初中物理實驗教學與課程標準的一致性研究

陳婷婷 翁雨燕 桑芝芳

[摘 要]《義務教育物理課程標準（2011年版）》明確提出20個學生必做實驗，在科學內容中有24個三級主題，新課標明確要求必須通過實驗學習這些主題。實驗教學在中學物理教學中具有重要的地位，中學物理實驗教學與課程標準的一致性研究也具有重要意義。文章借鑒斯坦福研究所開發的SRI一致性模式，以“牛頓第一定律”的12篇教學設計與課標中的科學探究要求為研究對象，通過對二者的一致性分析，得到一線教師對實驗教學的重視程度以及對學生科學探究能力培養的側重點。

[關鍵詞]實驗教學;課程標準;SRI一致性;牛頓第一定律

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）29-0043-04

《義務教育物理課程標準（2011年版）》在科學內容中有近一半的三級主題明確要求必須通過實驗學習[1]。《普通高中物理課程標準（2017年版）》相比實驗版新增了必修及選擇性必修課程中的學生必做實驗，科學內容在三級主題中加強了實驗教學要求[2]。2019年，教育部印發了《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，要求努力建構與德智體美勞全面培養的教育體系相適應、與課程標準要求相統一的實驗教學體系。[3]實驗教學是中學物理教學的重要內容。實驗教學與課標的一致性程度能夠反映基礎教育對人才培養的實際效果。因此，比較實驗教學與課標的一致性有助于深入了解課標，反思課堂教學，具有重要意義。

一、“牛頓第一定律”的選取

《義務教育物理課程標準（2011年版）》規定的24個必須通過實驗學習的三級主題中僅有三個是物理規律，“牛頓第一定律”就是其中之一[1]。從物理學科體系來看，牛頓第一定律是聯結運動和相互作用的重要內容，是后面要學習的牛頓第二定律的基礎，是形成運動與相互作用觀念的重要基石，是教學的重點。從學生認知特點來看，由于生活經驗的影響，“有力，物體才運動”“力是維持物體運動的原因”這樣的錯誤前概念根深蒂固，并且“牛頓第一定律”不是實驗定律，需要在實驗的基礎上進行合理推理，對學生的邏輯思維能力有很高的要求，是教學的難點。因此，筆者選擇牛頓第一定律的教學設計為研究對象。

本文統計了2012-2020年13種物理專業期刊[4]中關于初中牛頓第一定律實驗教學的文章。以“牛頓第一定律+教學”為關鍵詞搜索知網，根據篇名和文獻來源初步篩選并排除不切主題的文章，排除非物理專業期刊的文章以及部分關于高中物理牛頓第一定律教學的文章，然后詳細閱讀論文并篩選，最終選取《物理教師》《物理教學探討》《物理通報》《中學物理教學參考》4種期刊中關于初中物理牛頓第一定律實驗教學設計的12篇文章[5]～[16]。

二、《義務教育物理課程標準（2011年版）》對科學探究的要求

2011年版課標將科學探究分為提出問題、猜想與假設、設計實驗與制訂計劃、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估、交流與合作7個要素，并對每個要素提出了3～5個基本要求，如表1所示。[1]

三、SRI一致性工具

SRI一致性研究工具是斯坦福研究所的（Standford Research Institute，簡稱SRI）克雷克米（P.Kreikemeier）等人為改進Webb一致性工具、SEC一致性工具以及Achieve一致性工具對于科學探究層面的一致性研究的不足，開發出來的專用于比較科學探究的更為精細化的一致性研究工具。[17]因此，本研究利用SRI一致性工具研究牛頓第一定律實驗教學的教學設計與義務教育物理課程標準的一致性是合理的、恰當的。[17]

四、教學設計與課程標準的一致性分析

將12篇文章按照時間順序進行編號，以便后續利用圖表進行縱向比較，發表時間最早的文章為1號，以此類推。本文以8號文章《初中物理教學中學生科學思維的培養——以“牛頓第一定律”為例》說明比較研究的過程。圍繞要研究的教學設計，以學生的視角記錄其中活動的具體內容，按照課程標準中科學探究的基本要求，盡可能準確地確定所涉及的科學要素，在此基礎上構建具有普適性的由活動內容和科學探究要素共同組成的二維矩陣，作為統計和比較的基礎，如表2所示。

根據表2，利用Excel，計算與科學探究要素相匹配的活動數量（n）與所有活動總數（N）的比值，了解教學設計與科學探究之間的一致性水平。計算與活動相匹配的科學探究要素的種類數（s）與所有科學探究要素的種類數（S，即S=7）的比值，和每個科學探究要素出現的頻次（m）與所有科學探究要素出現的總頻次（M）的比值，了解該教學設計注重培養何種科學探究要素，填入表3。

（一）教學設計與課標一致性

為比較各教學設計與義務教育物理課程標準（2011年版）的一致性，根據統計結果繪制成折線圖，如圖1所示。

由圖1可以看出，2017-2020年教師在實驗教學中注重培養學生的科學探究能力，與課程標準的要求相一致，較2017年以前，重視程度大幅提高。通過梳理12份教學案例，發現主要有兩點原因：

1.國家教育部提高了對中學實驗教學的重視程度。比如《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》的頒布，《普通高中物理課程標準（2017年版）》中對實驗要求的增加。這些意見和政策讓一線教師意識到物理實驗教學的重要性。

2.一線教師對于課程標準的理解更加透徹。通過不斷的研究，一線教師能夠更深入地理解培養學生科學探究能力的程度和方法。比如，初中物理課程標準對學生科學探究能力的基本要求是“初步嘗試”，具有科學探究的意識。所以教師在實驗教學中注重引導學生，而不是放手讓學生獨自探究。

（二）培養科學探究能力的側重點

為了細致地分析注重科學探究的教學設計是側重培養某一種科學探究能力，還是注重培養多種科學探究能力，本文選取編號6、7、8、9、10、11、12共七篇教學設計為研究對象，將教學設計中所包含的科學探究要素的種類數（s）與所有科學探究要素的種類數（S）的比值進行了縱向對比。如圖2所示。

由圖2可以看出，其中有2篇教學設計重點培養學生的某三種科學探究能力，剩余的5篇側重讓學生經歷完整的科學探究過程。

為了具體比較各篇教學設計側重培養學生哪些科學探究能力，本文將每篇教學設計中各要素出現的頻次（m）與所有要素出現的總頻次（M）的比值進行了橫向對比。如圖3所示。

由圖3可以看出，6號文章側重培養學生猜想與假設、交流與合作兩個科學探究能力;7號文章側重培養學生設計實驗與制訂計劃、分析與論證的能力;8號文章側重培養學生分析與論證的能力;9號文章側重培養學生進行實驗與收集證據、分析與論證的能力，沒有關注提出問題和評估兩個要素;10號文章側重培養學生分析與論證的能力，沒有關注評估要素;11號文章側重培養學生設計實驗與制訂計劃、分析與論證的能力，沒有關注提出問題、猜想與假設、評估和交流與合作四個要素;12號文章側重培養學生分析與論證的能力，沒有關注猜想與假設要素。

為了更為直觀地分析一線教師對各科學要素的關注程度，可將各科學要素的比率進行縱向求和，并畫出各科學要素所占的比例，如圖4所示。

由圖4可以看出，一線教師對分析與論證的關注程度最高，其次注重培養學生設計實驗與制訂計劃的能力，容易忽視評估能力的培養。

從上述分析可知，2017年以后，一線教師注重在實驗教學中培養學生的科學探究能力，與義務教育物理課程標準的要求一致。但每個教師會根據實際情況和教學目標，側重培養學生某一種或者某些方面的科學探究要素，整體上看，分析與論證能力和設計實驗與制訂計劃能力受到大多數教師的重視，而評估能力容易被忽視。

五、“牛頓第一定律”的教學改進

評估是科學探究的一個重要過程，是學生深度學習必不可少的重要環節，是培養學生創新意識的重要途徑。因此，在教學過程中應當有意識地引導學生對探究過程和探究結果進行評估。基于以上分析，筆者主要從實驗方案、實驗儀器、數據處理三個方面引導學生評估“牛頓第一定律”的科學探究。

第一，反思探究過程，改進實驗方案。實驗方案并非十全十美，需要在實際探究中反思和改進。教師應當引導學生評估實驗方案的優點和不足，并思考改進方案。比如，我們將同一個小車從同一斜面的同一高度下落有什么優點？不改變小車下落的高度，會出現什么問題？通過觀察小車在粗糙程度不同的水平面上運動到停止的時間，得出小車在光滑的水平面上將保持勻速運動合理嗎？通過問題，引導學生深度思考，在此基礎上，學生再提出改進方案，才能經歷真正的科學探究過程。

第二，利用現代技術，減小實驗誤差。引導學生思考用小旗插在小車停止的位置，再用刻度尺測量小車移動的距離，有什么問題嗎？用秒表記錄小車從滑到水平面到停下來的時間準確嗎？通過教師的引導，學生很容易發現，利用小旗標記小車停下來的位置，然后用刻度尺測量距離，操作煩瑣，耗時長;用秒表測量時間，不夠精確，誤差較大。這時，向學生介紹傳感器的結構和用途，感受傳感器的方便和精確。一方面，減小了“牛頓第一定律”實驗的誤差，得到更精確的實驗數據;另一方面，學生能夠深刻地體會“物理學在不斷發展，具有強大的生命活力”，進而有效提高學生對物理學的熱愛程度。

第三，優化數據處理，反映變化規律。初中生常用列表法處理數據，但用列表法探究“牛一定律”不能直觀反映變化規律。教師可引導學生思考列表法的不足。比如，討論一下你們在數據處理和得出結論的過程中，遇到了哪些麻煩？通過討論，學生自然能夠想到需要優化數據處理方法，為了能直觀地反映規律，應當采用圖像法進行數據處理。為了方便比較，還可以將小車在不同粗糙程度的水平面上運動的[v-t]圖像放在同一坐標系中進行對比。這樣得出“水平面越光滑，小車運動的速度變化越慢”才更加合理。學生才能推理出在絕對光滑的水平面上，小車將做勻速運動。

說明：①n指與科學探究要素相匹配的活動（包括特定探究和一般性探究）數量，N指所有活動的總數;②s指與活動相匹配的科學探究要素的種類數，S指所有科學探究要素的種類數（即S=7）;③m指每個科學探究要素出現的頻次，M指所有科學探究要素出現的總頻次。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]? 廖伯琴.課程標準與教材修訂（三）：如何在教材中凸顯物理實驗的育人功能[J].物理教學探討，2020，38（3）：1-5.

[3]? 教育部.教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見[S].中華人民共和國國務院公報，2020：8.

[4]? 張海龍，馬亞鵬.2019年度中學物理教育教學研究綜述：基于《中學物理教與學》論文轉載情況分析[J].物理教師，2020，41（2）：2.

[5]? 楊雄生，汪瀛.滲透探究思想的教學 重在引導學生思維：談談初中牛頓第一定律的教學[J].物理通報，2013（5）：28-31.

[6]? 鄒偉忠.促進學生主動參與學習的課堂教學策略研究：以蘇科版“牛頓第一定律”第一課時為例[J].物理通報，2013（8）：11-13.

[7]? 韓耀強.科學技術史教育的一種范式：以“牛頓第一定律”教學為例談科學技術史教育[J].物理教師，2013，34（9）：70-72.

[8]? 駱波.從名師課堂看科學方法教育的操作策略：以“牛頓第一定律”一課教學為例[J].物理教學探討，2015，33（1）：16-18.

[9]? 陳文鑫.物理學史在中學物理教學中的應用：以初中《牛頓第一定律》為例[J].物理教學探討，2015，33（6）：25-27.

[10]? 許志.為培養學生的科學素養而教：例談牛頓第一定律的實驗教學[J].物理教師，2017，38（4）：42-47.

[11]? 黃劍.以“牛頓第一定律”為例探討利用前概念教學的策略[J].中學物理教學參考，2017，46（8）：18-20.

[12]? 張羽燕.初中物理教學中學生科學思維的培養：以“牛頓第一定律”為例[J].物理教學探討，2018，36（1）：32-35.

[13]? 黃培鋒.關于“牛頓第一定律”的教學研究[J].中學物理教學參考，2018，47（11）：17-21.

[14]? 張平.指向關鍵能力培養的教學設計與評析：以蘇科版“牛頓第一定律”為例[J].中學物理教學參考，2019，48（10）：10-14.

[15]? 顧炳峰.單元視域下科學思維的教學設計[J].物理教師，2020，41（1）：14-17.

[16]? 蘇鳳，吳玉萍.基于物理核心素養導向的課堂教學設計：以“牛頓第一定律”為例[J].中學物理教學參考，2020，49（2）：66-68.

[17]? 楊玉琴，王祖浩，張新宇.美國課程一致性研究的演進與啟示[J].外國教育研究，2012，39（1）：117-118.

（責任編輯 易志毅）