基于科學探究素養(yǎng)的學生分組實驗教學過程探討

張國平

(安吉縣高級中學，浙江 安吉 313300)

《普通高中物理課程標準》[1]提出的科學探究素養(yǎng)包括問題、證據、解釋和交流四大要素，該四大要素之間存在內在聯(lián)系，即某一個要素的提升會促進其他要素的提升，同樣某一個要素的欠缺也會制約其他要素的培養(yǎng)[2-4].比如對于問題要素，如果學生在實驗過程中能帶著問題進行實驗，那么問題要素對于實驗證據要素和解釋要素的培養(yǎng)有著內在的推動作用；同樣，學生在實驗交流中可以對實驗過程進行反思，并在交流過程中分享不同的實驗心得.該過程對其他要素的培養(yǎng)也能夠起到促進作用.所以完整的、有效的分組實驗教學過程有利于學生實驗素養(yǎng)的全面提升.

1 實驗教學過程

由于實驗筆試考試不易對問題要素和交流要素進行考察，且在傳統(tǒng)分組實驗教學過程中，教師通常直接向學生拋出要探究的問題，并通過講解實驗原理和操作步驟，要求學生明確實驗目的，并按照教師講的操作步驟和注意事項進行實驗操作，記錄實驗數據，完成實驗內容.學生在傳統(tǒng)的分組實驗學習中，做題和聽教師講授占據了過多的時間，從而導致實驗操作的時間過少.

隨著新課標和新教材的推進，教師開始重視學生分組實驗教學，但限于時間和傳統(tǒng)的教學習慣，教師很容易回到以講代做的老路上.為此，本文在實踐的基礎上對學生分組實驗教學過程進行了探究，如圖1所示.分組實驗教學的每一步驟都相互關聯(lián)，彼此制約.因此，只有對每一過程都足夠重視，才能全面提升學生的實驗素養(yǎng).

圖1 分組實驗教學過程的流程圖

2 實驗教學過程闡述

實驗教學過程可分為實驗情境與問題、實驗設計與論證、實驗操作與展評、實驗數據記錄與分析以及實驗報告與反思.下面針對這幾個過程分別進行闡述.

2.1 實驗情境與問題

根據布魯納的發(fā)現學習理論[5]，學生的學習過程是：依據情境信息自主發(fā)展和提出探究性問題，并通過積極交換與組織信息內化為自己認知的過程.在具體的學生分組實驗教學中，學生可提出的問題為：需要探究什么(包括實驗目的表述的探究性問題和學生自我生成的拓展性問題)，設置怎樣的實驗平臺去探究，需要研究哪些物理量，用什么器材去探究，如何探究，等等.學生素養(yǎng)的層次不同，提出的問題也有所不同，比如有的學生提不出問題，有的學生提出的問題較為淺顯和生活化，有的學生提出的問題比較籠統(tǒng)，而有的學生則能結合物理知識提出探究性問題，并根據問題做出猜想和假設.學生提問的水平與自身的物理知識儲備、科學思維方法及探究能力等科學素養(yǎng)有關.學生在提問的過程中也能促進其自身科學素養(yǎng)的提升，二者相輔相成.

在具體教學實踐中，實驗前，教師可以利用短視頻、紙質材料等讓學生獨立預習，并讓學生以紙質稿的形式提交預習過程中提出的相關問題.對于學生提出的問題，教師需給予肯定，并對一些典型問題進行點評，從而進一步引導學生思考問題.對于在教學中難以實現或沒有足夠時間實現的問題，教師可以引導學生在課后進行探究.而對于不同類型的實驗，教師對學生的引導方式以及需要創(chuàng)設的實驗情境也有所不同，比如：

1)對于未明確給出具體問題的探究型實驗，教師可以通過創(chuàng)設貼近于生活的實驗情境，引導學生在實驗過程中主動提出探究性問題.如在“探究加速度與力和質量的關系”實驗中，教師可以在實驗前創(chuàng)設改裝車(改變車的外形，減輕車的質量，改用更大功率的發(fā)動機)賽車比賽情境，引導學生通過具體的實驗現象探究加速度與哪些物理量有關.

2)對于已明確給出具體問題的驗證型實驗，教師可通過展示不同的實驗器材，引導學生思考和設計實驗方案，進而完成實驗內容.如在“驗證機械能守恒定律”實驗中，教師給出打點計時器、小車、重錘、小鐵球、鉤碼、鐵架臺、軌道、紙帶、天平等器材，引導學生提出以下問題：在怎樣的具體實驗情境中機械能會守恒，可測量哪些物理量來驗證機械能守恒，選取哪個物理過程來驗證機械能守恒，如何測量動能和重力勢能的改變，等等.

愛因斯坦曾說提出問題比解決問題更重要，因此教師要為學生創(chuàng)造提問的機會，培養(yǎng)學生的提問意識和提問能力.

2.2 實驗設計與論證

實驗設計與論證是學生進行實驗的“內燃機”，這個環(huán)節(jié)能夠使學生對實驗內容充分理解，并激發(fā)學生的創(chuàng)造力.在傳統(tǒng)的實驗教學中，這一環(huán)節(jié)往往被教師的講解所替代，導致學生處于被動的識記式學習狀態(tài)，從而錯失了培養(yǎng)學生質疑、創(chuàng)新等多種科學素養(yǎng)的機會.

在實驗教學實踐中，由于課堂時間有限，教師可將實驗設計環(huán)節(jié)放到課前，要求學生以紙質稿形式獨立完成.為了幫助學生增強實驗設計的能力，教師可制作實驗設計表格引導學生進行實驗設計.以“驗證機械能守恒定律”為例，實驗設計方案如表1所示，表1可引導學生寫出實驗器材，畫出實驗裝置簡圖，確定待測物理量及測量方法，設計數據記錄表格，探討數據分析方法等.

表1 實驗設計方案

在教學實踐中，大部分學生在表格的提示和教師的要求下都能認真地完成實驗設計方案，如圖2和圖3所示.雖然學生設計的實驗方案大多比較粗糙，設計的實驗環(huán)節(jié)也不完整，但總體來看，該環(huán)節(jié)讓學生對實驗有了較深入的思考，對實驗儀器的使用、實驗原理、實驗方法、實驗步驟以及實驗數據記錄與分析等都有了自己的認識和理解，呈現的設計表格也給學生帶來了成就感和完成實驗的期待感.在實驗設計的過程中，學生會產生很多問題和想法，帶著這些問題和想法進行實驗能夠更好地促進學生科學探究素養(yǎng)的培養(yǎng).

圖2 實驗方案1

圖3 實驗方案2

對于學生的實驗設計方案，教師要認真審閱并給出書面點評(簡短的鼓勵或建議).由于課堂教學時間有限，教師可只挑選部分典型的設計方案進行交流論證.在交流論證的環(huán)節(jié)中，教師可事先讓學生以錄制短視頻的方式對自己的設計方案進行介紹，也可以讓學生在課堂上現場介紹，由其他同學進行點評，圖4是學生錄制的“測定玻璃的折射率”實驗設計方案的展示.教師根據學生的展示和交流點評進行實時引導，舍棄不能實現的方案，鼓勵學生對受實驗室條件限制的方案進行課外拓展，修正不合理的方案，最終對實驗室或課堂上能夠實現的方案進行重點論證和完善.此外，教師還要在論證的基礎上進行總結，并幫助學生明確實驗目的、原理、步驟和注意事項等.經過這些過程，學生能更好地掌握實驗原理和方法，拓展實驗思路，也能解答自己設計實驗方案時的疑惑，同時還會留下一些適合學生課外探究的問題.

(a)學生實驗方案 (b)學生交流展示

2.3 實驗操作與展評

實驗操作是培養(yǎng)學生使用基本實驗器材，正確讀取實驗數據，規(guī)范實驗操作，細心、客觀地觀察實驗現象等證據素養(yǎng)的主要途徑.在實驗操作過程中，教師利用生成資源進行反饋教學，有利于培養(yǎng)學生的證據素養(yǎng).

學生在實驗設計和論證之后，對實驗目的、原理、器材、方案等都有了深入的思考和理解，并能夠順利完成實驗內容，但在操作的細節(jié)、規(guī)范性以及如何減小實驗誤差等方面還有很多不足.在實踐教學中，教師可先讓學生根據實驗設計方案進行體驗性操作，采用手機視頻或拍照的方式記錄學生的不規(guī)范操作，并及時用多媒體展示，提示學生實驗操作的規(guī)范性問題和注意事項.

另外，對于需要進一步思考或者改進的實驗內容可以延伸到課外進行.例如在“測玻璃磚折射率”的實驗中，學生出現如圖5中操作不規(guī)范的問題時，教師可以在實驗過程中及時糾正；當學生出現如圖6中影響實驗誤差的操作時，教師要及時指出，并與學生進行交流討論，引導學生思考改進的方法.

(a)手直接拿取玻璃磚 (b)圓釘代替大頭針 (c)直接用筆靠著玻璃磚畫線

(a)大頭針間距過近 (b)大頭針歪斜 (c)入射角過小

2.4 實驗數據記錄與分析

實驗數據記錄與分析是證據和解釋素養(yǎng)形成的重要過程，也是學生實驗操作與理論結合的重要環(huán)節(jié).在具體實驗教學中，學生存在以下問題：

1)實驗數據缺失.

2)實驗數據與實驗過程對應混淆.

3)實驗數據記錄不規(guī)范.

4)數據處理不規(guī)范.

5)缺少嚴謹的科學探究精神和質疑精神.

在教學實踐中，采用如圖7所示過程進行教學嘗試，取得了較好的效果.在實驗設計中，教師要求學生做好記錄表格，根據表格記錄實驗數據，并通過小組互查的方式檢查數據的合理性.如發(fā)現實驗數據不合理，檢查小組可提出整改建議，實驗小組根據建議可重新實驗或保留自己的意見，最后對實驗數據和檢查反饋材料進行拍照留檔，以促進實驗數據的真實性.該方式能夠讓學生在進行數據分析時更加認真.

圖7 實驗數據的記錄與分析流程圖

在數據分析環(huán)節(jié)中增加了問題反饋環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)要求學生根據數據分析得出結論，并提出問題.如根據實驗數據能得到怎樣的規(guī)律，實驗數據與理論計算有何偏差，這種偏差是如何造成的，實驗中的一些特殊數據是如何產生，等等.這些問題的提出和思考能夠培養(yǎng)學生的質疑精神，也能夠使實驗分析更加嚴謹.

交流展示可以以實驗報告的形式呈現，也可以組織學生利用PPT講解.教師通過對比學生的實驗數據和電子檔案，保證學生實驗數據的真實性，樹立學生正確的科學觀.同時學生的數據分析材料也要進行電子存檔，由學生親自完成的實驗數據記錄和數據分析材料能給學生帶來成就感，從而極大地提升了學生的科學探究素養(yǎng).

2.5 實驗報告與反思

學生的交流素養(yǎng)從水平1(具有與他人交流成果、討論問題的意識)到水平5(能夠書寫完整規(guī)范的科學探究報告，交流、反思科學探究過程和結果)的提升不是一蹴而就的，需要學生養(yǎng)成細致耐心的實驗書寫習慣，并經常對實驗過程進行反思和改進，從而養(yǎng)成嚴謹的科學態(tài)度.實驗報告的書寫是對實驗過程和結果的凝練和總結，是培養(yǎng)學生交流素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié).學生在完成實驗報告的過程中，通過整理實驗數據，反思實驗過程，不僅提升了交流素養(yǎng)，還加深了對實驗目的、原理、方法、實驗器材的使用、實驗誤差產生的原因等方面的理解，從而促進了問題、證據、解釋三大要素的提升.

傳統(tǒng)實驗教學中，學生的實驗報告主要是填鴨式的，即將實驗目的、方法、步驟等抄寫一遍，然后附上實驗數據和數據處理結果，學生對實驗過程的反思及對數據處理分析后的改進思考很少.

為促進學生規(guī)范地書寫實驗報告，本文以圖8的方式進行教學嘗試，取得了一定的效果.

圖8 實驗報告書寫的流程圖

1)教師事先提供規(guī)范的格式要求，引導學生完成實驗報告.

2)教師批改、檢查實驗報告，并將結果反饋給學生(也可以小組成員相互檢查).

3)學生根據反饋結果進行修改后展示.展示過程中，教師組織學生互相交流(你問我答)，然后要求學生進一步完善實驗報告.

4)學生將最終版的實驗報告以電子版形式發(fā)給教師存檔.

以上過程能夠讓學生對實驗報告的書寫更加認真，書寫質量也會顯著提高，最終結果也使得學生更有成就感.實驗報告書寫的培養(yǎng)需要循序漸進，教師可先要求學生的實驗報告中只包含簡單的實驗數據和數據處理結果；然后要求實驗報告中呈現實驗過程中的交流和反思；最后要求學生書寫完整規(guī)范的實驗報告.

3 實驗教學的實施策略

為了能在分組實驗教學中更好地提升學生的科學探究素養(yǎng)，在實踐教學中，教師需要把握以下幾個方面：

1)統(tǒng)攬全局，著眼系統(tǒng)提升.科學探究素養(yǎng)的形成和提升是系統(tǒng)的培養(yǎng)過程，教師需要對所有實驗進行梳理，對科學素養(yǎng)提升目標進行規(guī)劃，促使學生的問題、證據、解釋、交流等素養(yǎng)要素得到螺旋式提升.

2)抓主忽次，避免平均用力.人教社新教材對學生分組實驗做了精心挑選和排布，每個實驗都有其自身最有價值的素養(yǎng)要素.教師在有限的分組實驗教學時間里，要抓住最核心、最有價值的素養(yǎng)要素進行重點突破，避免平均用力.

3)殊方同致，注重因材施教.在與培養(yǎng)學生科學探究素養(yǎng)對應的教學過程中，教師要根據具體實驗的重點素養(yǎng)目標合理選擇教學過程，如根據實驗要求，教師可選擇一個過程進行重點突破，也可選擇多個過程進行全面突破.另外，教學過程的選擇還要考慮學生的具體情況，學生層次不同，需要考慮的教學過程也有所不同.

4 結束語

學生分組實驗的教學是提升學生科學探究素養(yǎng)的主陣地，也是物理實驗教學中的難點.突破傳統(tǒng)“菜單式”實驗教學，轉向以核心素養(yǎng)為導向的實驗教學，是新課改對學生分組實驗教學提出的挑戰(zhàn)，本文的教學過程是一種比較務實的嘗試.隨著新課改的逐步推進，評價方式也在逐步向著考察學生核心素養(yǎng)的方向邁進，所以教師要積極探索更有效的教學過程，并付諸于教學實踐，努力提升學生的科學素養(yǎng)水平.