五版新高中物理教材实验探究水平表征评析

郭芳侠，韩丽梅，何 琳

陕西师范大学物理学与信息技术学院，西安 710119

1 问题提出

《普通高中物理课程标准（2017年版）》中将科学探究作为物理学科核心素养的要素之一，强调了“科学探究能力的培养应渗透在物理教学的整个过程中”，并认为物理实验在培养学生的探究能力方面具有重要作用[1]。

探究水平是指学生在科学探究活动中表现出的水平的高低程度，由美国课程理论研究专家施瓦布在1962年首次提出。施瓦布认为，探究活动应包含三要素：“提出问题”“设计方案”“得出结论”，并依据师生在课程中的参与程度将各要素的探究水平分为三个等级，学生参与的程度越大，活动的探究水平越高[2]。此后，有关探究水平体系的构建都在此基础上展开，如赫伦在施瓦布体系上增加了“水平0”（活动完全不具备开放性），其四水平探究体系相较而言较为全面，各水平间有明显的差异表征，易区分，因此得到较为广泛的应用[3]。此后，不同的研究在上述基础上，从细致描述探究要素和师生在活动中的参与程度等方面，构建了不同的框架，但对探究水平的划分整体差异不大。

学者张新宇对国外各探究水平框架的建构发展及特色进行述评[4]，并在赫伦等研究的成果上，以师生地位界定为基础，对各环节探究水平要求进行了细化，确定了分析教材探究活动水平的“五环节四水平”框架，研究了英国初中科学基础型教材和发展型教材中活动的探究水平差异[5]。目前，国内对于探究水平体系的构建基本相似。姚娟娟等基于张新宇的体系构建了实验类栏目探究水平的分析框架，分析了人教版（2019年版）高中化学教材实验类栏目的探究水平[6]；张嘉新等在赫伦成果的基础上对探究水平分类进行了研究，分析了人教版（2019年版）高中化学教材中的探究性实验，并进行了探究水平的分类[7]。邱文婷等基于张新宇的探究水平体系比较了2019年版三套高中物理教材（人教版、沪科教版、粤教版）必修部分的实验探究水平[8]。

教科书作为重要的课程教学资源和课程标准落实的载体，一定程度上反映着科学教学的真正改革。物理实验是物理教学的重要内容，是帮助学生更好地理解物理规律和现象的有效教学方法。已有实证研究表明，在物理课中实施的探究活动对学生的学习收益有着积极影响[9]。实验的探究水平直接影响着学生提出问题、探究问题、分析推理及合作交流等能力的发展。因此，研究新版高中物理教材实验探究水平非常必要。

2 研究设计

2.1 研究对象

为全面了解我国新版高中物理教材实验探究水平，选取2019年教育部审定出版的五套（人教版、沪科教版、鲁科版、教科版和粤教版）普通高中物理教科书中的全部实验内容进行分析。

2.2 研究工具

研究采用姚娟娟等在张新宇的框架基础上细化的实验环节探究水平描述框架，具体内容如表1所示。

表1 教材实验探究水平分析框架[6]

表1中“缺失”表示教材实验未呈现某环节；“控制性水平”表示教材直接呈现相应环节，学生活动一定程度上被限制；若教材提供部分引导性的表格、装置图等，使得学生有一定的自主性，则为“引导性水平”；若教材无任何提示和指导，完全由学生自主开展活动，则为“自主性水平”。

依据该方法对教材中所有实验的探究水平进行判定，并统计各环节探究水平呈现频次，进而分析和比较不同教材的探究水平。分析统计由两位物理课程与教学论专业的研究生在熟练掌握方法的基础上独立进行，二者的一致性系数为0.88，可信度高。课题组再针对判定水平相异的描述进行讨论交流，达成一致。

3 研究结果

五版教材实验总数量分别为：人教版119个，沪科教版128个，鲁科版133个，教科版160个，粤教版165个。

3.1 五版教材实验探究水平的表征

依据探究水平分析框架，得到五版教材实验环节的探究水平数据，如表 2所示。

表2 各环节探究水平表征频次及占比

3.1.1 人教版实验探究水平表征分析

人教版实验呈现的栏目较丰富，有“实验”“演示”“课题研究”“做一做”“拓展学习”栏目，但实验数量相对较少。各栏目功能指向不同，“演示”栏目侧重于实验现象呈现，能够衍生的探究性活动较少。“实验”栏目侧重于让学生通过实验学习，总结归纳物理规律或结论，具有完整的实验流程，能够体现部分探究性活动。“做一做”栏目指向实际操作，针对性地提出建议或供参考的处理方法，引导学生进行创新和探索。而“课题研究”“拓展学习”栏目注重物理学与实际生产生活以及其他学科的联系，引导学生进行知识深化和应用。

表2显示，人教版实验探究水平除“反思交流”环节以90.76%的比例集中在缺失水平外，其余四环节在控制性水平所占比例都最高，尤其是“目的确定”和“方案设计”环节，比例在86%以上，表明教材实验设计对学生的自主性和引导作用的关注还需增强。比较各环节的高探究水平（引导性水平和自主性水平）发现，“方案实施”环节表征最高（共计占比51.26%），其次是“结论形成”环节（共计27.73%）。此外，教材较少关注学生的反思和交流活动，“反思交流”环节在大多实验中呈现较少，引导性水平和自主性水平的呈现比例之和仅为5.04%。因此，需注重“反思交流”环节的设计，引导学生交流评价，深入思考。

3.1.2 沪科教版实验探究水平表征分析

沪科教版中实验栏目分布清晰，除个别演示实验穿插在正文内，其余实验主要呈现在“学生必做实验”“实验探究”“课题研究”栏目中。“学生必做实验”栏目基本上都采用表格等形式引导学生观察现象、得出数据，结论的形成需要学生自行从已有现象或数据中得出，栏目结尾均给出一定角度的思考和讨论活动，更好地引导学生参与学习总结和巩固，环节呈现完整。但该栏目直接呈现了实验目的和方案设计，虽明确了学习任务和操作步骤，但一定程度上抑制了学生的探究能动性。“实验探究”和“课题研究”主要涉及对物理知识的深化和应用，更多地用来帮助学生拓展学习，将近85%的实验分布在这两个栏目中。

表2中的数据表明，沪科教版实验集中在控制性水平，其中“目的确定”“方案设计”和“结论形成”三个环节中占比均较高。引导性水平上除“目的确定”环节占比较低（7.81%）外，其余四个环节的引导性水平比例均在20%～25%间。自主性水平在“方案实施”环节中呈现最好，占比为42.97%，其次为“结论形成”环节（24.22%），而在“目的确定”环节则无自主性水平的表征。缺失水平主要集中在“反思交流”环节，占比高达67.19%。整体而言，沪科教版实验探究水平较高的环节是“方案实施”，其次是“结论形成”，相对较低的是“目的确定”。

3.1.3 鲁科版实验探究水平表征分析

鲁科版的实验栏目有“实验与探究”“迷你实验室”“DIS实验室”。其中，学生必做实验虽未有特定栏目，但以明确的实验标题呈现在正文中，目的明确，方法步骤完整，实验实施多为引导性，对实施和结论形成的自主性要求相对较高。“迷你实验室”栏目趣味性较强，其实验设计多与生活实际相联系，且注重实验的安全操作性提示。教材多以“引导、递进”的理念设计探究活动，例如在对电容器的充、放电的探究中，先进行完整的实验探究活动，接着在“迷你实验室”栏目使用二极管来观察相关现象，又通过“实验与探究”栏目加深探究内容，实验层层递进，知识深度和广度得到拓展，既有效帮助学生巩固知识，又促进科学思维和科学探究能力的发展。

表2中的数据表明，鲁科版实验探究水平主要集中在控制性水平。鲁科版的133个实验的“目的确定”环节均由教材直接呈现，因此该环节为完全控制性水平。“方案设计”“结论形成”环节的探究水平也以97.74%和50.38%的比例集中在控制性水平，远高于其他水平的占比。在引导性水平上，表征较好的环节是“方案实施”“反思交流”；自主性水平的呈现只出现在“方案实施”和“结论形成”环节。缺失水平在三个环节中呈现，其中“反思交流”环节缺失水平占比最高（78.95%）。总体上，“方案实施”环节探究水平最高，其次是“结论形成”环节，较低的是“方案设计”和“目的确定”环节。因此，应重点关注“方案设计”“目的确定”和“反思交流”环节的较高水平探究设计，以提升整体探究水平。

3.1.4 教科版实验探究水平表征分析

教科版实验栏目较多，主要分布在“实验探究”“实验”“观察思考”“活动”“实验室”栏目。学生必做实验没有固定栏目，部分实验没有明确的实验名称，因此会使得实验目的环节缺失或者需要一定的引导活动来帮助学生确定探究任务。但教科版对实验“由浅入深”的设计特色明显，例如对光的折射的研究，首先是“在不同位置观察插入水中筷子的形状”，其后再进行光的折射现象规律的探究，递进式的认知设计能更有效地启发诱导学生深入理解物理概念和规律。类似的设计还有光的全反射、布朗运动等实验。

表2中的数据显示，教科版实验的“方案设计”“目的确定”“结论形成”“方案实施”四个环节的探究水平主要集中在控制性水平，相比于其他水平占比最高；有80.63%的实验未涉及“反思交流”环节，因此该环节主要集中于缺失水平。引导性水平在五个环节中也均有呈现，相较而言“方案实施”“反思交流”环节的引导性水平设计相对较好，分别占20.00%和15.00%。自主性水平仅在三个环节中有呈现，“方案实施”（35.63%）和“结论形成”（18.57%）环节中相对较高。五个环节均有缺失水平。因此，教科版中探究水平较好的环节为“方案实施”和“结论形成”，较低的是“目的确定”。

3.1.5 粤教版实验探究水平表征分析

粤教版教材主要的实验栏目有“实验与探究”“观察与思考”“实践与拓展”。学生必做实验大多分布在“实验与探究”栏目，同其他版本教材相似，必做实验的环节设计完整，目的、方案环节、结论的得出基本都被明确呈现。粤教版教材实验内容较丰富，数量在五版教材中最多（165个），教材对同一物理规律或知识的学习，不仅设计了引导性的探究实验，还设计了课后的自制实验活动，既是课堂实验的延伸，同时还增加了实验探究的深度，能更好地培养学生的创造性思维和能力。例如，“测量电源电动势和内阻”实验，既有课中的教材给定方案的探究实验，也有课后要求学生自主实践进行方案再设计的活动探究。类似的实验设计还体现在安培力、交变电流等的学习中。

表2中的数据表明，粤教版实验探究水平在前四个环节主要集中在控制性水平，尤其是“目的确定”“方案设计”环节中水平1占比高达88.48%、81.21%，“反思交流”环节在82.42%的实验中未出现，集中在缺失水平。引导性水平和自主性水平在五个环节中都有出现，但引导性水平主要呈现在“方案实施”环节（36.97%）。而自主性水平的呈现主要在“方案实施”环节（19.39%）和“结论形成”环节（16.97%）中。因此，教科版教材的“方案实施”环节的探究性水平较高，“目的确定”环节的探究性水平较低。

3.2 五版教材实验探究水平的比较

按照探究水平框架，缺失（水平0）和控制性水平（水平1）属于低层次的探究；引导性水平（水平2）和自主性水平（水平3）属于较高层次的探究，4个水平占比之和为1，某一环节较高水平的探究比例越高，其低水平的探究比例就越低，因而对不同教材探究水平比较时，仅对较高层次的探究水平进行对比。将表2中各环节水平2和水平3的表征占比相加，得到相应柱形图，如图1所示。

图1 五版教材实验较高探究水平占比比较

图1直观呈现了五版教材实验每一环节较高探究水平表征的占比。不同教材间各环节探究表征水平都存在差异，但也表现出一定的共性，即表征水平最好的环节都是“方案实施”，其次是“结论形成”，表征水平最低的是“目的确定”。

“目的确定”环节，各版教材多数实验的探究水平集中在控制性水平，占比最低的教科版也达到84.38%。相较而言，粤教版对较高探究水平的呈现稍好，其次为沪科教版（7.81%），人教版（2.52%）和教科版（1.88%）均稍低，鲁科版在较高的两个探究水平上没有呈现。

“方案设计”环节，各版教材多数实验的探究水平集中在控制性水平。沪科教版控制性水平比例最低，但依然有67.19%。相较而言，沪科教版的呈现最好，较高水平占比之和最高（30.47%），其次是粤教版、人教版、教科版和鲁科版。与“目的确定”环节相比，各版教材在“方案设计”环节中的探究水平的处理稍好一些，结合五版教材文本，对实验方案或步骤的处理，均是直接以文本呈现为主，较少关注到引导性和探究性活动的呈现，其探究水平仍需提高。

“方案实施”环节，与其他环节横向对比，各版教材实验在这个环节探究水平均是最高的，引导性水平和自主性水平占比之和均超过51%，沪科教版较高水平占比共计达66.41%，其次为鲁科版（58.65%）、粤教版（56.36%）、教科版（55.63%），人教版稍低（51.26%）。五版教材对该环节的探究水平处理均较好。

“结论形成”环节，各版教材实验探究水平主要集中在控制性水平。沪科教版对较高探究水平的呈现依然最好（水平2和水平3占比之和为46.10%），其次为教科版（30.00%），鲁科版（27.82%）和人教版（27.73%）比值相近，粤教版稍低（26.06%）。相对于前面三环节，该环节中缺失水平所占的比例较大。

“反思交流”环节，各版教材实验探究水平主要集中在缺失水平。各版教材对实验的设计一定程度上都较少关注到交流和反思活动，人教版缺失比例高达90.76%，沪科教版最低也有67.19%的缺失。比较各版教材的较高探究水平，沪科教版对“反思交流”环节的处理相对较好，人教版在该环节的探究水平表征较低。

综合以上分析，整体来看，沪科教版对实验探究环节的设计较全面，引导性水平和自主性水平占比最多，表征水平较高，其次为粤教版，鲁科版和教科版相当，人教版由于其反思交流环节缺失比例较高，控制水平的实验较多导致表征水平较低。

4 结论和建议

4.1 结论

各版教材对实验的呈现各有特点，但每版教材对各实验环节的呈现均有缺失。在实验各环节探究水平方面，五版教材表征水平最高的环节都是“方案实施”，其次是“结论形成”，表征水平最低的环节也均是“目的确定”。其中，“反思交流”环节主要集中在缺失水平，“目的确定”“方案设计”“结论形成”三个环节集中在控制性水平。

分析教材的整体探究水平，沪科教版的实验环节整体缺失比例较小，引导性水平和自主性水平的设计和表征较多，因而探究水平较高，其次为粤教版教材，鲁科版和教科版教材探究水平表征基本相当，较低的是人教版教材，主要是因为“反思交流”环节缺失比例较高，“方案设计”和“结论形成”环节控制性水平比例也高。

4.2 建议

完整呈现实验探究环节，以便有效开展实验探究活动。实验探究环节越完整，学生参与探究活动的机会和程度越大。

适当提高实验探究水平，灵活融入引导性和自主性探究活动。在现有的探究水平基础上适当提高实验探究的引导性和自主性，发挥教师的引导作用，给予学生较多的自主探究机会。

根据环节特点和学生认知能力实际，适时设计不同探究水平的实验。循序渐进，逐步提升探究水平，不能盲目追求实验的开放性和自主性。如在“目的确定”环节，引导性的探究水平更为合适，若完全由学生自主确定任务内容，可能存在目标偏差，导致后续探究活动失去意义。教材可适当减少完整内容的给出，尽量利用文字或图、表等引导学生进行实验活动，合理地为学生提供质疑与探究、反思与交流的机会，才能更好地发挥教材的支架作用。