究精神。教材應(yīng)增加開(kāi)放水平較高的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

3 教學(xué)建議

3.1 關(guān)注教材實(shí)驗(yàn)科學(xué)探究要素的呈現(xiàn)，平衡各要素的使用

由于實(shí)驗(yàn)的本身特征，教材中關(guān)于證據(jù)要素的呈現(xiàn)率遠(yuǎn)高于其他要素，而交流要素則過(guò)低，各要素整體呈現(xiàn)不平衡，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)存在重復(fù)經(jīng)歷證據(jù)要素而其他要素體驗(yàn)不足的問(wèn)題。因此，教師有必要根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)生情況，通過(guò)增、刪、擴(kuò)、縮等方式調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)中各要素的占比，將靜態(tài)的教材文本轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的教學(xué)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生完整的科學(xué)探究能力。例如，“通過(guò)平面鏡觀察桌面的微小形變”實(shí)驗(yàn)側(cè)重于微小放大法的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以關(guān)注證據(jù)要素；但是在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)中，大多數(shù)方案都是采用學(xué)生已熟知的“紙帶+打點(diǎn)計(jì)時(shí)器”或“滑塊+光電門(mén)”的實(shí)驗(yàn)方法，此時(shí)，應(yīng)關(guān)注解釋要素和交流要素，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)方案并相互交流，評(píng)價(jià)各自的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)論的支撐是否充分。

3.2 正確認(rèn)識(shí)教材實(shí)驗(yàn)的探究水平，根據(jù)學(xué)情設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可知，教材實(shí)驗(yàn)整體探究水平較低，考慮教材的通用性，需要照顧全體學(xué)生，這是可以理解的。但是，教材不是教學(xué)開(kāi)展的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)的探究水平應(yīng)以學(xué)情為依據(jù)，由教師設(shè)定。

一方面，應(yīng)考慮學(xué)生對(duì)新知識(shí)的認(rèn)知程度和對(duì)實(shí)驗(yàn)技能的運(yùn)用程度，較為陌生時(shí)需要設(shè)置較低的探究水平，已有基礎(chǔ)則可以提高開(kāi)放程度。例如，在必修一第二章的前三節(jié)已熟悉了紙帶和電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用技能，探究了勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度、位移與時(shí)間的關(guān)系，那么第四節(jié)探究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)可以提高開(kāi)放程度，以學(xué)生為主體開(kāi)展高水平的探究，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加深對(duì)舊知識(shí)的整合以及新知識(shí)的理解。另一方面，隨著學(xué)生的成長(zhǎng)和對(duì)物理學(xué)習(xí)的深入，高年級(jí)的教學(xué)應(yīng)增加完全開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練次數(shù)，切實(shí)提高科學(xué)探究能力。而且開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的探究不必局限于教材和實(shí)驗(yàn)課，可以是課外科技制作活動(dòng)，也可以是校本課程類(lèi)型的興趣學(xué)習(xí)。

3.3 統(tǒng)籌要素呈現(xiàn)及探究水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，整體把握學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，科學(xué)探究要素的凸顯程度和各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)探究水平的高低是密不可分的，是需要教師同時(shí)處理的兩個(gè)維度。這就要求教師以學(xué)生整體的科學(xué)探究能力的發(fā)展為出發(fā)點(diǎn)，統(tǒng)籌兼顧兩個(gè)維度進(jìn)行教學(xué)方案設(shè)計(jì)。

從單個(gè)實(shí)驗(yàn)的層面看，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)生發(fā)展水平，先確定問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流各要素的占比和優(yōu)先級(jí)，然后再根據(jù)學(xué)情確定各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的探究水平。一般而言，問(wèn)題要素對(duì)應(yīng)目的確定環(huán)節(jié)，證據(jù)要素對(duì)應(yīng)方案設(shè)計(jì)與方案實(shí)施環(huán)節(jié)，解釋要素對(duì)應(yīng)得出結(jié)論環(huán)節(jié)，而交流要素則對(duì)應(yīng)交流評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)。

從高中物理板塊的層面看，教師可以制定學(xué)生在整個(gè)高中階段科學(xué)探究能力的發(fā)展藍(lán)圖。根據(jù)課標(biāo)要求，選修物理方向的學(xué)生應(yīng)達(dá)到水平4，非物理方向的學(xué)生則應(yīng)達(dá)到水平2，以此為總體目標(biāo)，分別制定學(xué)習(xí)完各模塊各要素應(yīng)達(dá)到水平的子目標(biāo)，可以更有效地指導(dǎo)具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。