物理演示實驗探究化結構要素的建構

顧江鴻 李春密

(1. 阜陽師范學院物理與電子工程學院,安徽 阜陽 236037； 2. 北京師范大學物理系,北京 100875)

物理演示實驗因具有現象直觀、內容新奇、形式多樣、取材方便、使用靈活、效果明顯等特點,深受學生、教師、物理教育研究者的青睞.我國各版本物理課程標準(或教學大綱)都重視演示實驗.2017年版高中物理課程標準把演示實驗作為探究,認為“演示實驗是師生共同探究物理問題的學習方式”,[1]把演示實驗教學視為探究,拓寬了演示實驗的教育功能.演示實驗為何能進行探究、如何在演示實驗中實施探究等是在理論和實踐兩方面亟待回答的問題.在演示實驗探究化研究中,我國物理教育工作者做過不少嘗試,如早在上世紀80年代林桐綽[2]就倡議把演示實驗改為探索性實驗;本世紀新課改后李春密研究團隊[3]提出主體性探究式演示實驗的教學策略等等.本研究將從實驗的內涵、科學哲學有關理論、課程標準的觀點分析演示實驗探究化的可行性,并嘗試把演示實驗探究化、建構探究化演示實驗結構要素,以期在理論和實踐層面重新認識演示實驗.

1 演示實驗探究化可行性分析

有人認為,實驗,特別是演示實驗只是教學手段、教學工具,是僅能為建立科學理論提供證據的教具.例如,“演示實驗只是一種輔助的教學形式,嚴格來說,只是一種直觀教具”.[4]而探究、探究式教學是個過程,包括提出問題、猜想與假設等環節.探究、探究式教學是個過程,而實驗、演示實驗是個物品.據此認為實驗、演示實驗不是探究.在這一觀念影響下,有人僅把實驗、演示實驗作為歸納某一種規律或概念,或者證偽某一種猜想假設提供直觀現象的手段、工具而已,作為探究、探究式教學的支撐手段.而在本質上,實驗、演示實驗也是探究,下面從探究的特征、探究的日常概念、探究的哲學內涵、以及實驗工具化的原因進行剖析.

1.1 探究基本特征:探究有程度強弱之分

科學探究既是指科學家研究自然界的過程,也是指學生經歷像科學家探究自然界過程一樣的學習過程.在教學中,探究是實現學習科學(learning science)、學習理解科學(learning about science)、做科學(dong science)3方面目標的有效方法.[5]在探究式教學的多個要素中,問題、證據、解釋、評價、交流等5個方面是探究的基本特征,根據這五個方面學習者自主參與的程度、教師和學習材料指導的程度可以判斷教學活動中探究性程度的強弱.[6]

1.2 實驗的日常概念:實驗本質上是探究

在《現代漢語辭典》(第7版)中,實驗作為動詞時是指“為了檢驗某種科學理論或假設而進行某種操作或從事某種活動”.實驗作為名詞時,是指“實驗的工作”.首先,這一解釋說明,不論是動詞還是名詞,實驗不僅僅是操作的物品或器材,更重要的是指過程或活動,過程和活動包括驗證新假說、形成新理論,和找出新證據、挑戰已有科學理論兩個階段.其次,作為活動和過程,實驗的結構是多層次的,既包括器材、工具等物化的東西,也包括設計研究方案、進行實驗操作、分析現象和數據、論證與評價、交流與合作等過程性要素.因此,日常生活中的實驗在本質上就是科學家從事科學研究的過程,即科學家探究的過程,它應當包含探究的要素或環節.

1.3 實驗的科學哲學概念:實驗是人類能動探究認知對象的實踐活動

“實驗是人們根據一定的研究目的,利用科學儀器,設備,人為地控制或模擬自然現象,使自然過程或生產過程以純粹的、典型的形式表現出來,以便在有利的條件下進行觀察和研究的一種方法”.[7]實驗是直接作用于研究對象,通過變革研究對象來認識自然的科學認識活動.科學實驗與生產實踐一樣,也是人類基本的社會實踐形式,是主體積極支配的對象-工具活動.實驗活動包括研究者及其活動,進行實驗的手段(工具、儀器、實驗裝置等),和實驗研究的客體3部分.實驗的這3部分內容包含探究的全部要素或環節.

1.4 課程標準:演示實驗是部分探究

美國國家研究理事會科學數學及技術教育中心在通過分析課堂探究的5個基本特征后認為,演示實驗也是探究,不過是“部分的探究活動”,[6]在演示實驗中學生沒有經歷提出問題環節,不是完全探究.2017年版高中物理課程標準認為“演示是師生共同探究物理問題的學習方式”,[1]肯定了演示實驗是探究,明確了演示實驗與探究的關系.但演示實驗這一探究活動是師生共同完成的,學生的主體性沒有充分展示出來,這一探究不是完全的探究,只是部分的探究.要想在演示實驗教學中實現完全的探究,不僅需要在實驗演示中讓學生經歷問題、證據、解釋、評價、交流等5個主要環節,還需要調動學生探究的主動性.

1.5 實驗工具化背后的哲學原因:忽視“實驗有其自己的生命”

有人把實驗僅作為教學手段、教學工具,這是把實驗工具化.實驗被工具化,一方面原因是科學教育目標的“衰減”,把學習科學、學習理解科學、做科學3方面目標“衰減”為科學知識學習目標;另一方面是忽視實驗的獨立性.加拿大科學哲學家伊恩·哈金(Ian Hacking)[8]在分析大量科學史料后發現,科學史常被描述為科學理論進化史;在傳統科學史中理論科學家為主角,而實驗科學家常常受到冷落、被忽視.哈金的“新實驗主義”(new experimentalism)提出“實驗有其自己的生命(experimentation has a life of its own)”,他認為實驗并不是依附于理論,它能“創造現象”,有其自身的獨立性,有自己的生命.“實驗有其自己的生命”提醒我們,物理不僅僅有概念、理論、公式組成的骨架,還應該包含由實驗、現象、生活中真實的物理情境構成的有生命的血肉;學習物理不是為了遠離生活的考試,而是為了培養時代所需要的實踐能力、為了塑造時代所需要的責任擔當.物理教學內容不僅僅只是物理概念,物理規律,理論等知識;還包括探究過程,物理方法,科學本質,和物理學發展、當代科技所面對的人文情懷等等.

總之,實驗、演示實驗符合科學探究的特征,在本質上是探究.如何拓展實驗、演示實驗的探究功能,使演示實驗像探究一樣讓學生經歷提出問題、猜想與假設、設計研究方案、進行實驗、收集數據、分析與論證、交流評估與反思等探究式教學的環節.這就需要把演示實驗探究化,把演示實驗作為過程,向演示活動的兩端延伸,恢復演示實驗應有的探究要素.

2 演示實驗探究化結構要素

實驗、演示實驗在本質上是探究.用探究定位演示實驗,這是對演示實驗的重新認識.這就需要用探究的理念反觀演示實驗,從探究的視角重新設計演示實驗教學,把演示實驗探究化.演示實驗探究化不僅能拓寬演示實驗的教育功能,而且能促進演示實驗、探究式教學的發展.下面從演示實驗探究化的含義、要素、結構、流程等方面對其結構要素進行展示.

2.1 演示實驗探究化的含義

演示實驗探究化是結合演示實驗的特點,根據探究式教學的理念,把演示實驗的教學流程、教學結構向探究的起點、終點延伸,向探究式教學改造,尋找具有演示實驗特色的探究式教學模式,使演示實驗具有探究式教學的主要特征,讓學生在概念轉變的同時,也經歷科學探究的過程.這一改變不僅能重新認識演示實驗,發揮演示實驗應有的作用;而且能促進演示實驗教學在理論和實踐層面的提升;還能促進探究式教學的應用和推廣.

2.2 探究化演示實驗的7個要素

經過多年的研究,美國國家研究理事會2012年發布了《K-12科學教育框架:實踐、跨學科概念、核心概念》(A Framework for K-12 Science Education: Pratice, Crosscutting Concepts,and Core Idea)一書;[9]同樣在我國,在總結十幾年教學實踐的基礎上,教育部頒布了2017年版高中物理課程標準.[1]根據以上兩份文件中科學探究的要素或環節,已有演示實驗教學策略中的預測、觀察、解釋等環節,[10，11]以及基于立德樹人,培養以物理理念、科學思維、科學探究、科學態度與責任的物理核心素養新理念,把演示實驗探究化的結構要素概括為情境與問題、預測與觀察、現象與數據、結果與證據、論證與結論、解釋與交流、評估與反思等7個方面.

2.3 探究化演示實驗的結構

探究化演示實驗的結構要素如圖1所示.在圖1中最下面是指學生的日常經驗、前概念和已有的科學概念,這是學生學習的起點,也是教師進行教學的起點和立足點.最上面是科學事實、科學概念,是教學的終點,是認知領域的目標.在這上下兩者之間是學生從前概念到科學概念轉變所經歷的探究過程.在探究過程的兩側是交流,這表示探究的過程是在師生、生生、小組,或全班充分交流的環境中進行的.

圖1 探究化演示實驗要素結構圖

2.4 探究化演示實驗的教學流程

探究化演示實驗的大致流程如下：教師根據學生的日常經驗、前概念和已有科學知識,設計實驗方案、選擇或制作教具、設計教學流程.上課時,教師創設物理教學情境,在教學情境中教師引導學生提出問題.教師介紹實驗器材和演示的內容,學生根據自己的日常經驗和已有的認知預測實驗現象,并在小組和全班進行交流.教師演示實驗,學生觀察,教師引導學生觀察記錄現象和數據.對實驗的現象和數據進行分析.由實驗分析得出實驗結果,結果與學生已有的其他證據一起通過論證得出實驗結論.如果在對探究過程進行評估和反思時發現新的問題,或者證據不足,探究就需回到起點開始新的探究.得出結論后,用新結論對學生的日常經驗,前概念進行解釋.論證、評估與反思不僅在由結果證據到結論階段需要,在實驗的所有階段都需要,所以在圖1中,論證、評估與反思指向實驗的所有要素.

3 演示實驗探究化的思考

演示實驗探究化是一系統工程,其復雜性一方面體現在探究化演示實驗的教學環節多,探究化演示實驗涉及到探究和演示實驗兩個教學方法的所有要素.另一方面體現在在探究化演示實驗教學時,需正確理解探究化演示實驗的內涵與外延,正確使用探究式教學的策略和方法等等.下面重點從如何看待探究化演示實驗、學生前概念、情境創設、結果與結論、論證等幾點進行討論.

3.1 需正視探究化演示實驗的局限

探究化演示實驗是把演示實驗探究化,利用探究來拓展演示實驗的教學功能,在不具備學生“動手”的條件下,實現學生“動腦”,讓學生經歷探究的過程.需正視的是探究化演示實驗畢竟是改良版的演示實驗,在實際教學中是教師代替學生“動手”;而探究是學生既“動腦”,又“動手”的過程,學生“動手”除了能提高學生的參與性、提高學生的操作思維能力外,還與STEM教育、工程技術教育培養學生實踐能力與創新精神有共通之處.因此,在演示實驗教學中盡量體現探究的同時,還應該盡量創造條件開展探究式教學.演示實驗探究化是在實驗器材、班級人數、場地等條件不足的情況下的改良措施,教師可以采用讓學生在課后自制學具的方式來彌補學生動手操作的短板.例如,在彈性碰撞教學中教師演示碰撞球裝置,課后可以組織學生用玻璃球自制碰撞球,也可以讓學生用硬幣代替球進行碰撞實驗操作和拓展研究.

3.2 教師把握學生前概念的準確度是衡量探究化的標準

演示實驗與探究式教學的區別除了學生不能在課堂上親自“動手”操作器材外,再一點是在演示實驗中,研究方案是教師事先設計、教具是教師事先選定的.而在探究式教學中,研究方案是學生自己設計完成的,也就是“動腦”過程.教師只有對學生前概念把握得越細致、越全面,才能更周密地安排演示內容,才能更精準地預設學生可能的預測,才能有效提高學生探究的欲望和效果,才能達到學生“動腦”的效果.如在經典的微小形變放大實驗中,[12]當擠壓橢圓形玻璃瓶學生看到液柱上升,用鐵制品敲擊玻璃瓶發聲,打消學生懷疑“瓶子是玻璃的”這一疑慮;然后再從長軸擠壓玻璃瓶使液柱下降,糾正學生認為形變是由于“熱脹冷縮”產生的錯誤想法.這一經典的演示實驗之所以能流傳下來,其精髓就在于實驗設計者精準把握到學生關于微小形變的前概念.要使教師事先準備的設計比學生需要的設計還準確.這不僅需要教師的教學經驗,更需要教師的教學智慧.

3.3 創設“真”物理情境

2017年課程標準提出,物理概念的建立、物理規律的探究、應用知識解決問題應結合實際情境.[13]在探究化演示實驗中,情境的設置對問題的提出也非常重要,問題的提出分學生自己提出、教師啟發下學生提出、教師提出等不同層次.只有當教師根據學生的前概念,認知水平,利用學生感興趣的情境設定未知的、矛盾的場景時,學生才可能自己提出問題,使探究引向深層次的“動腦”階段.在情境創設時,情境需是“真”物理情境,“真情境”才能把學生的情感與認知活動有機結合起來,讓物理符號學習與生活連接,讓情感伴隨認知活動,調動學生的學習主動性,用情感激發學習的內驅力.物理真情境應該與學生生活緊密相聯系的,是學生生活中有用的場景.

在一次大學三年級物理學專業《物理教學論》考試中有道題目,要求學生利用電梯設計物理計算題.在答卷中發現很多常識性的錯誤,如一個同學的題目是這樣的,“家住20層的溫馨坐電梯下樓.電梯以10m/s2加速度向下,20s后到達底層,求小明家高多少米?”.這道題目從物理的角度分析問題不大,但是從生活常識來看,有很大問題.誰家的電梯以重力加速度下降,這種電梯坐上去就是跳樓自殺呀!如果以題目給出的加速度,電梯20s到達地面,電梯運行了2000 m,2 km高的樓房,這看來是來自外星球的高樓.這說明物理學習已經遠離了學生的個人生活,學習物理除了應付考試外,對學生個人而言還能剩下什么?浙江省實施新高考后，選物理的學生驟減,甚至家長、老師勸學生棄選物理,物理教育工作者對此扼腕嘆息,但其中的原因在此也可以找到蛛絲馬跡.

3.4 正確區分結果與結論

在實驗中,結果與結論是不同的,結果是指實驗現象與數據的分析,結論是從推理的前提中推論出來的判斷.結果是客觀,結論有主觀的因素.例如,把一張紙對折,裁成大小、形狀相同的紙片,把其中一片揉成紙團.讓紙團和紙片從相同高度落下,紙團比紙片先落地.紙團比紙片先落地就是實驗結果.通過受力分析,得出空氣阻礙了紙片的下落;進而得出如果物體不受空氣阻力,不同物體下落的速度將是相同的,這是實驗的結論.但在實際教學中,特別是在職前教師的實習中,他們經常混淆結果與結論,由實驗演示直接得出結論,而忽視論證分析過程.如在覆杯實驗中,在演示杯子翻轉過來,塑料片沒有掉下來以后,實習生就直接說,是大氣壓力作用在塑料片上.大氣壓是存在的,但不是僅憑觀察現象就能看出來的,還需要由結果到結論的分析論證過程.

3.5 重視探究中的論證

學生的學習過程是概念轉變的過程,在學習之前,學生已根據自己的生活經驗形成自己的認知結構,能合理地解釋自己的生活經驗,在課堂上,當教師演示的現象與學生的預測不一致時,學生的認知發生沖突,根據喬治·波斯納(George Posner)提出的概念轉變理論,學生的認知將發生改變.但大量教學實踐表明,即使學生的認知發生沖突,學生的認知也未必發生改變.這就需要教師利用社會建構有關策略,組織學生在演示實驗教學的不同環節,以個人、小組、全班等不同形式進行論證、交流、評價,這樣才能實現概念轉變.目前,科學探究中的論證(Agumentation)已引起我國科學教育界的關注,我國學者已把操作性較強的ADI和PCRR兩種論證模型介紹到我國,這將推進科學論證在我國的研究與應用.[14]

本研究利用實驗的內涵和科學哲學對實驗的理解,分析了演示實驗探究化的充分性,在此基礎上,提出了演示實驗探究化觀點,探究化演示實驗的結構要素和對演示實驗探究化實踐的思考.演示實驗探究化是拓展演示實驗教育功能的新路徑、規范演示實驗流程的新思路,它將提高演示實驗的教學效果,促進探究式教學的開展,同時對規范職前教師實驗教學能力的培養提供了新的方向.本研究對演示實驗探究化在理論層面進行了深入的探討,并在實踐層面進行思考,但仍需在實踐中具體化、細化.另外,職前教師、一線教師演示實驗探究化能力的培養、培訓還需要在實踐層面積淀和反思.