基于科学探究的高中物理实验分析*

王慧军 向 兵 王俊锋

(河南大学物理与电子学院 河南 开封 475000)

1 引言

近年来科学探究已逐渐成为全世界科学教育的一种趋势.包括美国、日本、英国在内的许多国家都将培养学生科学探究能力，发展学生科学素养作为科学教育改革的主要目标.2017年由教育部制定的《普通高中物理课程标准》中明确指出高中物理课程目标要培养学生具有科学探究的意识[1].要求学生能通过提出物理问题、猜想与假设、设计实验与制定方案、收集和处理数据、分析并得出结论、合作交流、评估反思这7个科学探究要素提升科学探究能力.科学教科书是课程目标的具体体现，在某种程度上，教科书决定了学生对科学的一般看法.因此,本文将分析人教版教科书中物理实验的科学探究水平是否符合真实科学探究的要求.

2 科学探究评价体系的构建

由于教科书在科学教育中的重要作用，许多研究从不同方面分析了教科书中的科学探究活动.20世纪五六十年代，Schwah将教科书中的科学探究活动分为3个水平，水平1为问题和研究方法均由教材提出；水平2则是教材提出问题,方法和答案需要学生解决；水平3是把问题、方法、答案全部交给学生[2].1971 年，Herron 提出在保留水平1～3的同时，增加水平 0：问题、解答的方法和答案或结论均由教材给出[3].自此，很多学者相继提出了与Herron相类似的分析框架，然而具有可操作性的只有两个：Germann和Haskins根据教科书中科学探究活动是否有利于学生主动参与，将科学探究活动分为7个层次[4]；Chinn 和 Malhotra认为仅从科学探究过程是否有利于学生主动参与进行分析并不能区分简单科学探究和复杂科学探究，因为简单科学探究和复杂科学探究包含共同的科学探究过程.Chinn 和 Malhotra认为复杂的科学探究和简单的科学探究有两个根本的区别： 其中一个是在复杂的科学探究中需要的认知过程和在简单的科学探究中需要的认知过程不同；另一个差异是真实的科学任务与简单形式的科学任务之间的认知差异，这暗示了认知过程的差异[5].李西营等人认为科学探究不仅包括“做科学”还包括“认识科学”，因此，把科学探究的评价体系分为科学探究过程和科学本质两个部分[6].

本文根据Germann，Haskins，Chinn,Malhotr和李西营等人所提出的分析框架，将科学探究过程划分为提出问题、猜想与假设、设计实验与制定方案、收集和处理数据、分析并得出结论、合作交流、评估反思这7个环节.并从两个维度分析科学探究活动的这7个环节.维度一：分析科学探究过程的各个环节是否有利于学生自主参与，即科学探究活动的开放度.科学探究活动的开放度越高，学生自主程度越高.维度二：分析科学探究过程的认知操作度，即学生进行科学探究活动时的认知操作水平.

3 研究内容

本研究选取的教材为人民教育出版社2019年出版的普通高中物理教科书(以下简称人教版).人教版教材共分为必修1～3和选择性必修1～3共6本.选取的科学探究活动为这6本教材中的物理实验，即标有“实验”标志的物理实验(不包括“演示”实验和“做一做”实验)，共计34个.以下是关于这两个维度的分析结果.

4 研究结果

4.1 实验开放度

实验的开放度分析结果如表1所示.在34个物理实验中，没有一个实验要求学生自己提出问题；15%的实验要求学生根据问题提出猜想或假设；41%的实验要求学生参与设计实验方案；97%的实验要求学生亲手操作收集数据；94%的实验明确要求学生分析实验数据；12%的实验明确要求学生需要分工合作完成实验或对实验数据、结论进行分析讨论；18%的实验要求学生思考和实验误差有关的问题.

表1 人教版教材中实验的开放度分析

4.2 认知操作度

实验过程中的认知操作分析如表2所示：在人教版物理实验中，所探究的问题完全由教材给出，学生不需要结合情景或在阅读专家研究报告的基础上提出物理问题；有15%的实验要求学生提出实验假设，但却没有实验要求学生预测实验结果；在设计实验环节，仅有9%的实验要求学生完全设计实验方案和控制实验变量；剩下的实验教材中均会给出详细的实验步骤或提供简单的实验程序；在这34个实验中，虽然大部分实验均需要学生观察现象，但却没有一个实验要求学生在观察时要避免观察者偏见.一半以上的实验需要学生进行简单的数学处理，要求学生进行复杂数学处理的实验仅有15%.在分析并得出结论环节，26%的实验结论需要学生归纳总结得出；47%的实验要求学生运用已有知识解释或检查结果；9%的实验需要学生建构理论来解释实验现象或数据，但需要建构的理论已在教材中明确给出.实验结论不需要复杂关系链推论出来，也没有实验结论要求学生整合多个研究成果.仅有6%的实验要求学生间分工合作完成，也仅有6%的实验要求学生进行交流和讨论.在实验结束后仅有9%的实验要求学生考虑实验存在的问题或误差来源.也并未有实验要求学生根据结论提出新的问题与假设.

表2 人教版教材中实验的认知操作度分析

5 研究结论

根据上述分析结果得出：人教版实验的开放度较低，大部分实验仅把实验的操作和对数据的处理分析交给学生，其余的科学探究过程几乎都由教材给出.在认知层面，教材给出的大都是简单而肤浅的科学探究.大部分实验不要求学生阅读真实的研究报告和观察现象提出问题，也不要求学生提供猜想与假设；在设计实验时教材往往会提供标准的案例供参考；获取和处理数据时大多数实验只要求学生对数据进行简单处理；实验结论的得出不涉及较为复杂的认知活动，如需要学生进行复杂推论，构建新理论、整合多个研究结果.在实验过程中大部分实验也未要求学生分工合作，交流讨论.对于实验中存在的问题不需要学生反思，而是直接告诉学生误差来源，学生所要做的仅是考虑哪种方法误差更小.因此，无论是科学探究过程的开放性还是认知操作性，人教版物理实验均不能满足真实的科学探究的要求.这项研究结果与Chinn和Malhotra(2002年)的研究结果相一致：科学教科书中的探究活动既不利于培养学生的科学探究过程技能，也不利于培养他们的科学推理技能.

6 研究启示

通过上述研究，希望能对我国高中物理教材的编写以及一线教师的教学提供一些借鉴和参考.

6.1 在实验过程中为学生提供足够的自主性

通过上述分析可知：人教版教材中物理实验的开放度较低，教材和教师应尝试在实验过程中为学生提供足够的自主性.尤其是物理问题的提出，爱因斯坦说过：“提出一个问题比发现一个问题更重要”.虽然，对于学生而言提出一个可探究的问题很难，但教师应该在教学过程中通过创设合理科学的问题情境，引导学生提出可探究的物理问题.在进行猜想与假设时注意引导学生根据现象和已有知识提出猜想或假设.教材和教师在教学过程中应鼓励学生设计出不同于教材中的实验方案.进行实验时明确要求学生组内分工合作，针对所收集的实验数据进行讨论、分析，最终形成统一的结论与其他组进行交流与评价.在实验结束后要求学生积极思考实验过程中存在的问题和收获.

6.2 逐步提升学生在实验过程中的认知操作

认知的不同是区分简单探究和复杂探究的关键.如何提升学生在实验过程中的认知，需要教材编写者和知识传授者的共同努力.笔者认为可从以下方面入手：

(1)教材编写者在选择实验内容时，可从现实生活出发，创设问题情境.引导学生通过实验解决复杂的生活问题.

(2)学生提出实验假设或猜想时，注意提醒学生说明假设或猜想的依据.

(3)教材编写者在设计实验时，可为学生提供实验思路，但要求学生自主设计.若教材中提供实验案例，则要求学生设计不同于教材中的实验方案.教师在教学过程中可引导学生对教材中的实验进行创新与改进.

(4)收集和处理数据、分析并得出结论过程中可设置层层递进的问题引导学生对实验数据进行解释，从而使学生自主得出实验结论.

(5)在实验过程中，要求学生对与之前猜想不符的实验数据进行讨论、交流，找出实验过程中存在的问题.

(6)在实验结束后，要求学生思考所得结论的局限性；要求学生能根据实验结论提出新的问题或假设，并进行课下探究活动.