實證研究的魅力

摘要：介紹了一則國外對探究性實驗與學生能力發展之間關系的研究案例，分析了國外科學教育研究中常見的實證研究過程、數據處理和研究特點。

關鍵詞：實證研究；實驗探究；學生思維

文章編號：1005–6629（2013）12–0074–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

課程改革帶來了教材、教法的一系列變化，現在的化學教材更加注意學材化，課堂教學更關注探究性，探究性實驗和探究性教學也成為現代教育教學中耳熟能詳的詞了。然而，課堂教學中先讓學生思考要研究的問題，然后再分組實驗，觀察實驗現象，進而提出假設、解釋以及需要進一步研究的問題，這樣一種用實驗探究來引導化學學習的方式是否有其根據？與驗證性實驗相比，探究性實驗是否更有利于學生能力的培養？又能夠培養學生怎樣的能力？對于這些問題，教師有著怎樣的思考與認識呢？

筆者在中國基礎教育全文數據庫中以“探究實驗”為檢索詞，以“題名、關鍵詞和摘要”為檢索項，共搜索到28414篇文獻。選擇高中學段不同學科教師的16篇文章作為研究對象進行分析，發現這些文章更多重視的是探究性教學的案例分析。文章往往首先分析自己的教學案例，一般介紹了課堂教學中探究性實驗設計、教師的引導思維的問題設計、學生在探究過程中生成性的問題以及處理方法和結果、師生間對于實驗的進一步交流與討論。在案例分析的基礎上，文章往往指出探究性實驗激發了學生的“學習興趣和求知欲”，培養了學生的“實踐能力”與“創新精神”，提高了學生“分析問題和解決問題的能力”，有助于學生初步形成“科學的態度和價值觀”。

這些研究從教師在課堂教學實際出發進行研究，將自己積累的教學知識、智慧形成了直覺化的觀念，非常值得肯定。然而，認真思考也會發現，這些研究往往主觀性較強，研究結論的得出缺乏明確有力的證據鏈條與實證支撐，未能揭示出探究性實驗教學與學生能力發展之間最直接明了的因果關系。因此，進一步運用客觀的研究方法來檢驗探究性實驗對于學生學習以及能力發展的作用，將實證研究與教學事實、教學常識和教育原則相聯系[1]，這應該成為目前國內科學教育研究值得關注的問題。

他山之石，可以攻玉。以色列教育者的研究“通過化學探究性實驗發展學生提出更多更有價值的問題的能力”（Developing Students’Ability to Ask More and Better Questions Resulting from Inquiry-Type Chemistry Laboratories）[2]，為上述問題提供了一個有力的證據和結果。研究者選擇平行班級建立實驗班和對照班，用了兩年時間開展實驗，測量實驗結果，并分析得出其研究結論。

1 研究的過程

研究者希望研究探究性實驗與學生能力發展之間的關系，他們首先針對“在實驗室和從實驗室中學習”（Learning in and from Science Laboratories）這樣一個主題查閱了大量的文獻資料，重點分析了兩個層面的內容：實驗教學如何促進學生的能力發展，學生針對科學現象提出問題的能力。在此基礎上，研究者確定了兩個具體的研究目標，一是研究高中學生是否能夠通過化學探究性實驗發展了提出問題尤其是探究性問題的能力；二是研究高中化學實驗教學中形成的提出問題的能力能否遷移至其他學習情境中。

然后，研究者分析了11到12年級化學課程中的實驗，通過對一個具體實驗的兩種不同方案的比較，指出常規的“菜單式”實驗與探究性實驗在實施過程中的差異，概括出了探究性實驗經歷的一般步驟。接下來研究者確定研究對象為12年級（年齡為17～18歲）的六個班級的高中學生，其中實驗班共55人，對照班共56人。研究過程中兩班學生使用同樣的化學教科書，完成同樣的教學內容，只是完成實驗的方式不同。研究的過程如圖1所示。

在實施研究的過程中，實驗班以探究性實驗展開學習，實驗過程較開放，學生經歷了產生問題、提出假設、選擇問題開始探究、設計實驗、動手操作、觀察分析和得出結論整個實驗研究的過程。對照班則在教學任務完成后到實驗室完成驗證性實驗，實驗是根據給定的步驟完成，提供的探究機會很少，實驗的開放性不強。除了完成化學實驗的方式不同，兩個班學生其他學習條件如教師的專業水平、學生實驗學習情況的定期評估以及實驗時間與實驗設備等都基本相同。兩年來，兩班學生分別以不同方式完成了15個化學實驗。在學生參加的化學測試中，實驗班與對照班的成績基本相同，無顯著差異。所以研究表明，探究性實驗并沒有增加學生的學業成績。

接下來，研究者開發了實踐性測試和批判性閱讀這兩種測量工具，用以比較兩班學生在新實驗情境中和批判性閱讀科普文章時的科學思維水平以及提出更多更好問題的能力。在實踐性測試中，研究者給兩班學生一個相同的新實驗情境，讓其完成一個雖簡單但陌生的實驗，然后根據觀察到的實驗現象提出若干問題，以評估學生在平時探究性實驗教學過程中培養出的能力。在批判性閱讀測試中，研究者讓兩班學生閱讀介紹化學前沿知識的文獻，然后提出若干問題并要求學生根據文獻加以回答，以評估學生在平時的探究性實驗中所培養的能力的遷移效果。

對于探究性實驗與學生能力發展之間的關系，普通的紙筆測試無法測量。研究的關鍵在于測量工具的開發與使用，下面對其進行重點分析。

2 測量工具

根據文獻研究，研究者認為，探究性實驗能夠發展學生提出問題的能力，這種能力既體現在提出問題的數量上，也體現在提出問題的質量上；同時，學習者從探究性實驗學習中發展而來的能力能夠遷移至其他的學習環境中。為此，研究者開發了實踐性測試與批判性閱讀兩個測量工具。

2.1 實踐性測試

實踐性測試要求學生將兩種未知粉末（檸檬酸若干和小蘇打10 g）放于塑料袋中，混合兩種固體。再向小試管中加入10 mL水，也將其放入塑料袋中（不能使固體與水接觸）。然后在塑料袋中插入溫度計，扎緊袋口，倒置試管，使水與固體混合。實驗由3人合作完成，在實驗過程中學生觀察到袋子鼓起，混合后體系的溫度降低。研究者要求學生觀察并記錄這些現象，并根據記錄做出自己的分析和假設。實驗結束后每個學生獨立完成一份問卷，根據實驗現象提出自己的問題，對可能的原因進行假設與猜想，最后選出一個自己認為最值得研究的問題。下面是學生需要完成的問卷：

實驗過程中記錄你所觀察到的現象。完成實驗后，回答下列問題：

（1）做完實驗后，你產生了哪些問題？

（2）選擇一個問題幫助你繼續探究。

（3）你為什么選擇了這個問題？

（4）你認為該問題的答案可能是什么？

（5）設計一個實驗來證明你的假設是正確的，將每個實驗步驟寫清楚。

2.2 批判性閱讀

在批判性閱讀測試中，研究者選擇了一篇與應用技術相關的化學邊緣領域的文獻，然后按照高中學生的閱讀能力和化學知識背景進行簡化。研究者認為學生對這樣的文章較感興趣，愿意閱讀并配合實驗，能夠增加測試結果的信度。在學生閱讀完畢后需要回答八個問題，而其中實際有效并最終統計的只是最后兩個問題，這樣學生并不清楚研究者的意圖，避免其在答題時更多考慮教師可能預期的結果，增加了研究的可信度。研究者選擇并改寫后的文獻如下：

一氧化氮分子既出現于神經系統，又能夠防止感染、調節血壓，還是控制血液流向不同器官的“門衛”。人的一生中體內都存在一氧化氮，但其存在壽命極短，僅有幾秒鐘。因而，在低濃度下直接監測一氧化氮非常困難。科學家發明了一種新的電子傳感器，用于在室溫下監測生物體內的一氧化氮。它的工作程序是這樣的：監測器的表面涂有某種有機物，該有機物與半導體材料鎵砷合金相連，當一氧化氮附著于監測器的表面時，有機物與一氧化氮結合，使合金表面產生變化，引起半導體材料中電流的變化，從而被監測器感知。

……

（1）根據文中描述，說明什么是電阻器，什么是半導體。

（2）概括出文章的主要內容。

（3）研究者通過測量哪個物理量完成對一氧化氮的監測？

（4）若將一氧化氮通入溶液，圖像會發生什么變化？

（5）圖中何處表示實驗的結果？

（6）文中哪些科學概念是你不熟悉的？

（7）寫出你讀完文章所產生的所有疑問。

（8）在上述你列舉的問題中，如果讓你進一步展開研究，你最想研究的是哪一個？

3 數據處理和結論

研究者對實踐性測試和批判性閱讀的結果進行統計與分析，采用了定量分析和定性分析的方法。定量分析是統計每個學生提出問題的數目，以及在這些問題中屬于高水平層次的有多少，低水平層次的有多少。而定性分析則研究學生選擇用以進一步探究的問題的層次性。對學生所提出的問題所屬層次性的評估，是由四位教育專家及經驗豐富的教師組成專家組進行。少數問題專家組無法達成共識究竟屬于哪一層次，則不計入統計數據。研究者用列表法和圖示法表示其數據統計結果。

3.1 實踐性測試的結果與分析

實踐性測試中研究者發現，在低層次問題的數量上，兩班學生無明顯差別；而在高層次問題上，兩班學生的差別則極為顯著。實驗班共提出了123個高層次問題，而對照班僅提出了18個。高層次問題上的差異證明了研究假設，在分析低層次問題數量無明顯差異的原因時，研究者認為可能是由于問卷要求學生列舉出腦中出現的所有問題。

對于“提出準備進一步探究的問題”的分析發現，兩班學生的差別也非常顯著。對照班學生中有相當數量的學生沒有回答，即使做出回答，答案中也有很多是不適合進一步探究的低層次問題。例如：袋子為什么會鼓起來？白色固體是什么？而實驗班學生往往能夠選擇具有一兩個變量值得深入探究的問題。例如：兩種固體的用量對最終溫度的變化有何影響？用其他液體代替水進行實驗會產生怎樣的效果？

研究者同時還發現，兩班學生對待任務的態度也有較大差異。實驗班的學生花費了更多的精力和時間，幾乎所有學生填寫了所有項目。相比之下，在“進一步探究的問題”、“提出假設”和“設計新的實驗”這些問題上，對照班中有一些學生沒有填寫。

3.2 批判性閱讀的結果與分析

在批判性閱讀測試中，針對“寫出你讀完文章所產生的所有疑問”這一要求，實驗班共提出196個問題。研究者對這些問題進行分類后發現，共有117種不同的問題。在這117種問題中，又有88.3%屬于高層次問題。例如：在其他溫度下該實驗效果如何？該裝置能否用以測量高濃度的一氧化氮？如何才能使裝置進入到人體內？該裝置能否用來監測其他氣體？相比之下，對照班共提出了27個問題，研究者對這些問題進行分類，發現共有23種不同問題，其中64%為低層次問題，例如：該裝置是監測什么氣體的？電流是如何被記錄下來的？

因此，在批判性閱讀測試中，兩班學生在提出問題的數量與質量上也表現出了顯著差異，實驗班提出的問題數量和質量均優于對照班。

3.3 研究結論

根據對實驗統計數據的分析，研究者得出結論：探究性實驗發展了學生研究問題的能力和習慣，鍛煉和提高了學生的思維與實踐能力，這些能力能夠遷移至其他學習環境中。研究者認為，出現這種差異的原因在于，實驗班平時經歷了探究性實驗過程，從而學會了科學研究的一般思路與方法。

4 啟發與反思

探究性學習與探究性實驗是現今教育領域耳熟能詳的詞語，無論是教育專家還是一線教師，都認為探究性實驗更能培養學生的能力，都提倡教師應該用探究的方式在課堂上呈現化學知識，學生也應該用探究的方式學習化學內容。然而，探究性學習究竟發展了學生怎樣的能力？學生的科學研究能力是否通過探究性實驗得到提高？要研究這樣的問題并不容易?？v觀該研究的整個過程，研究者在文獻綜述的基礎上提出研究假設，將學生思維能力具體化為“提出更多更有價值的問題”，將學生的科學研究能力定量化，成為可以用來統計與分析的結果。設計并開發出恰當的測量工具，對實驗結果進行定性和定量的分析，通過實證研究探討了一個具體的教育教學問題。

實證的意識、規范的思路、科學的方法，這個研究給了廣大教師很好的啟示。教育教學理論的證實與豐富需要實證研究的支撐，希望更多教師在自己的教育教學實踐研究中學習與借鑒這樣的研究方法，用實驗和數據為各種有效教學的原則以及具體的教學方案和教學實踐提供更加有力的證據。

參考文獻：

[1][美]羅伯特·斯萊文著.姚梅林等譯.教育心理學 理論與實踐[M].北京：人民郵電出版社，2004：10.

[2] Avi Hofstein， Oshrit Navon， Mira Kipnis， Rachel MamlokNaaman. Developing Students’ Ability to Ask More and Better Questions Resulting from Inquiry-Type Chemistry Laboratories [J]. Journal of Research In Science Teaching，2005，VOL.42，（NO.7）：791～806.