美國AP物理探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)親歷與反思

王玉婷 邢紅軍

(首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院，北京 100048)

1 研究背景

AP課程(Advanced Placement Program)即美國大學(xué)先修課程，是由美國大學(xué)理事會(huì)(The College Board)提供的在高中教授的大學(xué)課程，AP物理課程是AP課程的一個(gè)重要組成部分.課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，推理能力和掌握必要的物理概念.筆者在美國加利福利亞州米拉蒙高中(MIRAMONGTE HIGH SCHOOL)實(shí)習(xí)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在AP物理課堂上，教師每周都會(huì)進(jìn)行兩類探究實(shí)驗(yàn)教學(xué).第一類探究實(shí)驗(yàn)是教師根據(jù)科學(xué)實(shí)踐目標(biāo)自行設(shè)計(jì)與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實(shí)驗(yàn)(教師的自由空間很大)，時(shí)長為40分鐘.第二類探究實(shí)驗(yàn)是AP物理課程規(guī)定的實(shí)驗(yàn)，時(shí)長為90分鐘.

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，所以科學(xué)探究能力的培養(yǎng)主要在探究實(shí)驗(yàn)中得以形成.科學(xué)探究作為我國物理核心素養(yǎng)維度之一，指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力.主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素.同樣的，《AP物理1和2探究實(shí)驗(yàn)指南》中，也明確要求教師要培養(yǎng)學(xué)生的七種科學(xué)探究能力，其中包括：陳述模型(陳述方法和運(yùn)用模型去交流科學(xué)現(xiàn)象與解決科學(xué)問題)、運(yùn)用數(shù)學(xué)(運(yùn)用合適的數(shù)學(xué)工具)、積極提問(在課堂中，積極提問，拓展思維，引導(dǎo)探究)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(對(duì)特點(diǎn)的科學(xué)問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)收集)、分析數(shù)據(jù)(進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行評(píng)估)、科學(xué)解釋(運(yùn)用科學(xué)解釋和理論知識(shí))、建立聯(lián)系(能夠?qū)⒏鞣N級(jí)別、各種概念和事物在科學(xué)內(nèi)或跨學(xué)科地聯(lián)系起來).通過對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)中國物理課程標(biāo)準(zhǔn)和美國AP物理課程關(guān)于科學(xué)探究能力的要求近乎一致，但是對(duì)于探究實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和考查形式卻南轅北轍.比如，有研究者把我國小學(xué)和初中課程改革的教訓(xùn)概括為“四個(gè)虛假”.即“虛假地自主”，“虛假地探究”、“虛假地合作”和“虛假地滲透”，彰顯出我國物理教學(xué)和美國物理教學(xué)對(duì)待科學(xué)探究截然不同的態(tài)度，值得我們深思.

有鑒于此，筆者試圖結(jié)合在美國加州高中的所見所聞，通過呈現(xiàn)兩種不同類型的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的原貌，嘗試尋找美國AP物理探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，以期為我國的中學(xué)物理探究實(shí)驗(yàn)提供有益的啟示.

2 美國AP物理課程的兩種探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)及其特點(diǎn)

2.1 第一類探究實(shí)驗(yàn)

《AP物理1和2探究實(shí)驗(yàn)指南》鼓勵(lì)老師根據(jù)科學(xué)實(shí)踐目標(biāo)自行設(shè)計(jì)與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實(shí)驗(yàn).第一類探究實(shí)驗(yàn)的目的是提供給學(xué)生一個(gè)科學(xué)探究的機(jī)會(huì)，以及用自主安全而有序的實(shí)驗(yàn)操作去運(yùn)用物理知識(shí).這類實(shí)驗(yàn)具有如下特點(diǎn).

(1) 培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí).在美國AP物理課堂上，教師更多的是采用傳統(tǒng)的講授法進(jìn)行物理知識(shí)傳授，學(xué)生合作意識(shí)的培養(yǎng)主要依靠物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).教師會(huì)提前一周給出實(shí)驗(yàn)題目和實(shí)驗(yàn)要求，將其傳送到學(xué)生的電子書包.學(xué)生自行選擇合作伙伴，查閱文獻(xiàn)、整理資料、共同研討實(shí)驗(yàn)步驟并完成實(shí)驗(yàn)作品.

(2) 鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力.《AP物理1和2探究實(shí)驗(yàn)指南》明確提出，探究實(shí)驗(yàn)是做出來的.所以，美國物理教師特別注重學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng).每一個(gè)實(shí)驗(yàn)作品都是由學(xué)生親自動(dòng)手設(shè)計(jì)，以“最大承重的小橋”為例，要求學(xué)生用牙簽和膠水制作小橋.

(3) 輕松有趣的探究氛圍.美國物理教師在自行設(shè)計(jì)與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，一直秉承著與生活緊密相關(guān)的理念，所以學(xué)生使用的實(shí)驗(yàn)材料都取材于生活中熟悉的物品.當(dāng)學(xué)生用親自設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)探究時(shí)，教師只是一個(gè)引路人，負(fù)責(zé)營造良好的探究氛圍.只有當(dāng)學(xué)生在探究中出現(xiàn)了很大的偏差時(shí)，教師才會(huì)及時(shí)提供幫助.

以“最大承重的小橋”的探究實(shí)驗(yàn)為例，探究分為教師活動(dòng)與學(xué)生活動(dòng).如表1，表2所示.

表1 教師活動(dòng)

表2 學(xué)生活動(dòng)

2.2 第二類探究實(shí)驗(yàn)

第二類探究實(shí)驗(yàn)指的是AP物理課程所規(guī)定的實(shí)驗(yàn)，一般以引導(dǎo)型和開放型為主.引導(dǎo)型實(shí)驗(yàn)由教師呈現(xiàn)問題，學(xué)生自行實(shí)驗(yàn).開放型實(shí)驗(yàn)由學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并自行實(shí)驗(yàn).相較于中國的物理探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)，此類實(shí)驗(yàn)具有如下特點(diǎn).

(1) 教師的準(zhǔn)備工作尤為充分.每次實(shí)驗(yàn)前，教師會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)將實(shí)驗(yàn)概覽傳送到學(xué)生的電子書包，長達(dá)10多頁，包括實(shí)驗(yàn)題目、主要挑戰(zhàn)、知識(shí)背景、社會(huì)應(yīng)用、探究類型、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、重點(diǎn)技能、實(shí)驗(yàn)儀器、用時(shí)建議、輔助欄目、準(zhǔn)備事項(xiàng)、安全事項(xiàng)等部分.筆者認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)概覽中的輔助欄目是美國物理教育濃墨重彩的一筆，雖然整個(gè)探究實(shí)驗(yàn)過程中都以學(xué)生為主體，教師看似若無其事，但是教師早已在課前把教學(xué)準(zhǔn)備工作做足.由于每個(gè)學(xué)生收集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)的處理方法各有差異，所以教師把學(xué)生可能用到的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法都羅列出來，由學(xué)生自行選擇.

(2) 不同的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)特定的科學(xué)探究能力.每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)各有側(cè)重，以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例，培養(yǎng)的能力包括：陳述和建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒚鞔_實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)關(guān)系或確定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驼`差分析.對(duì)于重點(diǎn)培養(yǎng)的科學(xué)探究能力，教師在課堂上會(huì)給予較多的關(guān)注與指導(dǎo).對(duì)于此部分的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師會(huì)格外認(rèn)真地批閱.

(3) 量化學(xué)生的科學(xué)探究能力.由于筆者全程跟隨一個(gè)著名物理教師全天實(shí)習(xí)，所以能親身感受到美國物理教育的真實(shí)面貌.美國物理教師給予學(xué)生很多的自由空間，然而這些自由空間全部都被形形色色的量表包裹得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，目的是確保學(xué)生達(dá)到了教學(xué)目標(biāo).為了評(píng)估學(xué)生的科學(xué)探究能力，教師有一套專門的評(píng)價(jià)量表，每一種科學(xué)探究能力都有四個(gè)層次.以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例，對(duì)于陳述和建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑u(píng)估，分為：熟練(創(chuàng)造了準(zhǔn)確和適當(dāng)?shù)膱D形代表加速度和合力以及加速度和質(zhì)量之間的關(guān)系)、近乎熟練(創(chuàng)造了正確的圖形來表示變量之間的關(guān)系，可能不能完全反映變量之間的關(guān)系)、在通往熟練地路上(創(chuàng)造了有缺陷或不完整的圖形來反映變量之間的關(guān)系)、一種嘗試(對(duì)于變量之間的關(guān)系，給出了不正確的圖形表示).教師會(huì)根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告給予評(píng)分.

以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例，探究分為教師活動(dòng)和學(xué)生活動(dòng).如表3，表4所示.

表3 教師活動(dòng)

續(xù)表

表4 學(xué)生活動(dòng)

3 研究與啟示

鑒于國情不同，中美兩國的物理教學(xué)方法必然體現(xiàn)出不同的文化制約性、文化適應(yīng)性和文化匹配性等，因此，我們不能盲目照搬美國的物理教育做法，然而對(duì)于域外優(yōu)秀教育經(jīng)驗(yàn)的有益借鑒與參照，則有著他山之石的作用.研究表明，美國AP物理探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有以下特點(diǎn)，值得我們借鑒.

3.1 “真”訓(xùn)練

在美國的高中物理課堂中，科學(xué)探究并沒有被“泛化”和“神化”.相較于國內(nèi)在課堂教學(xué)中把科學(xué)探究當(dāng)成生搬硬套的程序和模式，在一堂課有限的時(shí)間內(nèi)，面面俱到，七個(gè)要素一個(gè)不敢少，抑或是無論什么內(nèi)容都拿探究一番，從而導(dǎo)致探究的淺層化和庸俗化.美國的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常是把探究的一般過程和策略隱含于實(shí)驗(yàn)中，并沒有明確地向?qū)W生指出探究實(shí)驗(yàn)的一般步驟或方法，而是由學(xué)生自己去感悟與操作.例如，如何尋找最大承重小橋的探究實(shí)驗(yàn).盡管沒有給出明確的探究步驟，但是學(xué)生通過一次又一次地探索與嘗試，從而在無意識(shí)中形成了科學(xué)探究能力，并能夠遷移到一般問題的解決中.形式教育說主張，教學(xué)應(yīng)當(dāng)主要培養(yǎng)學(xué)生的能力，尤其是那些所謂的悟性或理性能力、思維能力、記憶能力等“形式”的東西，而不僅僅是傳授給學(xué)生多少事物的知識(shí).顯而易見，美國的AP物理探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)正是秉承著形式教育說的理念，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.在物理課堂教學(xué)中，美國教師一般只提供實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，探究實(shí)驗(yàn)是開放的，但又不是完全開放的，它為學(xué)生提供了腳手架—告訴學(xué)生要做什么，具體怎么做則由學(xué)生決定.兩人一組設(shè)計(jì)最大承重的小橋，以及三人一組討論《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》的實(shí)驗(yàn)，都可以有效地鍛煉學(xué)生的合作能力與表達(dá)能力.在《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)際值與測(cè)量值進(jìn)行比較，從而培養(yǎng)了學(xué)生誤差分析能力.美國教師對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力要求并不高，而是注重培養(yǎng)學(xué)生熟練使用軟件的能力，要求學(xué)生學(xué)會(huì)嫻熟地使用Excel、Google sheet等數(shù)據(jù)處理軟件.

3.2 “真”撰寫

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告是對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的總結(jié)，是交流實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、推廣實(shí)驗(yàn)成果的媒介和重要手段.因此，讓學(xué)生學(xué)會(huì)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告是培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊粋€(gè)重要途徑，有利于發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng).筆者以物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主題檢索，發(fā)現(xiàn)中國知網(wǎng)上只有76篇文章，說明國內(nèi)物理教育研究在一定程度上對(duì)于這一領(lǐng)域的重視程度不夠.美國教師非常注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫的規(guī)范性與完整性.一旦學(xué)生完成了一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，則要求撰寫一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告.實(shí)驗(yàn)報(bào)告采取評(píng)分制，在學(xué)年結(jié)束后，如果學(xué)生能展示自己所做的所有實(shí)驗(yàn)工作，學(xué)生可能會(huì)在一些大學(xué)獲得大學(xué)實(shí)驗(yàn)室課程的學(xué)分.因此，我們應(yīng)當(dāng)借鑒國外實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合具體國情，因地制宜地設(shè)計(jì)出適合國情的實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式，以便于更好地把握學(xué)生的學(xué)習(xí)過程.

3.3 “真”評(píng)價(jià)

在美國的AP物理探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，常常會(huì)呈現(xiàn)一番“熱熱鬧鬧、嘻嘻哈哈做實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景”，看到此情此景，心中不禁會(huì)有一個(gè)疑惑，這種情況會(huì)不會(huì)導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量大打折扣？事實(shí)并非如此.美國教師會(huì)對(duì)學(xué)生的課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行非常認(rèn)真的過程性評(píng)價(jià)，這是對(duì)學(xué)生行為的一種約束，評(píng)價(jià)量表如表5.

在學(xué)生上交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，教師不僅會(huì)評(píng)分，而且會(huì)對(duì)學(xué)生的科學(xué)用語以及實(shí)驗(yàn)思路等方面給予修正，幫助學(xué)生形成良好的探究素養(yǎng)和書面表達(dá)能力.過程性評(píng)價(jià)采用質(zhì)性評(píng)價(jià)在內(nèi)的多種評(píng)價(jià)方式，從學(xué)生本身、同伴伙伴、教師家長等不同角度獲得評(píng)價(jià)信息，深入到學(xué)習(xí)的不同方面和不同層次，從不同視角對(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)行描述和評(píng)價(jià)，這樣對(duì)學(xué)習(xí)質(zhì)量的評(píng)價(jià)更全面也更深入. 此外，過程性評(píng)價(jià)對(duì)教師的教學(xué)有較好的反饋?zhàn)饔茫u(píng)價(jià)過程與教學(xué)過程交互影響，利用評(píng)價(jià)的結(jié)果來診斷

教學(xué)中出現(xiàn)的問題，進(jìn)而改變教學(xué)導(dǎo)向.因此，我們應(yīng)該客觀而全面地看待在物理探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施過程性評(píng)價(jià)的優(yōu)勢(shì)，取其精華去其糟粕，為我國物理教育評(píng)價(jià)注入一種嶄新的思維方式.

表5 評(píng)價(jià)量表