体验式教学架构下科学探究的策略构建

周伟波 陈继红

摘 要：科学探究是物理學科核心素养的重要维度.通过厘清科学探究的内涵发展，剖析科学探究的教学现状，依托体验式教学的组成架构，以单元为统领、任务为驱动，设计“感知体验、论证体验、构建体验、验证体验”四个环节，采用“创设情境、提出猜想、置于实践”三种方式，以期构建体验式教学架构下科学探究的执行策略.

关键词：科学探究;体验式教学;策略构建

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）19-0007-05

基金项目：中国教育学会2019年度教育科研重点规划课题“高中物理体验式教学的模式研究”（项目编号：201944000604A）.

作者简介：周伟波（1976-），男，广东广州人，硕士，中学高级教师，研究方向：中学物理教学;

陈继红（1980-），男，江西抚州人，硕士，中学高级教师，研究方向：中学物理教学.

科学探究是物理学科核心素养的重要维度，是物理观念、科学思维、科学态度与责任的载体与手段[1].但目前，鉴于广大教师对科学探究内涵的认知不足，造成各种不良教学现象的普遍存在，从而导致科学探究的培育工作处于低效状态.因此，厘清科学探究的内涵发展、剖析科学探究的教学现状、建构科学探究的执行策略，已成为当前科学探究培育工作亟待解决的关键问题.

1 科学探究的内涵发展

科学探究作为一个舶来词，从美国杜威先生的率先提出到成为物理学科核心素养的一个维度，其内涵发展大致经历了程序、过程、实践和素养四个阶段.

1.1 程序阶段

1909年，约翰·杜威（John Dewey）提出在美国K-12科学教育课程中实施科学探究教学，并在1910年出版的《我们如何思维》一书中阐述了科学探究的五个步骤，即觉察问题、分类问题、形成假设、检验假设、修订假设[1].1918年美国教育协会颁布了以杜威的科学探究理论为指导的《中等教育基本原则》，这标志着科学探究教学在美国科学教育中的正式启动.但在学校执行层面，杜威的探究五步骤被理解并普及为教师预先设定、学生按部就班的僵化程序，这与杜威希望的通过步骤引领过程、方法促进反思的本意有所违背.以至于1933年《我们如何思维》再版时，杜威把五个步骤改为五个阶段，并强调五个阶段并无固定顺序[2]，但这并没有扭转科学探究被过度程序化的局面.直到20世纪60年代，受施瓦布、加涅、布鲁纳等人的影响，科学探究教学开始重视过程，强调发现问题、分析问题和解决问题的能力.

1.2 过程阶段

1996年，美国国家研究理事会颁布了《国家科学教育标准》（以下简称1996年《标准》），强调科学探究是科学教育的核心，要给学生提供科学探究的过程和方法以培养科学探究能力[3];同时也指出科学探究包含两个方面的内容，即“科学探究必备的能力”（如获取、分析数据的能力）和“对科学探究的理解”（如证据、建模等的理解）.因此认为科学探究是一个“动手行动”和“动脑思考”的过程.为了进一步使“动手”和“动脑”过程更加明确，2000年，美国发布的《探究与国家科学教育标准》（以下简称2000年《标准》）指出科学探究过程应具备以下五种特征：（1）学生能在探究问题的引领下展开积极的科学探究;（2）学生在探究过程能采集数据并作为证据;（3）学生能利用证据对科学问题作出解释;（4）教师能对学生作出的解释进行评价;（5）学生对自己的解释展开交流和辩论.

1.3 实践阶段

2011年，美国国家研究理事会发布《K-12年级科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》（以下简称2011年《框架》），最引人注目的是：它的首位关键词由“科学探究”改为“科学实践”.“科学探究”是1996年《标准》的核心理念，而2011年《框架》之所以把它改为“科学实践”，原因不是取代科学探究，反而是为科学探究正名，更为准确地阐述科学探究的本质，即科学探究是一种认知、社会、行为等多维度的实践活动[4].《框架》中的科学实践包含了三个方面的内涵：（1）物质性行为的“动手”;（2）科学性认知的“动脑”;（3）社会性交流的“动嘴（笔）”.可以看出，科学实践是1996年《标准》“动手动脑”和2000年《标准》“交流辩论”等特征的综合提炼，是一种动手、动脑和动嘴（笔）相互融合的实践活动.

1.4 素养阶段

核心素养一词最早来源于世界经合组织1997-2005年开展的“素养的界定与遴选”的研究项目，核心素养是指那些最关键、最必要且居于核心地位的素养[5].核心素养提出以后，包括经合组织、联合国教科文组织、欧盟、美、英、法等均展开了深入的研究，科学探究作为核心素养的其中一个指标自然包含其中.而在我国，科学探究作为一种核心素养来研究主要体现在一个“成果”和一个“标准”上.一个“成果”是指2016年教育部发布的《中国学生发展核心素养研究成果》中指出中国学生核心素养包含了三个方面、六大素养、18种基本要点.科学探究隶属于“文化基础”方面和“科学精神”素养下面的“勇于探究”基本要点;一个“标准”是指2017年发布的《普通高中课程标准》，科学探究以核心素养的形式出现在物理、化学和生物三个学科当中.对于物理学科来说，科学探究素养包含了问题、证据、解释、交流、反思等要素[6].问题是基于观察提出疑问;证据为实验中获取的数据信息;解释是依赖证据阐明理由;交流是社会意义的讨论与构建;反思则为实践中的应用和评估.可见，“成果”和“标准”对科学探究的内涵解读，不单传承了“动手、动脑、动嘴（笔）”的实践理念，还深化为素养指向的必备品格和关键能力.

2 科学探究的教学现状

目前，我国的科学探究已由程序阶段上升为素养层面.但在物理学科的一线教学中，科学探究依然存在着替代化、形式化、零散化等三种教学现状.

2.1 替代化

科学探究的“替代化”主要表现为三方面：第一，学生的探究过程被教师的“经科学家实验和理论推导的”一句话替代;第二，学生的探究过程被电脑动画和操作视频轻松替代;第三，学生的探究过程被单一的习题训练替代.究其原因，主要有三点：首先是教师对新课标的认知不足，物理新课标指出，“科学探究能力的培养，应渗透于物理教学的整个过程”，而“一句话抛出结论”的做法是与新课标背道而驰的;其次是教师的省事心态作崇，一次成功的科学探究，需要教师在前期准备、过程开展和课后评价等方面耗费大量的精力，况且有时还达不到预期的效果.与此对比，网上下载动画和视频则尤显轻松和“高效”，但这种轻松和“高效”背后，是以牺牲学生在真实情景中的具身能力和创新能力为代价的;最后是教师对新高考精神领悟的偏差，《中国高考评价体系说明》指出，情境是新高考考查的载体，情境分为学习探究情境和生活实践情境.习题训练偏向学习探究情境，而科学探究则指向生活实践情境，如果专注于习题训练而忽略真实场景的科学探究将造成备战高考的顾此失彼.

2.2 形式化

“形式化”是形式主义的体现，是一种只关注事物表象而不深入事物本质的工作方式，它违背了内容和形式相统一的科学原理.目前科学探究的形式化主要体现在部分公开课上，首先是小题大做，个别教师并没有按照新课标的要求安排教学，而是为了突出所谓亮点，随意拔高课标要求，从“了解”层面放大到“探究”层面，不顾学生的认知特点，配以繁杂的探究程序以博取评委和听课老师的眼球;其次是提前演练，为了达成公开课的流畅度，个别教师让学生对科学探究的方案设计、步骤细节、数据处理以及结论总结等环节进行提前操练，而到真正上课的时候，学生们则变身为“优秀”演员.形式化的背后，折射出教师对科学探究的爱与恨.爱，来源于公开课因拥有探究环节而倍显物理味的外在彰显，以及探究亮点日后在同行中形成的品牌效应;恨，则表现为优秀的科学探究的设计和实施将消耗教师们大量的人力物力而身心疲惫.在爱与恨之间，着力表面繁荣而逃避内在本质的形式化做法当然有存在的市场.

2.3 零散化

当然，大部分教师特别是青年教师还是认真领会新课标的精神，踏实开展科学探究的培育工作，并形成自己独特的方法和策略.然而，碍于各种原因，这些方法和策略略显现“零散化”，主要表现为以下两方面：第一，内容的零散化，当前的科学探究主要以零散的公开课课例为主，尚未形成大单元或者大概念统摄下的整体规划，致使科学探究活动缺乏系统性和纵横性; 第二，要素的零散化，科学探究包含问题、证据、解释、交流、反思等要素，当前的科学探究主要以师生的实践经验为主，缺乏对各种要素的深入研究，从而导致各种要素指向不明、关联不强的零散化现象出现.无论是内容的零散化还是要素的零散化，都与教师基于教材、教学的系统观与全局观有着密切的关联.

因此，科学探究的替代化、形式化和零散化的教学现状必须改变，这就需要我们在厘清科学探究内涵的基础上，寻找一种合适的教学架构并依托该架构展开有效的策略构建，从而实现教师对科学探究教学的中心化、实质化和系统化.考虑到一线教师的操作问题，构建的策略应具有必要的环节和详细的步骤;但又不能表面固化，否则重回当年美国的“程序时代”，所以我们应灵活运用并以核心素养为指向，特别是指向科学探究素养的问题、证据、解释、交流、反思五种要素.纵观当前多种教学模式，我们发现，体验式教学以学生的亲身经历和主体探究为特征，指向观念、能力与价值观，与科学探究的五种要素有着密切关联.因此，体验式教学在科学探究策略构建方面为我们提供了重要的参考范式.

3 体验式教学的含义与架构

3.1 体验式教学的含义

2019年6月，国务院办公厅在《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》中指出：“积极探索基于情境、问题导向的互动式、启发式、探究式、体验式等课堂教学”.其中，互动式、启发式、探究式教学的研究起步较早，国内外已取得较为丰硕的成果.而体验式教学则首次出现在国家级文件中，相关研究均处于起步阶段，具有较大的研究空间.笔者结合多方面文献，对体验式教学的含义作出界定：体验式教学是教师依据课程标准，深入分析学生已有认知，创造接近实际生活的教学情境，让学生亲历知识的再创造过程，从中获得感知体验、论证体验、构建体验和验证体验，进而构建观念、发展能力、形成价值观的一种教学观和教学策略[7].

3.2 体验式教学的组成架构

体验式教学，着力于亲身体验和主体探究，指向观念、能力与价值观，包含了“感知体验、论证体验、构建体验和验证体验”四个环节，简称体验式教学的四环架构，如图1所示.科学探究，关注学生的动手、动脑和动嘴能力，包含问题、证据、解释、交流、反思五种要素，简称科学探究的五种要素.那么，体验式教学的四环架构和科学探究的五种要素有什么关联呢？

3.2.1 感知体验

感知是外界信息经身体感官编码后传给大脑并由大脑进行信息加工的一系列过程.该过程表现为外部信息与个体已有经验的冲突，该冲突可能引起主体对自身认知结构的怀疑，进而萌发问题意识并提出相应的探究问題，这就是科学探究的“问题”要素.

3.2.2 论证体验和构建体验

论证为逻辑学的概念，是指运用一个或者多个真命题确立另一个命题真实性的过程，通常包含证据、理由、观点三个基本要素.构建是多维度、深层次的建立，是个人和社会意义层面上对各种观点的交流和提炼，旨在促进物理观念的形成.所以，论证体验和构建体验是科学探究“证据、解释、交流”要素的有效融合.

3.2.3 验证体验

验证是对已构建观念的检验和证实，是学生基于新情境解决新问题的活动过程.验证体验中，学生以问题解决为中心对已构观念展开深入的分析和评估，从而彰显科学探究的“反思”要素.“反思”过程中可能出现两种结果：一种是问题得到解决，观念得以巩固，体验式教学到此结束;另一种是问题得不到解决，观念需要修正，这将要开启新一轮的体验式教学.因此，体验式教学不是简单的闭合回路，而是螺旋上升的进阶历程.

综上所述，体验式教学的“四环架构”与科学探究的“五种要素”有着密切的关联：感知体验萌发科学探究的“问题”要素;论证体验和构建体验融合科学探究的“证据、解释、交流”要素;验证体验则彰显科学探究的“反思”要素以实现体验式教学的螺旋进阶，具体关联见表1.

4 体验式教学架构下科学探究的策略构建

经由上面的论述，我们已经明晰了体验式教学的四环架构与科学探究的五种要素的内部关联.那么，该如何利用体验式教学的四环架构促进科学探究五种要素的实施呢？下面，笔者将以单元为统领、任务为驱动，采用创设情境、提出猜想、置于实践三种方式展开策略的构建.

4.1 单元统领——以主题任务驱动科学探究

单元统领是指在大单元的统摄下，利用整合、重组等形式把教学内容分解为若干个目标明确的主题任务，并以主题任务为驱动，积极开展科学探究活动的教学设计与课堂实施.需要强调的是，这里的主题任务包含了一级主题任务和二级主题任务.如曲线运动这一单元教学，在大单元“曲线运动”的统摄下，分解为“抛体运动”“圆周运动”两个一级主题任务，而“抛体运动”又包含“平抛运动”“斜抛运动”两个二级主题任务;“圆周运动”则包含“匀速圆周运动”“非匀速圆周运动”两个二级主题任务.从二级主题到一级主题再到大单元概念，科学探究教学实现从零散化到系统化的有效转变.

4.2 创设情境——借感知体验萌发“问题”要素

情境是教师在教学过程中创设的物理环境及情感氛围.情境可分为学习探究情境和生活实践情境.前者为学习探索或科学探究所涉及的内容和对象，通常以文字与符号的形式呈现，如带电粒子在磁场中临界问题的探究;后者与日常生活和生产实践紧密关联，通常表现为解决问题的活动场域，如轻重不同的物体下落快慢不同的原因探究.不管是学习探究情境还是生活实践情境，在创设过程中我们必须遵循三项原则：第一，适切性，即情境的创设要适应、切合课标及学生认知;第二，多维性，即情境应从多种维度触动学生的感知器官;第三，启发性，即情境应启迪学生向着问题的本质思索和探求.情境创设以后，我们还需把学生置于其中并让其充分享受来自视觉、听觉、触觉等多维度的感官冲击以及大脑对外部信息的加工体验，进而在主体和客体之间形成一种看似逻辑对应又相互交融的模糊关系，这就是学生获取感知的过程.情境中获取的感知将直接切入学生已有的认知体系，若认知体系不能解释外部感知，或者只能解释一部分而不能解释另外一部分时，学生就会萌发一种“一探到底”的好奇心，继而提出具有针对性的探究问题.因此，我们可以利用“创设情境”“获取感知”“聚焦问题”三个步骤实现感知体验中科学探究“问题”要素的有效萌发.

以二级主题任务“探究平抛运动”教学为例，根据 “通过实验探究平抛运动规律、会用合成与分解方法分析平抛运动”的课标要求，创设“圆环套物”的生活实践情境，让学生亲历视觉、触觉、运动觉等多维度的感知体验，在“平抛是一种曲线运动”的已有认知上，萌发“如何才能套中物体”的好奇心，提出 “平抛运动的规律是什么”的探究问题，从而开启以“探究平抛运动规律”为驱动任务的科学探究之旅.

4.3 提出猜想——用论证体验和构建体验融合“证据、解释、交流”要素

猜想是学生根据探究问题而提出的初步假设，它标志着论证体验的开启.对于学生提出的各种猜想，首先要从理论层面剖析其合理性，其次要通过实验来探究其正确性.当然，实验的开展包含了方案设计、步骤操作、现象观察、数据获取等相关环节.实验开展过程中，实验现象和实验数据尤其值得我们关注，特别是现象的细微处和数据的有效性，因为它们是科学探究的“证据”要素.“证据”获取后，应当以论证的形式融合科学探究的“解释、交流”要素.论证包含了个人层面和社会层面，前者是个体依据证据，经由推理建立自我主张，这就是科学探究的“解释”过程;后者是不同个体针对各自主张进行争论以达成共识，这就是科学探究的“交流”过程.因此，我们可以利用“提出猜想”“实验探究”“论证观点”三个步骤实现科学探究“证据、解释、交流”要素的有效融合.

构建体验，作为物理观念的形成环节，包含了概念规律—核心概念—物理观念的进阶路径.概念规律为论证体验所形成的观点的进一步凝聚，表征为更科学更严谨的文字和公式;核心概念是对多个概念规律实施提炼，上位到具有核心地位的总括概念，正如Joseph Krajcik指出：核心概念是由若干重要概念构成，这些内容能够展现当代的学科图景[8].物理观念则为核心概念的升华，以求得到一种超越物理知识间一般性联系的内在因果的关联命题，并可使用于对大量事物的判断[9].物理观念的构建过程，需要教师和学生纵横各种概念规律以及核心概念，并通过再一次的“解释、交流”以形成一种用科学哲学视角审视物理体系并深刻揭示事物本质、清晰呈现物理世界与真实世界内在联系的统领方式.因此，我们可以利用“形成规律”“提炼核心”“升华观念”三个步骤实现科学探究“解释、交流”要素的二次融合.

下面以二級主题任务“探究平抛运动”教学为例，在感知体验中，我们聚焦了“平抛运动的规律是什么”的探究问题，在此驱动下，学生提出“平抛运动的水平方向为匀速直线运动、竖直方向为自由落体运动”的初步猜想，接着形成各种探究方案，经学生讨论后决定采用平抛运动仪进行实验，并利用坐标纸记录数据、轨迹等获取相关证据.随后在教师的引导下，学生依托证据实施个人与社会双层面的解释与交流，最终形成“水平方向匀速、竖直方向自由落体”的平抛运动观点.基于形成的观点，构建“平抛运动”模型，确立“平抛运动是一种具有水平初速度且加速度为g的曲线运动”的概念规律;后续结合“圆周运动”形成的概念规律，提炼出“曲线运动”这一核心概念;最后关联“直线运动”“分子运动”等系列核心概念，则可升华为“运动”这一物理观念.

4.4 置于实践——凭验证体验彰显“反思”要素

实践是人类能动地改造世界的物质活动，是检验真理的唯一标准.在验证体验中，我们必须把已构观念置于生活实践以“反思”其正确性.为此，我们可通过“再创情境”“观念应用”“观念迁移”三个步骤，实现科学探究“反思”要素的有效彰显.

再创情境，这里指生活实践情境的二次创设.首次创设出现于感知体验中，主要用于规律的探究和观念的构建;二次创设则为“反思”要素的实施载体，旨在促进物理观念的应用与迁移.如“运动”物理观念构建后，可创设以下情境：下雨天小明匀速转动雨伞，雨水沿着伞的边缘切线方向飞出.然后提出问题：如何测量并求得雨伞做圆周运动的角速度？

观念应用，即大脑调动已有观念解决实际问题的过程，它是“反思”要素逐步深入.该过程一般会出现两种结果：一种是已构观念在新情境中得到顺利应用，表現为问题的解决和能力的发展;另一种是已构观念不能顺利应用，表现为问题得不到解决或者解决方法单一.如雨伞角速度的求解，我们可以测出雨伞边缘离地高度h、雨滴切线飞出后的水平距离x以及伞面半径R，然后利用平抛运动规律（h=12gt2、x=v0t）以及匀速圆周运动规律（v0=ωR）即可求得雨伞转动的角速度;或直接测得雨伞旋转一周的时间T，再用公式ω=2πT即可求得.但在实践应用中，却有部分同学无法把“运动”观念与平抛模型和圆周模型相关联或只关联其中一部分或只提出一种解决方案.这些都需要学生对已构观念做出“反思”，甚至需要有针对性地开启下一轮的体验式教学循环.

观念迁移，指一种学习中形成的观念对另一种学习的影响.该影响一般有三种表现：一是已有经验直接应用而无需改变原有认知结构（同性化迁移）;二是调整原有经验以形成一种包容新旧观念的高级认知结构（顺应性迁移）;三是对新旧经验某些成分进行重组以构建一种全新的关联（重组性迁移）.所以，观念迁移是科学探究“反思”要素的扩展内化.如同学们经历了“运动”观念在“雨伞问题”的应用后，可迁移到“传送带模型”“平抛模型”“圆周模型”等的组合情况，让同学们在“运动”观念的统摄下对上述三种模型展开成分重组以构建不同情境解决不同问题，这是“反思”要素在重组性迁移层面的深入体现.

5 结束语

综上所述，笔者以单元为统领，任务为驱动，设计“感知体验、论证体验、构建体验、验证体验”四个教学环节，采用“创设情境、获取感知、聚焦问题、提出猜想、实验探究、论证观点、形成规律、提炼核心、升华观念、再创情境、观念应用、观念迁移”等步骤，全面融入科学探究的“问题、证据、解释、交流、反思”五种要素，最终形成“一统领一驱动、四环节十二步骤”的科学探究培养策略框架（如图2）.

参考文献：

[1]严文法，李彦花.美国科学探究教学的历史回顾与启示[J].课程·教材·教法，2010，30（08）：107-112.

[2]康琪，丁邦平. 从科学探究内涵的界定与发展理解科学探究的本质——基于美国科学课程文件的分析[J].基础教育课程，2021（05）：71-80.

[3]王凯.高中物理教学中学生科学探究能力培养的实践研究[D].重庆：西南大学，2020.

[4]唐小为，丁邦平.“科学探究”缘何变身“科学实践”？——解读美国科学教育框架理念的首位关键词之变[J].教育研究，2012，33（11）：141-145.

[5]林崇德.21世纪学生发展核心素养研究[M].北京：北京师范大学出版社，2016.

[6]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[7]周伟波. 以体验式教学促进物理学科核心素养的发展[J].中小学教材教法，2020（12）：39-42.

[8]张玉峰，郭玉英.围绕学科核心概念建构物理概念的若干思考[J].课程·教材·教法，2015，35（05）：99-102+75.

[9]续佩君.关于物理观念的思考与教学探讨[J].物理通报，2020（05）：2-5.

（收稿日期：2021-07-12）