余歡歡 | 首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院

黃宇 | 北京師范大學(xué)國際與比較教育研究院

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在英文語境中被稱為“l(fā)aboratory experience”，即在實(shí)驗(yàn)室或其他環(huán)境條件下，讓學(xué)生利用工具、數(shù)據(jù)技術(shù)、模型和科學(xué)理論，直接與物質(zhì)世界（或從物質(zhì)世界提取的數(shù)據(jù)）互動(dòng)而開展的教學(xué)活動(dòng)。中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是我國課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重要教學(xué)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效開展有利于點(diǎn)燃學(xué)生的科學(xué)熱情與創(chuàng)新火種，為培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新人才奠定基礎(chǔ)。

早在19世紀(jì)末現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展初期，國外中小學(xué)便開始重視和研究實(shí)驗(yàn)教學(xué)。1894年，美國國家教育協(xié)會(huì)發(fā)表了一份極富影響力的報(bào)告，強(qiáng)調(diào)“實(shí)驗(yàn)教學(xué)極其必要”，號(hào)召眾多高等院校開設(shè)暑期實(shí)驗(yàn)課程班，為中學(xué)培養(yǎng)足夠的師資以便系統(tǒng)地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。1896年，杜威在芝加哥大學(xué)成立了實(shí)驗(yàn)學(xué)校，大力推行實(shí)驗(yàn)教學(xué)；1910年，杜威提出“情境、問題、假設(shè)、推論、驗(yàn)證”的“思想五步法”，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定了方法論基礎(chǔ)；1916 年，美國《普通科學(xué)季刊》（后改為《科學(xué)教育》）發(fā)表了杜威的《科學(xué)教育的教學(xué)方法》（Method in science teaching）演講稿，自此掀起了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的熱潮。20世紀(jì) 80 年代以來，國際科技競爭日益激烈，“實(shí)驗(yàn)探究”作為 STEM 教育的重要方法，再次受到世界各國的高度重視。

國外中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式

國外中小學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式一般有解說式、探究式、發(fā)現(xiàn)式及問題解決式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的場所、內(nèi)容、主題和評(píng)價(jià)方式豐富多樣，涵蓋物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。無論采用何種模式，教學(xué)基本遵循以下幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行——

教學(xué)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)：在這一環(huán)節(jié)，教師的首要任務(wù)是根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容確立實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)，包括：激發(fā)并保持對(duì)科學(xué)的興趣、態(tài)度、滿足感、開放性和好奇心；培養(yǎng)創(chuàng)造性思維和解決問題的能力；促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展和科學(xué)方法訓(xùn)練，如做出合理的假設(shè)；深化對(duì)概念的理解；培養(yǎng)實(shí)踐能力，如設(shè)計(jì)和執(zhí)行調(diào)查、觀察、記錄數(shù)據(jù)、分析和解釋結(jié)果等。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅要教給學(xué)生如何使用各種儀器設(shè)備，讓學(xué)生學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)的方法，還要讓學(xué)生通過實(shí)踐真正認(rèn)識(shí)到科學(xué)的本質(zhì)，學(xué)會(huì)用實(shí)驗(yàn)去證明或推翻理論。例如，一項(xiàng)葡萄酒釀造實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，目的不僅是完成葡萄酒的制作流程，更重要的是讓學(xué)生了解葡萄酒發(fā)酵的原理，發(fā)現(xiàn)化學(xué)與生活密切相關(guān)，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)的興趣。美國大部分學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教材并非統(tǒng)一的正式出版物，而是教師的自編講義，主要追求的是創(chuàng)新性、時(shí)代性、特色性，而非完整性、系統(tǒng)性、規(guī)范性，這也使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容與科學(xué)技術(shù)發(fā)展前沿以及學(xué)生當(dāng)下的實(shí)際生活聯(lián)系緊密。此外，在這一環(huán)節(jié)，教師還要為學(xué)生準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備。

教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施環(huán)節(jié)：這一環(huán)節(jié)主要包括四個(gè)步驟——實(shí)驗(yàn)規(guī)劃和設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)分析和解釋、實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，過程中應(yīng)注意保持學(xué)生的主體性。教學(xué)方式大體分為看圖文材料、看實(shí)拍視頻、看實(shí)物演示、看虛擬演示、做實(shí)物實(shí)驗(yàn)、做虛擬實(shí)驗(yàn)、做虛擬仿真實(shí)驗(yàn)七大類，學(xué)生可以綜合運(yùn)用觀察、觀測、模擬、體驗(yàn)、設(shè)計(jì)、編程、制作、加工、飼養(yǎng)、種植、參觀、調(diào)查等多種活動(dòng)方式，提升實(shí)驗(yàn)質(zhì)量和效果。例如，德國一所學(xué)校的五年級(jí)學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)探究營養(yǎng)對(duì)粉虱幼蟲生長的影響，在實(shí)物實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上綜合運(yùn)用了觀察、設(shè)計(jì)、飼養(yǎng)等方式，為了驗(yàn)證“營養(yǎng)是影響粉虱蟲發(fā)育的關(guān)鍵因素”這一設(shè)想，學(xué)生用含酵母的面粉和不含酵母的面粉做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)——教師為學(xué)生準(zhǔn)備了兩個(gè)塑料盒、200克面粉、5克酵母和兩只10天大的粉虱幼蟲，學(xué)生在其中一個(gè)盒子中加入100克面粉，另一個(gè)盒子中加入100克面粉和5克酵母，并在每個(gè)盒子中放置了一塊濕潤的棉絮以確保濕度。在實(shí)驗(yàn)開始之前，學(xué)生們記錄了幼蟲的初始體重，此后每兩周記錄一次體重的增加量；在分析和解釋步驟，每個(gè)學(xué)生為各自飼養(yǎng)的兩只幼蟲繪制了體重變化圖，并在班級(jí)中展示，教師也會(huì)幫助學(xué)生制作粉虱幼蟲體重增長平均值的變化表和變化圖，讓學(xué)生能夠直觀地看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。盡管到此實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)能夠驗(yàn)證假設(shè)，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)并未結(jié)束，教師會(huì)進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生展開討論，例如：為什么要在實(shí)驗(yàn)中盡可能使用完全一致的實(shí)驗(yàn)材料？如果幼蟲的個(gè)體不一樣會(huì)怎么樣？不同的個(gè)體喂養(yǎng)行為會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生什么影響？如果出現(xiàn)一些新情況應(yīng)當(dāng)如何調(diào)整實(shí)驗(yàn)？通過討論，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都是有條件的，必須認(rèn)真考慮實(shí)驗(yàn)的局限性。

教學(xué)評(píng)估環(huán)節(jié)：教師要使用適當(dāng)?shù)脑u(píng)估方式來評(píng)估學(xué)生的表現(xiàn)、進(jìn)步和成就，包括以傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室報(bào)告和紙筆測試為代表的考查，以一次或多次實(shí)際操作為代表的考查，以教師、指導(dǎo)者或同儕品評(píng)為代表的考查，或者以上方式的組合，不同的評(píng)估方式將作為過程性評(píng)價(jià)工具貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。例如，在美國坦布爾高中開展的一次地震實(shí)驗(yàn)中，教師在實(shí)驗(yàn)后布置了相關(guān)作業(yè)，要求學(xué)生查閱資料，將最近10次地震的時(shí)間、地點(diǎn)和震級(jí)以表格的形式列出來，然后在班級(jí)展示交流；實(shí)驗(yàn)課結(jié)束之后，教師還布置了制作防震屋的作業(yè)，根據(jù)尺寸、材料、美觀性、抗震程度等要素制定了評(píng)價(jià)表，對(duì)學(xué)生的操作性進(jìn)行考查。為了考查學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的參與度、積極性、合作能力等社會(huì)性表現(xiàn)，國外的實(shí)驗(yàn)教學(xué)會(huì)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)過程性記錄，將出勤情況、實(shí)驗(yàn)參與“痕跡”、互動(dòng)情況等作為課程評(píng)分的一部分。

國外中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

第一，注重教學(xué)過程中學(xué)生的社會(huì)性發(fā)展。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂環(huán)境更有利于師生的交流、互動(dòng)和情感發(fā)展，在“非正式”的教學(xué)氛圍下，師生和生生有更多的互動(dòng)機(jī)會(huì)，有利于學(xué)生探究和協(xié)作學(xué)習(xí)，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。從事科學(xué)研究不僅需要技能，也需要認(rèn)知性和社會(huì)性知識(shí)，以及相應(yīng)的態(tài)度和價(jià)值觀，這是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，需要在系統(tǒng)的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中逐漸養(yǎng)成。應(yīng)當(dāng)說，實(shí)驗(yàn)教學(xué)給學(xué)生提供了更大的思考空間，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的溝通、協(xié)作和其他社會(huì)情感能力。

第二，注重基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)習(xí)。國外中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容更偏重于實(shí)驗(yàn)技能的掌握，更多是動(dòng)手操作和演示類的實(shí)驗(yàn)，對(duì)原理和理論的涉及較少。例如，美國某中學(xué)開展的中學(xué)物理鐘擺運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，教師搖動(dòng)鐘擺使其運(yùn)動(dòng)，學(xué)生一邊觀察一邊記錄不同質(zhì)量鐘擺擺動(dòng)的周期，討論自變量與因變量之間的關(guān)系，并不講授鐘擺平衡的原理。相比之下，國內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的理論深度、廣度和難度要更高。此外，國外的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往把理論和實(shí)驗(yàn)合并授課，實(shí)驗(yàn)的比重更大；而國內(nèi)常常把理論和實(shí)驗(yàn)分開設(shè)置，分別授課和考核。顯然，合并授課的方式可以使理論和實(shí)驗(yàn)兩部分的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)度更容易銜接，也更容易讓學(xué)生建立起理論與實(shí)踐的聯(lián)系。

第三，注重用多種方式來評(píng)估實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教師不應(yīng)局限于傳統(tǒng)的紙筆測驗(yàn)，而要綜合運(yùn)用持續(xù)性觀察、學(xué)生檔案袋、平時(shí)測驗(yàn)、課后作業(yè)、小組活動(dòng)記錄等多種方式來記錄和評(píng)定學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。紙筆測試的確能夠考查學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)課所涉及知識(shí)的掌握程度，但無法考查實(shí)驗(yàn)教學(xué)最看重的實(shí)踐能力；操作考試能直接考查學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，但是組織過程煩瑣，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)不易把握，因此，只有將多種評(píng)價(jià)方式結(jié)合，才能對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

第四，注重新技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。如今，非傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式被越來越多地用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，國外許多研究都證明了現(xiàn)代技術(shù)手段可以增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知過程，例如操縱變量、可視化數(shù)據(jù)或科學(xué)現(xiàn)象，以及改善概念的理解，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的可視化技能、繪圖技能、操作技能、推理技能和探究技能。隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，未來依托于手機(jī)軟件、直播課程、虛擬現(xiàn)實(shí)等手段開展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)還將在人才培養(yǎng)中發(fā)揮更大作用。當(dāng)然，經(jīng)驗(yàn)也表明，新技術(shù)的應(yīng)用也對(duì)師資提出了新的要求，需要進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)學(xué)科師資的勝任力。