整体实验教学的设计与实践——以“沸腾实验”为例

谢祥金

重庆市北碚区教师进修学院，重庆 400700

对大量课堂实验教学进行观察分析发现：很多完整的实验教学过程被人为地切分成不同侧重点的实验碎片；学生缺乏对实验过程的体验与思考；实验为“需要的数据”而做，漏掉一些重要信息。如何解决这些问题，提高教与学的效率和效益，我们提出实施整体实验教学。

1 整体实验教学概念

1.1 概念界定

整体实验教学就是创造真实的实验全过程，让学生观察记录实验过程中所有现象与数据的全信息，根据实验目的从全信息中选取有用信息，提炼结论，弄清无关信息对结论的影响及其所涉及的相关知识，从全信息的视角去打通知识与知识之间的壁垒，构建完整的知识逻辑网络体系。

1.2 整体实验教学的理论依据

从大单元教学设计的视角，以单元知识体系的建构为出发点，把相互联系或关联的知识进行整体小实验群设计，或者把存在紧密逻辑关系的知识链或网设计到一个完整的实验全过程中。

从深度学习理论的视角，学生围绕着可实施的实验任务群或实验去解决一系列的问题串，全程积极参与、交流讨论、归纳总结，获得对物理知识的认知、理解。

从系统结构理论的视角，应抓住整体小实验群或整体实验的全实验过程、全实验现象、全实验数据信息，它们彼此相对独立而又相互联系、相互影响的关系及规律，建构微观与宏观单元知识规律结构体系。

从深层教学设计理论的视角，要从大学学科需求的高度审视中学物理实验教学，深入研究物理实验教学与物理基本概念、物理规律、物理技能之间的本质内涵，激发学生的学习兴趣，引导学生掌握物理学的本质，才能简单、有效、深刻地进行教学。

2 整体实验教学的实施

2.1 整体实验教学的实施策略

系统性策略，就是对某单元或某知识板块所涉及的物理基础知识与基本技能进行整合，弄清相互关系和内在联系，构建探寻实验群或实验的一系列现象的设计方案，帮助学生对知识进行系统性认知与体验。

整体性策略，就是确保物理实验过程的完整，不能为了某个结论或规律所需要的“正确数据”而把完美的实验进行分解或切割，出现盲人摸象的结果；把大单元教学的理念渗透到实验的整体设计中，帮助学生建构起整体知识体系，深化对整体知识体系的认知与理解。

全面性策略，就是实验任务设计要有助于引导学生多角度、多视野、多过程地去观察实验现象，记录、分析、处理实验数据，全方位地解释实验现象与结果。

开放性策略，就是实验教学设计既要有明确的任务与操作，又要有能激发学生愿意去探索、思考的不确定过程与环节。通过明确的任务与操作实现本节课教学的重点突破，形成需要的结论；通过不确定过程与环节引发学生深入思考、联想，探寻与所学知识相关的知识或规律，给学生留下或多或少遐想的空间与疑虑，为后续知识的学习留好衔接端口。

参与性策略，就是对实验整体设计要有学生可以参与、完全参与的过程或环节。通过这样的设计让学生深度参与到实验探究的全过程中，积极思考、交流、分享、总结、应用等，让学习真实发生。

2.2 整体实验教学的实施框架流程

整体实验教学的实施框架是两条路径、四大理论支撑和四个推进环节，都着眼于一个中心任务，如图1所示。

图1 整体实验教学实施流程图

具体而言：两条路径，一是深度实验研究，从中挖掘隐藏在实验全过程里的多个知识点，再对原有实验操作流程进行完善、改进、优化的整体设计，让多个知识点自然互融、互连、互通；二是深度研究教材，寻找相互关联的多个知识点，探寻各个知识之间的本质联系或实验联系，再系统、完整地进行小实验群或整体实验设计。

四大理论支撑就是以大单元教学设计理论、深度学习理论、深层教学设计理论、系统架构理论作为整体实验教学设计的思考引领和理论支撑。

四个推进环节是指教学实施完善的过程，包括课堂实践、实验反思改进、课堂再实践、整体实验教与学效果的评价。

一个中心任务是探寻物理教师教得轻松、学生学得轻松，还能高效地培养学生物理素养的整体实验教学路径。

2.3 整体实验教学的设计实施案例

我们以“探究沸腾实验”进行整体实验教学设计与实施为例进行分享，根据课标和教材（沪科版）实验主要目的是探究水沸腾过程中温度变化的规律，把“沸腾、蒸发、液化”等相关知识在“沸腾实验”中进行整体研究，其实验目的为：探究沸腾现象，明确什么是沸腾，怎样判断水沸腾了，沸腾还与哪些热现象或知识相联系。具体设计与实施如表1所示。

表1 整体实验教学设计实施案例

续表1

3 整体实验教学的教育教学价值

通过整体实验教学的教学设计、课题实践、课堂评价以及教学效益的探索和研究，我们发现整体实验教学的教育教学价值。

3.1 有助于学生实验探究素养的形成

整体实验教学前后两次为学生制定的任务清单，通过学生“竞争性”的自我完善，实现对实验的全面性观察。比如，本文教学案例初次实验，教师仅让学生观察烧开水过程中的所有物理现象并做好记录，没有具体观察什么的要求，通过交流分享，学生明确了实验全过程的观察点，也意识到自我观察能力的欠缺。这样的设计有助于培养学生认真观察、记录实验全过程的每一个细节的习惯，提升观察能力、数据记录表格的设计能力、纠正操作过程的错误与不规范的能力等。

让学生从众多的实验数据中筛选出本节课所需的数据，推理判断出干扰数据以及它们带来的影响或联系着的相关知识，由此进行抽象、归纳，得到理想的概念、规律。这种选择（重点）性的实验分析、处理有利于提高学生从真实情境中筛选数据、处理数据的能力，帮助学生理解物理概念和建构物理模型。

3.2 提高学生解决问题的能力

在整体实验教学的过程中，学生全程的实验体验、完整的实验现象观察、全面的实验推理是直观、高效解决问题、破除题海的有效手段，可实现减负提质增效。比如，本文研究“沸腾”整体实验，从开始加热，升温，沸腾，到持续沸腾的过程，就涵盖了燃烧、热量、汽化、蒸发、液化、气态方程等知识，弄清彼此之间的联系并进行推理，有利于帮助学生构建完整的知识逻辑体系，提供解决相应实际问题的依据与结果。

3.3 为教师改进教学与评价提供依据

蕴藏在实验全程中的现象、知识点以及它们之间内在关联的规律等是很好的、真实的、严谨的命制检测学生素养能力工具（试题）的情境素材，能很好地检测学生对知识的理解、掌握程度和运用知识综合分析判断、逻辑推理、创造性解决实际问题的能力。

课堂实践证实了整体实验教学能培养学生统筹协调的团队意识、认真且耐心的做事态度、理性的思考习惯，整体实验过程能改善学生学习物理的方式与习惯。从课堂评价与课堂效益的角度，证实了整体实验教学能促使教师改变教学方式方法。