美国AP物理探究实验教学亲历与反思

王玉婷 邢红军

(首都师范大学教师教育学院，北京 100048)

1 研究背景

AP课程(Advanced Placement Program)即美国大学先修课程，是由美国大学理事会(The College Board)提供的在高中教授的大学课程，AP物理课程是AP课程的一个重要组成部分.课程目标是培养学生的科学探究能力，推理能力和掌握必要的物理概念.笔者在美国加利福利亚州米拉蒙高中(MIRAMONGTE HIGH SCHOOL)实习时发现，在AP物理课堂上，教师每周都会进行两类探究实验教学.第一类探究实验是教师根据科学实践目标自行设计与教学内容相关的实验(教师的自由空间很大)，时长为40分钟.第二类探究实验是AP物理课程规定的实验，时长为90分钟.

物理学是一门以实验为基础的科学，所以科学探究能力的培养主要在探究实验中得以形成.科学探究作为我国物理核心素养维度之一，指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验和制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.主要包括问题、证据、解释、交流等要素.同样的，《AP物理1和2探究实验指南》中，也明确要求教师要培养学生的七种科学探究能力，其中包括：陈述模型(陈述方法和运用模型去交流科学现象与解决科学问题)、运用数学(运用合适的数学工具)、积极提问(在课堂中，积极提问，拓展思维，引导探究)、设计实验(对特点的科学问题进行实验设计和数据收集)、分析数据(进行数据分析，对实验现象进行评估)、科学解释(运用科学解释和理论知识)、建立联系(能够将各种级别、各种概念和事物在科学内或跨学科地联系起来).通过对比，不难发现中国物理课程标准和美国AP物理课程关于科学探究能力的要求近乎一致，但是对于探究实验的教学和考查形式却南辕北辙.比如，有研究者把我国小学和初中课程改革的教训概括为“四个虚假”.即“虚假地自主”，“虚假地探究”、“虚假地合作”和“虚假地渗透”，彰显出我国物理教学和美国物理教学对待科学探究截然不同的态度，值得我们深思.

有鉴于此，笔者试图结合在美国加州高中的所见所闻，通过呈现两种不同类型的探究实验教学活动的原貌，尝试寻找美国AP物理探究实验教学的特点，以期为我国的中学物理探究实验提供有益的启示.

2 美国AP物理课程的两种探究实验教学活动及其特点

2.1 第一类探究实验

《AP物理1和2探究实验指南》鼓励老师根据科学实践目标自行设计与教学内容相关的实验.第一类探究实验的目的是提供给学生一个科学探究的机会，以及用自主安全而有序的实验操作去运用物理知识.这类实验具有如下特点.

(1) 培养学生的合作意识.在美国AP物理课堂上，教师更多的是采用传统的讲授法进行物理知识传授，学生合作意识的培养主要依靠物理实验教学.教师会提前一周给出实验题目和实验要求，将其传送到学生的电子书包.学生自行选择合作伙伴，查阅文献、整理资料、共同研讨实验步骤并完成实验作品.

(2) 锻炼学生的动手能力.《AP物理1和2探究实验指南》明确提出，探究实验是做出来的.所以，美国物理教师特别注重学生动手能力的培养.每一个实验作品都是由学生亲自动手设计，以“最大承重的小桥”为例，要求学生用牙签和胶水制作小桥.

(3) 轻松有趣的探究氛围.美国物理教师在自行设计与教学内容相关的物理实验时，一直秉承着与生活紧密相关的理念，所以学生使用的实验材料都取材于生活中熟悉的物品.当学生用亲自设计的实验进行科学探究时，教师只是一个引路人，负责营造良好的探究氛围.只有当学生在探究中出现了很大的偏差时，教师才会及时提供帮助.

以“最大承重的小桥”的探究实验为例，探究分为教师活动与学生活动.如表1，表2所示.

表1 教师活动

表2 学生活动

2.2 第二类探究实验

第二类探究实验指的是AP物理课程所规定的实验，一般以引导型和开放型为主.引导型实验由教师呈现问题，学生自行实验.开放型实验由学生发现问题，并自行实验.相较于中国的物理探究实验教学，此类实验具有如下特点.

(1) 教师的准备工作尤为充分.每次实验前，教师会通过网络将实验概览传送到学生的电子书包，长达10多页，包括实验题目、主要挑战、知识背景、社会应用、探究类型、实验目标、重点技能、实验仪器、用时建议、辅助栏目、准备事项、安全事项等部分.笔者认为，实验概览中的辅助栏目是美国物理教育浓墨重彩的一笔，虽然整个探究实验过程中都以学生为主体，教师看似若无其事，但是教师早已在课前把教学准备工作做足.由于每个学生收集的数据与数据的处理方法各有差异，所以教师把学生可能用到的实验方法和数据处理方法都罗列出来，由学生自行选择.

(2) 不同的实验培养特定的科学探究能力.每个实验对于学生科学探究能力的培养各有侧重，以“探究加速度与力、质量的关系”为例，培养的能力包括：陈述和建立实验模型、明确实验所需的数据，分析数据关系或确定实验模型和误差分析.对于重点培养的科学探究能力，教师在课堂上会给予较多的关注与指导.对于此部分的实验报告，教师会格外认真地批阅.

(3) 量化学生的科学探究能力.由于笔者全程跟随一个著名物理教师全天实习，所以能亲身感受到美国物理教育的真实面貌.美国物理教师给予学生很多的自由空间，然而这些自由空间全部都被形形色色的量表包裹得严严实实，目的是确保学生达到了教学目标.为了评估学生的科学探究能力，教师有一套专门的评价量表，每一种科学探究能力都有四个层次.以“探究加速度与力、质量的关系”为例，对于陈述和建立实验模型的评估，分为：熟练(创造了准确和适当的图形代表加速度和合力以及加速度和质量之间的关系)、近乎熟练(创造了正确的图形来表示变量之间的关系，可能不能完全反映变量之间的关系)、在通往熟练地路上(创造了有缺陷或不完整的图形来反映变量之间的关系)、一种尝试(对于变量之间的关系，给出了不正确的图形表示).教师会根据学生的课堂表现与实验报告给予评分.

以“探究加速度与力、质量的关系”为例，探究分为教师活动和学生活动.如表3，表4所示.

表3 教师活动

续表

表4 学生活动

3 研究与启示

鉴于国情不同，中美两国的物理教学方法必然体现出不同的文化制约性、文化适应性和文化匹配性等，因此，我们不能盲目照搬美国的物理教育做法，然而对于域外优秀教育经验的有益借鉴与参照，则有着他山之石的作用.研究表明，美国AP物理探究实验教学具有以下特点，值得我们借鉴.

3.1 “真”训练

在美国的高中物理课堂中，科学探究并没有被“泛化”和“神化”.相较于国内在课堂教学中把科学探究当成生搬硬套的程序和模式，在一堂课有限的时间内，面面俱到，七个要素一个不敢少，抑或是无论什么内容都拿探究一番，从而导致探究的浅层化和庸俗化.美国的探究实验教学通常是把探究的一般过程和策略隐含于实验中，并没有明确地向学生指出探究实验的一般步骤或方法，而是由学生自己去感悟与操作.例如，如何寻找最大承重小桥的探究实验.尽管没有给出明确的探究步骤，但是学生通过一次又一次地探索与尝试，从而在无意识中形成了科学探究能力，并能够迁移到一般问题的解决中.形式教育说主张，教学应当主要培养学生的能力，尤其是那些所谓的悟性或理性能力、思维能力、记忆能力等“形式”的东西，而不仅仅是传授给学生多少事物的知识.显而易见，美国的AP物理探究实验教学正是秉承着形式教育说的理念，注重培养学生的科学探究能力.在物理课堂教学中，美国教师一般只提供实验仪器和实验目标，探究实验是开放的，但又不是完全开放的，它为学生提供了脚手架—告诉学生要做什么，具体怎么做则由学生决定.两人一组设计最大承重的小桥，以及三人一组讨论《探究加速度与力、质量的关系》的实验，都可以有效地锻炼学生的合作能力与表达能力.在《探究加速度与力、质量的关系》实验中，将实际值与测量值进行比较，从而培养了学生误差分析能力.美国教师对学生的数学运算能力要求并不高，而是注重培养学生熟练使用软件的能力，要求学生学会娴熟地使用Excel、Google sheet等数据处理软件.

3.2 “真”撰写

实验是物理学的基础，实验报告是对实验过程的总结，是交流实验经验、推广实验成果的媒介和重要手段.因此，让学生学会撰写实验报告是培养实验能力的一个重要途径，有利于发展学生的物理核心素养.笔者以物理实验报告为主题检索，发现中国知网上只有76篇文章，说明国内物理教育研究在一定程度上对于这一领域的重视程度不够.美国教师非常注重学生实验报告撰写的规范性与完整性.一旦学生完成了一个探究实验，则要求撰写一份实验报告.实验报告采取评分制，在学年结束后，如果学生能展示自己所做的所有实验工作，学生可能会在一些大学获得大学实验室课程的学分.因此，我们应当借鉴国外实验报告撰写的经验，结合具体国情，因地制宜地设计出适合国情的实验报告形式，以便于更好地把握学生的学习过程.

3.3 “真”评价

在美国的AP物理探究实验教学中，常常会呈现一番“热热闹闹、嘻嘻哈哈做实验的场景”，看到此情此景，心中不禁会有一个疑惑，这种情况会不会导致教学质量大打折扣？事实并非如此.美国教师会对学生的课堂表现和实验报告进行非常认真的过程性评价，这是对学生行为的一种约束，评价量表如表5.

在学生上交的实验报告中，教师不仅会评分，而且会对学生的科学用语以及实验思路等方面给予修正，帮助学生形成良好的探究素养和书面表达能力.过程性评价采用质性评价在内的多种评价方式，从学生本身、同伴伙伴、教师家长等不同角度获得评价信息，深入到学习的不同方面和不同层次，从不同视角对学习进行描述和评价，这样对学习质量的评价更全面也更深入. 此外，过程性评价对教师的教学有较好的反馈作用，评价过程与教学过程交互影响，利用评价的结果来诊断

教学中出现的问题，进而改变教学导向.因此，我们应该客观而全面地看待在物理探究实验教学中实施过程性评价的优势，取其精华去其糟粕，为我国物理教育评价注入一种崭新的思维方式.

表5 评价量表