體驗式教學架構下科學探究的策略構建

周偉波 陳繼紅

摘 要：科學探究是物理學科核心素養的重要維度.通過厘清科學探究的內涵發展，剖析科學探究的教學現狀，依托體驗式教學的組成架構，以單元為統領、任務為驅動，設計“感知體驗、論證體驗、構建體驗、驗證體驗”四個環節，采用“創設情境、提出猜想、置于實踐”三種方式，以期構建體驗式教學架構下科學探究的執行策略.

關鍵詞：科學探究;體驗式教學;策略構建

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）19-0007-05

基金項目：中國教育學會2019年度教育科研重點規劃課題“高中物理體驗式教學的模式研究”（項目編號：201944000604A）.

作者簡介：周偉波（1976-），男，廣東廣州人，碩士，中學高級教師，研究方向：中學物理教學;

陳繼紅（1980-），男，江西撫州人，碩士，中學高級教師，研究方向：中學物理教學.

科學探究是物理學科核心素養的重要維度，是物理觀念、科學思維、科學態度與責任的載體與手段[1].但目前，鑒于廣大教師對科學探究內涵的認知不足，造成各種不良教學現象的普遍存在，從而導致科學探究的培育工作處于低效狀態.因此，厘清科學探究的內涵發展、剖析科學探究的教學現狀、建構科學探究的執行策略，已成為當前科學探究培育工作亟待解決的關鍵問題.

1 科學探究的內涵發展

科學探究作為一個舶來詞，從美國杜威先生的率先提出到成為物理學科核心素養的一個維度，其內涵發展大致經歷了程序、過程、實踐和素養四個階段.

1.1 程序階段

1909年，約翰·杜威（John Dewey）提出在美國K-12科學教育課程中實施科學探究教學，并在1910年出版的《我們如何思維》一書中闡述了科學探究的五個步驟，即覺察問題、分類問題、形成假設、檢驗假設、修訂假設[1].1918年美國教育協會頒布了以杜威的科學探究理論為指導的《中等教育基本原則》，這標志著科學探究教學在美國科學教育中的正式啟動.但在學校執行層面，杜威的探究五步驟被理解并普及為教師預先設定、學生按部就班的僵化程序，這與杜威希望的通過步驟引領過程、方法促進反思的本意有所違背.以至于1933年《我們如何思維》再版時，杜威把五個步驟改為五個階段，并強調五個階段并無固定順序[2]，但這并沒有扭轉科學探究被過度程序化的局面.直到20世紀60年代，受施瓦布、加涅、布魯納等人的影響，科學探究教學開始重視過程，強調發現問題、分析問題和解決問題的能力.

1.2 過程階段

1996年，美國國家研究理事會頒布了《國家科學教育標準》（以下簡稱1996年《標準》），強調科學探究是科學教育的核心，要給學生提供科學探究的過程和方法以培養科學探究能力[3];同時也指出科學探究包含兩個方面的內容，即“科學探究必備的能力”（如獲取、分析數據的能力）和“對科學探究的理解”（如證據、建模等的理解）.因此認為科學探究是一個“動手行動”和“動腦思考”的過程.為了進一步使“動手”和“動腦”過程更加明確，2000年，美國發布的《探究與國家科學教育標準》（以下簡稱2000年《標準》）指出科學探究過程應具備以下五種特征：（1）學生能在探究問題的引領下展開積極的科學探究;（2）學生在探究過程能采集數據并作為證據;（3）學生能利用證據對科學問題作出解釋;（4）教師能對學生作出的解釋進行評價;（5）學生對自己的解釋展開交流和辯論.

1.3 實踐階段

2011年，美國國家研究理事會發布《K-12年級科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心概念》（以下簡稱2011年《框架》），最引人注目的是：它的首位關鍵詞由“科學探究”改為“科學實踐”.“科學探究”是1996年《標準》的核心理念，而2011年《框架》之所以把它改為“科學實踐”，原因不是取代科學探究，反而是為科學探究正名，更為準確地闡述科學探究的本質，即科學探究是一種認知、社會、行為等多維度的實踐活動[4].《框架》中的科學實踐包含了三個方面的內涵：（1）物質性行為的“動手”;（2）科學性認知的“動腦”;（3）社會性交流的“動嘴（筆）”.可以看出，科學實踐是1996年《標準》“動手動腦”和2000年《標準》“交流辯論”等特征的綜合提煉，是一種動手、動腦和動嘴（筆）相互融合的實踐活動.

1.4 素養階段

核心素養一詞最早來源于世界經合組織1997-2005年開展的“素養的界定與遴選”的研究項目，核心素養是指那些最關鍵、最必要且居于核心地位的素養[5].核心素養提出以后，包括經合組織、聯合國教科文組織、歐盟、美、英、法等均展開了深入的研究，科學探究作為核心素養的其中一個指標自然包含其中.而在我國，科學探究作為一種核心素養來研究主要體現在一個“成果”和一個“標準”上.一個“成果”是指2016年教育部發布的《中國學生發展核心素養研究成果》中指出中國學生核心素養包含了三個方面、六大素養、18種基本要點.科學探究隸屬于“文化基礎”方面和“科學精神”素養下面的“勇于探究”基本要點;一個“標準”是指2017年發布的《普通高中課程標準》，科學探究以核心素養的形式出現在物理、化學和生物三個學科當中.對于物理學科來說，科學探究素養包含了問題、證據、解釋、交流、反思等要素[6].問題是基于觀察提出疑問;證據為實驗中獲取的數據信息;解釋是依賴證據闡明理由;交流是社會意義的討論與構建;反思則為實踐中的應用和評估.可見，“成果”和“標準”對科學探究的內涵解讀，不單傳承了“動手、動腦、動嘴（筆）”的實踐理念，還深化為素養指向的必備品格和關鍵能力.

2 科學探究的教學現狀

目前，我國的科學探究已由程序階段上升為素養層面.但在物理學科的一線教學中，科學探究依然存在著替代化、形式化、零散化等三種教學現狀.

2.1 替代化

科學探究的“替代化”主要表現為三方面：第一，學生的探究過程被教師的“經科學家實驗和理論推導的”一句話替代;第二，學生的探究過程被電腦動畫和操作視頻輕松替代;第三，學生的探究過程被單一的習題訓練替代.究其原因，主要有三點：首先是教師對新課標的認知不足，物理新課標指出，“科學探究能力的培養，應滲透于物理教學的整個過程”，而“一句話拋出結論”的做法是與新課標背道而馳的;其次是教師的省事心態作崇，一次成功的科學探究，需要教師在前期準備、過程開展和課后評價等方面耗費大量的精力，況且有時還達不到預期的效果.與此對比，網上下載動畫和視頻則尤顯輕松和“高效”，但這種輕松和“高效”背后，是以犧牲學生在真實情景中的具身能力和創新能力為代價的;最后是教師對新高考精神領悟的偏差，《中國高考評價體系說明》指出，情境是新高考考查的載體，情境分為學習探究情境和生活實踐情境.習題訓練偏向學習探究情境，而科學探究則指向生活實踐情境，如果專注于習題訓練而忽略真實場景的科學探究將造成備戰高考的顧此失彼.

2.2 形式化

“形式化”是形式主義的體現，是一種只關注事物表象而不深入事物本質的工作方式，它違背了內容和形式相統一的科學原理.目前科學探究的形式化主要體現在部分公開課上，首先是小題大做，個別教師并沒有按照新課標的要求安排教學，而是為了突出所謂亮點，隨意拔高課標要求，從“了解”層面放大到“探究”層面，不顧學生的認知特點，配以繁雜的探究程序以博取評委和聽課老師的眼球;其次是提前演練，為了達成公開課的流暢度，個別教師讓學生對科學探究的方案設計、步驟細節、數據處理以及結論總結等環節進行提前操練，而到真正上課的時候，學生們則變身為“優秀”演員.形式化的背后，折射出教師對科學探究的愛與恨.愛，來源于公開課因擁有探究環節而倍顯物理味的外在彰顯，以及探究亮點日后在同行中形成的品牌效應;恨，則表現為優秀的科學探究的設計和實施將消耗教師們大量的人力物力而身心疲憊.在愛與恨之間，著力表面繁榮而逃避內在本質的形式化做法當然有存在的市場.

2.3 零散化

當然，大部分教師特別是青年教師還是認真領會新課標的精神，踏實開展科學探究的培育工作，并形成自己獨特的方法和策略.然而，礙于各種原因，這些方法和策略略顯現“零散化”，主要表現為以下兩方面：第一，內容的零散化，當前的科學探究主要以零散的公開課課例為主，尚未形成大單元或者大概念統攝下的整體規劃，致使科學探究活動缺乏系統性和縱橫性; 第二，要素的零散化，科學探究包含問題、證據、解釋、交流、反思等要素，當前的科學探究主要以師生的實踐經驗為主，缺乏對各種要素的深入研究，從而導致各種要素指向不明、關聯不強的零散化現象出現.無論是內容的零散化還是要素的零散化，都與教師基于教材、教學的系統觀與全局觀有著密切的關聯.

因此，科學探究的替代化、形式化和零散化的教學現狀必須改變，這就需要我們在厘清科學探究內涵的基礎上，尋找一種合適的教學架構并依托該架構展開有效的策略構建，從而實現教師對科學探究教學的中心化、實質化和系統化.考慮到一線教師的操作問題，構建的策略應具有必要的環節和詳細的步驟;但又不能表面固化，否則重回當年美國的“程序時代”，所以我們應靈活運用并以核心素養為指向，特別是指向科學探究素養的問題、證據、解釋、交流、反思五種要素.縱觀當前多種教學模式，我們發現，體驗式教學以學生的親身經歷和主體探究為特征，指向觀念、能力與價值觀，與科學探究的五種要素有著密切關聯.因此，體驗式教學在科學探究策略構建方面為我們提供了重要的參考范式.

3 體驗式教學的含義與架構

3.1 體驗式教學的含義

2019年6月，國務院辦公廳在《關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》中指出：“積極探索基于情境、問題導向的互動式、啟發式、探究式、體驗式等課堂教學”.其中，互動式、啟發式、探究式教學的研究起步較早，國內外已取得較為豐碩的成果.而體驗式教學則首次出現在國家級文件中，相關研究均處于起步階段，具有較大的研究空間.筆者結合多方面文獻，對體驗式教學的含義作出界定：體驗式教學是教師依據課程標準，深入分析學生已有認知，創造接近實際生活的教學情境，讓學生親歷知識的再創造過程，從中獲得感知體驗、論證體驗、構建體驗和驗證體驗，進而構建觀念、發展能力、形成價值觀的一種教學觀和教學策略[7].

3.2 體驗式教學的組成架構

體驗式教學，著力于親身體驗和主體探究，指向觀念、能力與價值觀，包含了“感知體驗、論證體驗、構建體驗和驗證體驗”四個環節，簡稱體驗式教學的四環架構，如圖1所示.科學探究，關注學生的動手、動腦和動嘴能力，包含問題、證據、解釋、交流、反思五種要素，簡稱科學探究的五種要素.那么，體驗式教學的四環架構和科學探究的五種要素有什么關聯呢？

3.2.1 感知體驗

感知是外界信息經身體感官編碼后傳給大腦并由大腦進行信息加工的一系列過程.該過程表現為外部信息與個體已有經驗的沖突，該沖突可能引起主體對自身認知結構的懷疑，進而萌發問題意識并提出相應的探究問題，這就是科學探究的“問題”要素.

3.2.2 論證體驗和構建體驗

論證為邏輯學的概念，是指運用一個或者多個真命題確立另一個命題真實性的過程，通常包含證據、理由、觀點三個基本要素.構建是多維度、深層次的建立，是個人和社會意義層面上對各種觀點的交流和提煉，旨在促進物理觀念的形成.所以，論證體驗和構建體驗是科學探究“證據、解釋、交流”要素的有效融合.

3.2.3 驗證體驗

驗證是對已構建觀念的檢驗和證實，是學生基于新情境解決新問題的活動過程.驗證體驗中，學生以問題解決為中心對已構觀念展開深入的分析和評估，從而彰顯科學探究的“反思”要素.“反思”過程中可能出現兩種結果：一種是問題得到解決，觀念得以鞏固，體驗式教學到此結束;另一種是問題得不到解決，觀念需要修正，這將要開啟新一輪的體驗式教學.因此，體驗式教學不是簡單的閉合回路，而是螺旋上升的進階歷程.

綜上所述，體驗式教學的“四環架構”與科學探究的“五種要素”有著密切的關聯：感知體驗萌發科學探究的“問題”要素;論證體驗和構建體驗融合科學探究的“證據、解釋、交流”要素;驗證體驗則彰顯科學探究的“反思”要素以實現體驗式教學的螺旋進階，具體關聯見表1.

4 體驗式教學架構下科學探究的策略構建

經由上面的論述，我們已經明晰了體驗式教學的四環架構與科學探究的五種要素的內部關聯.那么，該如何利用體驗式教學的四環架構促進科學探究五種要素的實施呢？下面，筆者將以單元為統領、任務為驅動，采用創設情境、提出猜想、置于實踐三種方式展開策略的構建.

4.1 單元統領——以主題任務驅動科學探究

單元統領是指在大單元的統攝下，利用整合、重組等形式把教學內容分解為若干個目標明確的主題任務，并以主題任務為驅動，積極開展科學探究活動的教學設計與課堂實施.需要強調的是，這里的主題任務包含了一級主題任務和二級主題任務.如曲線運動這一單元教學，在大單元“曲線運動”的統攝下，分解為“拋體運動”“圓周運動”兩個一級主題任務，而“拋體運動”又包含“平拋運動”“斜拋運動”兩個二級主題任務;“圓周運動”則包含“勻速圓周運動”“非勻速圓周運動”兩個二級主題任務.從二級主題到一級主題再到大單元概念，科學探究教學實現從零散化到系統化的有效轉變.

4.2 創設情境——借感知體驗萌發“問題”要素

情境是教師在教學過程中創設的物理環境及情感氛圍.情境可分為學習探究情境和生活實踐情境.前者為學習探索或科學探究所涉及的內容和對象，通常以文字與符號的形式呈現，如帶電粒子在磁場中臨界問題的探究;后者與日常生活和生產實踐緊密關聯，通常表現為解決問題的活動場域，如輕重不同的物體下落快慢不同的原因探究.不管是學習探究情境還是生活實踐情境，在創設過程中我們必須遵循三項原則：第一，適切性，即情境的創設要適應、切合課標及學生認知;第二，多維性，即情境應從多種維度觸動學生的感知器官;第三，啟發性，即情境應啟迪學生向著問題的本質思索和探求.情境創設以后，我們還需把學生置于其中并讓其充分享受來自視覺、聽覺、觸覺等多維度的感官沖擊以及大腦對外部信息的加工體驗，進而在主體和客體之間形成一種看似邏輯對應又相互交融的模糊關系，這就是學生獲取感知的過程.情境中獲取的感知將直接切入學生已有的認知體系，若認知體系不能解釋外部感知，或者只能解釋一部分而不能解釋另外一部分時，學生就會萌發一種“一探到底”的好奇心，繼而提出具有針對性的探究問題.因此，我們可以利用“創設情境”“獲取感知”“聚焦問題”三個步驟實現感知體驗中科學探究“問題”要素的有效萌發.

以二級主題任務“探究平拋運動”教學為例，根據 “通過實驗探究平拋運動規律、會用合成與分解方法分析平拋運動”的課標要求，創設“圓環套物”的生活實踐情境，讓學生親歷視覺、觸覺、運動覺等多維度的感知體驗，在“平拋是一種曲線運動”的已有認知上，萌發“如何才能套中物體”的好奇心，提出 “平拋運動的規律是什么”的探究問題，從而開啟以“探究平拋運動規律”為驅動任務的科學探究之旅.

4.3 提出猜想——用論證體驗和構建體驗融合“證據、解釋、交流”要素

猜想是學生根據探究問題而提出的初步假設，它標志著論證體驗的開啟.對于學生提出的各種猜想，首先要從理論層面剖析其合理性，其次要通過實驗來探究其正確性.當然，實驗的開展包含了方案設計、步驟操作、現象觀察、數據獲取等相關環節.實驗開展過程中，實驗現象和實驗數據尤其值得我們關注，特別是現象的細微處和數據的有效性，因為它們是科學探究的“證據”要素.“證據”獲取后，應當以論證的形式融合科學探究的“解釋、交流”要素.論證包含了個人層面和社會層面，前者是個體依據證據，經由推理建立自我主張，這就是科學探究的“解釋”過程;后者是不同個體針對各自主張進行爭論以達成共識，這就是科學探究的“交流”過程.因此，我們可以利用“提出猜想”“實驗探究”“論證觀點”三個步驟實現科學探究“證據、解釋、交流”要素的有效融合.

構建體驗，作為物理觀念的形成環節，包含了概念規律—核心概念—物理觀念的進階路徑.概念規律為論證體驗所形成的觀點的進一步凝聚，表征為更科學更嚴謹的文字和公式;核心概念是對多個概念規律實施提煉，上位到具有核心地位的總括概念，正如Joseph Krajcik指出：核心概念是由若干重要概念構成，這些內容能夠展現當代的學科圖景[8].物理觀念則為核心概念的升華，以求得到一種超越物理知識間一般性聯系的內在因果的關聯命題，并可使用于對大量事物的判斷[9].物理觀念的構建過程，需要教師和學生縱橫各種概念規律以及核心概念，并通過再一次的“解釋、交流”以形成一種用科學哲學視角審視物理體系并深刻揭示事物本質、清晰呈現物理世界與真實世界內在聯系的統領方式.因此，我們可以利用“形成規律”“提煉核心”“升華觀念”三個步驟實現科學探究“解釋、交流”要素的二次融合.

下面以二級主題任務“探究平拋運動”教學為例，在感知體驗中，我們聚焦了“平拋運動的規律是什么”的探究問題，在此驅動下，學生提出“平拋運動的水平方向為勻速直線運動、豎直方向為自由落體運動”的初步猜想，接著形成各種探究方案，經學生討論后決定采用平拋運動儀進行實驗，并利用坐標紙記錄數據、軌跡等獲取相關證據.隨后在教師的引導下，學生依托證據實施個人與社會雙層面的解釋與交流，最終形成“水平方向勻速、豎直方向自由落體”的平拋運動觀點.基于形成的觀點，構建“平拋運動”模型，確立“平拋運動是一種具有水平初速度且加速度為g的曲線運動”的概念規律;后續結合“圓周運動”形成的概念規律，提煉出“曲線運動”這一核心概念;最后關聯“直線運動”“分子運動”等系列核心概念，則可升華為“運動”這一物理觀念.

4.4 置于實踐——憑驗證體驗彰顯“反思”要素

實踐是人類能動地改造世界的物質活動，是檢驗真理的唯一標準.在驗證體驗中，我們必須把已構觀念置于生活實踐以“反思”其正確性.為此，我們可通過“再創情境”“觀念應用”“觀念遷移”三個步驟，實現科學探究“反思”要素的有效彰顯.

再創情境，這里指生活實踐情境的二次創設.首次創設出現于感知體驗中，主要用于規律的探究和觀念的構建;二次創設則為“反思”要素的實施載體，旨在促進物理觀念的應用與遷移.如“運動”物理觀念構建后，可創設以下情境：下雨天小明勻速轉動雨傘，雨水沿著傘的邊緣切線方向飛出.然后提出問題：如何測量并求得雨傘做圓周運動的角速度？

觀念應用，即大腦調動已有觀念解決實際問題的過程，它是“反思”要素逐步深入.該過程一般會出現兩種結果：一種是已構觀念在新情境中得到順利應用，表現為問題的解決和能力的發展;另一種是已構觀念不能順利應用，表現為問題得不到解決或者解決方法單一.如雨傘角速度的求解，我們可以測出雨傘邊緣離地高度h、雨滴切線飛出后的水平距離x以及傘面半徑R，然后利用平拋運動規律（h=12gt2、x=v0t）以及勻速圓周運動規律（v0=ωR）即可求得雨傘轉動的角速度;或直接測得雨傘旋轉一周的時間T，再用公式ω=2πT即可求得.但在實踐應用中，卻有部分同學無法把“運動”觀念與平拋模型和圓周模型相關聯或只關聯其中一部分或只提出一種解決方案.這些都需要學生對已構觀念做出“反思”，甚至需要有針對性地開啟下一輪的體驗式教學循環.

觀念遷移，指一種學習中形成的觀念對另一種學習的影響.該影響一般有三種表現：一是已有經驗直接應用而無需改變原有認知結構（同性化遷移）;二是調整原有經驗以形成一種包容新舊觀念的高級認知結構（順應性遷移）;三是對新舊經驗某些成分進行重組以構建一種全新的關聯（重組性遷移）.所以，觀念遷移是科學探究“反思”要素的擴展內化.如同學們經歷了“運動”觀念在“雨傘問題”的應用后，可遷移到“傳送帶模型”“平拋模型”“圓周模型”等的組合情況，讓同學們在“運動”觀念的統攝下對上述三種模型展開成分重組以構建不同情境解決不同問題，這是“反思”要素在重組性遷移層面的深入體現.

5 結束語

綜上所述，筆者以單元為統領，任務為驅動，設計“感知體驗、論證體驗、構建體驗、驗證體驗”四個教學環節，采用“創設情境、獲取感知、聚焦問題、提出猜想、實驗探究、論證觀點、形成規律、提煉核心、升華觀念、再創情境、觀念應用、觀念遷移”等步驟，全面融入科學探究的“問題、證據、解釋、交流、反思”五種要素，最終形成“一統領一驅動、四環節十二步驟”的科學探究培養策略框架（如圖2）.

參考文獻：

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（收稿日期：2021-07-12）