基于認知理論的初中物理實驗分類研究

郭曉萍，秦曉文，尹 瑋，張 殷

(1.教育部教育裝備研究與發展中心,北京 100080;2.北京教育科學研究院，北京 100036;3.廣西師范大學 物理科學與技術學院，廣西 桂林 541001)

R. M. 加涅的學習分類理論認為學生的學習有多種不同類型，分別對應不同的學習過程和條件，從而產生不同的學習結果，并在此基礎上提出了任務分析教學論，主張在實施教學之前，分析學習的不同類型，針對不同類型的教學目標采用不同的教學過程、方法和評估[1]. 實驗教學是初中物理教學的重要組成部分，是落實物理課程目標、全面提升學生科學素養的重要途徑[2]. 要發揮實驗在物理教學中的重要作用，需要做好物理實驗的分類工作. 目前研究一般將初中物理實驗簡單劃分為教師演示實驗、學生分組實驗和課外實驗[3-4]，該分類不利于教師把握各類實驗的本質特征而開展有針對性的教學. 本文基于認知理論分析，歸納了各類實驗的特征屬性、教學內容以及素養要求，為實現初中物理實驗教學和評估的一致性提供參考.

1 基于認知理論的物理實驗分類

1.1 理論依據

布魯姆在《教育目標分類：認知領域》中按照從簡單到復雜的順序將認知技能分為識記、領會、應用、分析、綜合、評價6個層次. 課程論專家安德森(L. W. Anderson)、認知心理學家梅耶(R. E. Mayer)、測驗與評估專家艾雷辛(P. E. Airasian)等人在廣泛實踐的基礎上對其進行了進一步的修訂，提出了認知過程的6個維度(記憶、理解、應用、分析、評價和創造)[1]，如圖1所示. 由于實驗是一項綜合性的學習活動，不是單一的思維活動，因此本研究選取該理論中理解、應用、分析和創造4個維度為物理實驗分層，并分析各類實驗特征，構建適宜實驗環境的主要依據.

圖1 布魯姆認知理論修訂圖

1.2 分類框架

根據實驗內容屬性將初中物理實驗分為觀察、體驗、操作、測量、調查、探究、制作、研究8大類，分析各類實驗的學習特征和要求學生達到的能力水平，借鑒布魯姆認知理論的修訂成果，按照素養形成的難易程度形成圖2所示初中物理實驗分類框架. 其中理解領域包括體驗類實驗和觀察類實驗，關注學生的直觀感受和直接經驗，實驗難度較低；應用領域包括操作類實驗和測量類實驗，聚焦知識的淺層應用，實驗難度一般；分析領域包括調查類實驗和探究類實驗，聚焦物理規律和科學方法，實驗難度較高；創造領域包括制作類實驗和研究類實驗，強調復雜問題的解決或者創新性研究，實驗難度最高.

圖2 初中物理實驗分類框架

1.3 內容界定

1.3.1 體驗類實驗

體驗，既是實驗過程，也是實驗結果. 體驗類實驗是指學生作為實驗主體經歷某項實驗活動，并能從其經歷和反思中獲得認知和情感[5]. 簡而言之，學生的直覺感受即是對實驗結果的直接認知，因此把體驗類實驗歸為認知層次較低的理解類. 例如，學生通過手感知不同溫度的水的冷熱程度，形成對溫度高低的直觀認識；用2只手的大拇指同時壓住鋼筆的兩端，通過比較手指的感覺，分析壓強與受力面積的關系；學生通過穿鞋底紋路不同的運動鞋，發現增大或減少摩擦力的方法，并獲得摩擦力相關知識和經驗；洗完澡后身體上殘留的水分蒸發，會有涼爽的感覺，從而讓學生形成蒸發吸熱的認知.

體驗類實驗通過簡單、直觀而又真實的問題情境或實驗環境即可激發學生的認知沖動，通過利用學生最直接的感受，讓學生獲取相關的知識和技能. 該類實驗一般不需要使用教學工具和實驗儀器.

1.3.2 觀察類實驗

科學方法需要通過觀察自然現象,形成并進行假設檢驗[6]. 觀，指感知行為；察，指分析思考. 在觀察類實驗中，學生主動從課堂演示實驗或物理現象中獲取信息[7]，進而通過提問、假設、分析、驗證、歸納等一系列活動形成物理觀念，培養科學推理、科學論證、質疑創新等思維能力. 由于學生的實驗行為僅限于對實驗過程和結果的分析、加工與提煉，所以把該類實驗歸為實驗認知層次較低的理解類. 例如，通過觀察白光經過三棱鏡后的彩色光譜，可以形成色散的概念，分析色散的規律；觀察在加熱過程中，水隨溫度變化的狀態，歸納水沸騰時的特征和規律. 由于人的感官有限，且容易受到主觀影響，因此可借助實驗儀器實現進一步觀察，例如借助示波器觀察聲波的波形、振幅和頻率等.

觀察類實驗具有現象明顯、清晰、可視性強和易于獲取信息等特點，所以該類實驗的儀器設備通常尺寸較大，且有較好的放大功能. 另外，具有記錄、保存和結果再現功能的儀器對長時間觀察或瞬時現象的觀察也十分重要.

1.3.3 操作類實驗

操作類實驗類似國外的菜譜式實驗(Cookbook lab)，是指學生遵循給定的實驗規則或流程，使用相關實驗器材循序漸進地完成預定的實驗程序. 這類實驗一般不涉及設計、探究等復雜流程，而是以操作為手段，以儀器的正確使用和物理程序的正確實施為目標，旨在培養學生的操作能力和實驗技能，進而幫助學生形成規范、嚴謹的科學態度，因此將此類實驗歸為應用領域.

操作類實驗能夠培養學生對基本實驗儀器及儀器參量的識別能力，以及合理選擇和正確使用實驗儀器等基本能力. 例如，電流表、電壓表、天平、溫度計的正確使用，簡單電路的連接、安全用電等實驗，都要求學生正確、規范操作. 該類實驗需要學生在掌握基本物理知識后，能夠按照正確的方法、流程和規則完成實驗. 因此該類實驗所需要的教學儀器應具有基礎性、安全性、規范性和通用性等特點.

1.3.4 測量類實驗

測量類實驗是指學生借助測量工具，按照某物理規律或物理方法量化物體某屬性的活動過程. 此類實驗對學生的要求為：具有初步的物理觀念和實驗技能；在特定情境和具體條件下，能運用相關物理知識和規律，設計簡單的實驗方案；能夠采用合適的測量工具和測量方法獲得實驗數據，進而完成數據的處理、表述、分析、交流、評估等系列活動. 該類實驗能夠培養學生構建和運用簡單物理模型的能力.

測量類實驗是以實驗器材的應用為手段，以物理屬性的量化表達為目標，因此可以將此類實驗歸為應用領域. 例如，對溫度、長度、時間、質量、力等物理量的直接測量，以及對平均速度、滑輪組機械效率和固體、液體密度的間接測量等實驗. 該類實驗所需儀器與操作類實驗相似，即實驗儀器應具有規范性、標準性、通用性、工具性等屬性.

1.3.5 調查類實驗

調查類實驗是指學生針對已有的科學問題，提出科學性假設，設計出具有可行性的實驗方案，通過調查、觀察或測量等方式來收集實驗證據或信息，通過分析、評估、論證等思維過程形成結論的活動. 此類實驗對學生有如下要求：在真實情境中面對結果開放的物理問題，能夠設計出簡單的調查方案；能夠根據信息或數據所需精度選擇恰當的調查方式或測量工具來收集實驗數據；能夠采用圖表等方式呈現數據，并運用科學方法分析數據和尋找規律.

調查類實驗能夠培養學生的批判性思維、辯證性思維、系統性思維以及收集數據和發現規律的能力，有利于幫助學生建立科學、技術與自然、社會、經濟發展之間的聯系，培養其客觀公正、實事求是的科學精神與科學態度.

調查類實驗是通過對真實情境的調查，了解其存在的問題，經過分析和研究，準確地把握問題的本質和規律[8]，因此將此類實驗歸為認知層次較高的分析領域. 例如，調查磁性材料的應用，測量學校不同場所的噪聲值并分析噪聲的來源，等等. 根據調查類實驗的特征，該類實驗除了需要用到常規的記錄工具，也需要用到與之相關的測量工具、設計工具、繪圖工具以及處理數據或圖表的分析工具(軟件)等.

1.3.6 探究類實驗

探究類實驗是學生在學習和日常生活中發現物理問題，通過實驗提出假設并檢驗假設的過程. 此類實驗對學生的要求為：能夠在具備基本實驗技能的基礎上，對物理問題提出假設，甄別出自變量和因變量；能夠選擇合適的儀器、設備與工具，采用科學的物理方法設計實驗，并能在設計過程中考慮控制變量和實驗對照； 在實施探究方案的過程中，能夠獲取證據與信息，分析和處理數據，描述、解釋、探究實驗結果和研究其變化趨勢； 能夠對實驗結果進行科學評估，用適宜的方法和手段呈現結果.

探究既是過程，也是培養學生各種能力的重要手段. 初中階段的探究類實驗，通常是控制單一變量，分析因變量與自變量的關系，進而總結相關物理規律，故將此類實驗歸為認知層次較高的分析領域. 例如，探究重力的大小和質量的關系，探究水加熱至沸騰過程中溫度變化的特點，探究平面鏡成像時的物像關系，探究通電螺線管外部磁場的方向，等等.

探究類實驗除了需要用到工具類、測量類儀器外，還需要用到針對特定實驗而開發出來的專用儀器，例如平面鏡成像實驗儀、光反射實驗儀等，這些設備具有專用屬性，能夠滿足不同變量、不同條件的探究需求.

1.3.7 制作類實驗

制作類實驗是指學生基于應用類物理問題，創造性地構思實驗制作方案，運用所學的知識、技能和方法，制作出有型作品的過程. 在此類實驗中，學生通常會經歷如下過程：發現和明確問題，綜合運用技術知識和物理知識對目標作品及各個要素進行分析；提出符合設計原則且具有一定創造性的方案； 采用相關器材、工藝和方法，將想法及方案轉化為有型作品，或對已有作品進行改進和優化.

制作類實驗過程能夠在實驗活動中培養學生的綜合分析能力、知識運用能力、圖樣表達能力、物化能力、創造性解決問題能力和動手實踐能力，同時能夠促進學生將所學的物理知識與社會、生活、技術發展進行緊密結合. 例如，課標及教材中提到的制作出能夠展示物理本質的模型、簡單的測量工具和簡易的儀器，包括自制溫度計、自制測力計、水位報警器的設計與制作等. 由于制作類實驗是有目標的創造性行為，所以將此類實驗歸為認知層次更高的創造領域. 制作類實驗通常需要用到設計類軟件、制作加工工具和分析測試類工具等.

1.3.8 研究類實驗

研究類實驗是指由學生主動提出實驗選題，通過自主構思、深入分析、完整研究和科學表達的過程，利用科學研究方法獲得新知識的實驗方式[9]. 這類實驗問題可能是物理問題，也可能是跨學科問題，結果通常是開放與未知的.

研究類實驗要求學生能從針對物理現象和物理規律，提取出可通過科學研究及實驗進行解答的問題，并通過長時間的實驗研究來解答這些復雜問題. 在此過程中，學生會經歷完整的科學研究過程，即：從真實復雜問題的提出，到拆分為多個小的問題；根據這些小的問題，提出合理的猜想和假設，并進行文獻調研、研究與分析；設計出科學性的研究方案，通過評估不同研究方案，根據實際情況選取可行及可信的方案實施實驗；在實驗過程中收集證據和實驗數據，通過總結、分析，得出結論；經過反復驗證與反思，系統地撰寫研究報告，固化研究成果.

研究類實驗能夠培養學生的科學思想、科學方法、科學技能甚至科學精神. 學生在研究過程中會遇到許多未知的問題，因此需要學生運用科學的思維方式，創造性地提出方案解決問題，所以將此類實驗歸為認知層次更高的創造領域.

研究類實驗在常規課堂中涉及較少，一般以第二課堂或者學科創新活動、主題學習、項目學習等形式開展. 此類實驗具有問題開放、形式多樣的特點，所需實驗設備與器材也具有一定的開放性和多樣性.

2 初中物理實驗分類統計

本研究梳理了《義務教育物理課程標準(2011年版)》、《初中物理教學裝備配置標準》(JY/T 0619-2019)和人教版、滬科版、滬粵版、北師大版等初中物理教材中所涉及的所有實驗，合并其中類似的實驗，保留各個版本不同的實驗，形成了225個實驗條目. 采用上述基于認知理論的分類框架，對225個實驗進行了4大領域8個分類的編碼統計，結果如圖3和圖4所示.

圖3 不同類型實驗的數量分布

圖4 不同領域的實驗數量比例

理解領域和分析領域的實驗數量占比較大，其中理解領域實驗數量約占實驗總數的50%，分析領域實驗數量約占實驗總數的30%，這與初中生的認知特點相符合. 初中階段是學生抽象思維、邏輯推理能力迅速發展的時期，體驗類、觀察類、調查類和探究類實驗有利于幫助學生從物理現象到物理本質的深入理解，有利于學生在真實的學習情境中發展科學推理、科學論證、批判質疑等學科核心素養，推動學生從物理觀念到科學思維的培養.

創造領域實驗數量占比較低，即制作類實驗和研究類實驗占比只有4%和0.44%，這說明目前初中物理實驗教學的開放性還不足，給予學生自主運用物理知識進行動手創作和科學探索的空間還不夠. 制作類實驗和研究類實驗對學生學習興趣的形成與保護，發散思維與創新意識的培養都具有重要價值，是創新型人才、高端技術人才培養的長期性、基礎性的積累過程. 《義務教育物理課程標準(2011年版)》雖然對制作類有一定的活動建議，但在教材編寫、日常教學中還需要進一步加強.

科學探究是初中物理實驗的重要特征，因此探究類實驗占實驗總數的24.44%，遠高于測量類、操作類等傳統實驗類型，這說明科學探究已經在初中物理實驗教學中占據主導地位. 物理實驗教學正逐步從認知層次較低的體驗、觀察、測量、操作等實驗類型向認知層次較高的制作、探究等實驗類型轉變，這在一定程度上有利于解決實驗教學中長期存在的教學方法單一、內容枯燥、教學流程死板等多種問題.

3 教學建議

3.1 加強頂層設計，合理設置初中物理實驗類型與實驗內容

隨著傳感器技術、數字技術、光影技術、激光技術、納米技術、半導體技術等現代科技在教學設備中的廣泛應用，傳統物理實驗的實驗目的、實驗內容、實驗方法以及實驗所需要的基本技能都發生了改變. 實驗技能也從對實驗器材的基本應用擴展到對物理知識、物理規律、物理方法和物理思想的實踐與應用. 因此課程標準和教材在設置實驗項目時，應充分考慮學生實驗能力進階的發展需求，在各個模塊合理設置理解領域、應用領域、分析領域和創新領域的實驗主題與實驗內容，讓學生充分經歷體驗、觀察、操作、測量、調查、探究、設計制作、科學研究等不同學習過程，由簡至難、由淺入深、由點到面地培養學生的實驗能力與科學素養.

3.2 豐富實驗教學方式，強化高層次能力目標的實驗教學

近年來，隨著科學探究在物理實驗教學中的廣泛應用，基于高層次能力目標的實驗教學數量明顯提升，但與英、美、芬蘭等發達國家的科學教育相比，還具有一定的差距. 建議在各個教學模塊中，遵照學生認知規律，基于項目教學、主題學習等教學方式，多開展基于科學方法的物理調查，基于學生動手實踐的設計制作，基于半結構化的研究性實驗活動，在實踐中培養學生學習物理的興趣、運用物理的能力，為培養具有高階思維能力的創新型人才奠定基礎.

3.3 改革評價方式，提升教育質量與教育水平

基于目前中小學校外作業減負、校內教育質量提升的改革目標，充分發揮教育評價的正向導向作用，將學生的調查實踐、作品制作、研究小論文等日常學習成果納入學業水平評價. 強化過程性評價，豐富評價形式與評價內容，利用立體多元的評價方式，為初中物理教學創設遵循學科特征、尊重學生個性發展、服務教育高質量發展的育人環境.

4 結束語

本文基于認知理論，對初中物理實驗分類進行了研究，并據此對初中物理實驗進行了分類統計與分析. 研究結果可為相關政策和標準的研究、物理實驗課程的設置和評價、物理實驗教學以及基于實驗素養的學生能力的培養提供參考.