高中物理教材實驗的探究水平與過程技能研究
——以2019年人教版、滬科教版、粵教版必修部分為例

邱文婷 張軍朋

（華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006）

理解科學探究，具有科學探究能力是科學素養的重要組成成分.深化學生對科學探究的認識，儼然成為全球基礎教育科學課程改革的一個核心問題.21世紀以來，中國、澳大利亞、美國、加拿大、芬蘭等多個國家的課程目標普遍注重發展學生的科學探究能力.例如，我國在2003年高中物理課程改革中，就明確提出在物理教學過程中要注重科學探究，提倡探究式教學.在教育部2017年頒布的高中物理課程標準中，更是將探究教學置于重要地位，明確將科學探究作為物理學科4大核心素養之一，彰顯科學探究對于發展學生科學素養的重要地位.

實驗作為科學最顯著的特點，絕大多數國家課程文件中都將實驗作為核心的探究活動.［1］教材中也配套有豐富的實驗資源幫助學生構建物理知識，從中提高實驗能力和科學探究能力.而教材作為課程內容呈現的主要載體，在一定程度上決定了課程教學中能否落實課程標準對科學探究的要求.［2］其中人教版、滬科教版和粵教版是我國使用量較大的3版教材，對教師和學生有著較大的影響力.因此，本文將聚焦2019年版人教版、滬科教版和粵教版高中物理教材必修部分的實驗內容，采用內容分析法分析3版教材中實驗的探究環節水平與科學過程技能，期望為教師合理利用教材實驗開展探究式教學提供啟示.

1 研究設計

1.1 研究對象

本研究主要關注教材正文部分實驗.人教版主要分布在“實驗”和“演示”兩個欄目；滬科教版主要分布在“實驗探究”和“學生必做實驗”兩個欄目；粵教版主要分布在“觀察與思考”和“實驗與探究”兩個欄目.

1.2 分析框架

研究主要分為兩個維度，維度一關注教材中實驗的科學探究水平，維度二關注教材中實驗的科學過程技能的使用頻率.

1.2.1 科學探究水平

科學探究水平主要是指科學探究的開放性水平.施瓦布（Schwab）依據“提出問題-設計方案—得出結論”3個階段將科學探究劃分為3個水平，水平1為限定探究水平，即僅結論向學生開放；水平2為引導探究水平，即方案和結論向學生開放；水平3為自主探究水平，即所有三階段均向學生開放.［3］赫倫（Herron）在此基礎上補充水平0，即問題、方案和結論均給出.然而，施瓦布等人的探究水平體系主要關注探究任務整體的探究水平，對不同環節的探究水平缺乏關注，難以包容多樣化的探究活動.因此，張新宇等根據教師（教材）與學生在探究活動環節中的角色地位，將探究活動環節劃分為“目的確定、方案設計、方案實施、結論形成、反思交流”，每一環節包含“缺失、限定、引導、自主”四個水平.［4］本研究將采用張新宇等的探究水平體系，構建教材科學探究水平分析框架，如表1所示.

表1 教材科學探究水平分析框架

1.2.2 科學過程技能

美國科學促進協會（AmericanAssociationfor theAdvancementofScience）提出了12個經典科學過程技能作為科學探究的評價項目，包括觀察、推理、分類、測量、交流、預測、控制變量、操作性定義、作出假設、解釋數據、提出問題和構建模型.結合《普通高中物理課程標準》（2017版）、以往的相關研究以及物理學科特點，確定觀察、推理、測量、交流、控制變量、操作性定義、作出假設、解釋數據、提出問題和構建模型10個科學過程技能.根據思維方式和操作技能的復雜程度，將其劃分為基礎科學過程技能和綜合科學過程技能，［5］如表2所示.

表2 科學過程技能及其分類

1.3 編碼方法

依據上述分析框架，對3版教材中的所有實驗進行編碼.為了確保統計分析的可靠性和一致性，兩位研究者單獨地對教材中的實驗類欄目進行編碼.接著，利用SPSS對兩者的統計結果進行分析，探究水平和科學過程技能兩個維度的一致性系數分別為0.830和0.852，表明研究結果具有良好的內部一致性和可靠性.隨后，兩位研究者陳述各自對于統計的考量，并對持有不同見解處進行討論協商.

下面以人教版必修1第58頁的實驗為例，說明編碼的具體過程（圖1）.

圖1 教材實驗的編碼示例

依據上述分析框架可知，在探究的水平上，該實驗“目的確定”和“方案設計”環節為水平1、“方案實施”和“得出結論”環節為水平2、“交流評價”環節為水平0；在科學過程技能上，該實驗涉及“觀察”、“測量”和“解釋數據”3項科學過程技能.

2 3版教材實驗的分析

2.1 科學探究水平

3版教材實驗在各環節探究水平的頻率分布如圖2所示.

圖2 3版教材實驗各環節的探究水平分布

對于“目的確定”環節，人教版和滬科教版均處于水平1，粵教版絕大多數處于水平1，少數為水平2.可見，3版教材的實驗大都為研究問題確定的實驗，這可能與教材作為靜態閱讀文本具有一定的局限性有關，只有確定了實驗目的才能推動后續實驗的呈現.粵教版部分實驗僅提供了情景素材，未直接給出實驗目的，為學生形成探究目的提供了機會.仔細分析發現粵教版教材處于水平2的3個實驗均來源于“觀察與思考”欄目，例如超重和失重一課設置的體重計實驗，雖然該實驗本身未指明實驗目的，但在實驗前后正文中分別出現“人的體重會發生變化嗎？”等文字對學生判斷探究目的具有引導作用.

對于“方案設計”環節，3版教材均水平1分布最多，人教版仍有32%實驗分布于水平2，是其他兩版教材的3倍以上.可見，雖然教材有關注對實驗方案設計的引導性，但僅是人教版表現較好，直接向學生提供實驗設計方案仍是3版教材呈現實驗的主要形式.值得關注的是，滬科教版有17.14%的實驗處于水平3，是其他兩版教材的5倍以上.可見，滬科教版較為關注學生設計實驗的自主性.例如“探究彈簧彈力與形變量的關系”實驗，人教版和粵教版教材均給出完整的實驗方案，而滬科教版則要求學生“寫出所需實驗器材和實驗步驟”，并根據自己的實驗方案完成實驗，為學生自主設計方案提供了機會.

對于“方案實施”環節，3版教材主要分布在水平2，隨后依次為水平1和水平3.可見，教材為實施方案提供了充足的外部支持，在實驗的觀察與測量上極具引導性，表明教材關注學生本身對探究過程的觀察、現象記錄和數據表征，強調對學生信息獲取能力的培養.［6］

對于“結論形成”環節，3版教材較多分布于水平2，隨后為水平1，少數分布于水平0和水平3.可見，教材以提供分析實驗現象和數據等思路引導學生形成結論為主，但是仍有不少實驗直接給出實驗結論，甚至部分實驗缺失“結論形成”環節.仔細分析教材中那些缺失“結論形成”環節的實驗，一類是練習使用某類儀器的實驗，例如“練習使用打點計時器”，這類實驗旨在讓學生掌握實驗儀器的使用，自然無需形成結論；另一類是涉及“觀察”的實驗，例如滬科版中“觀察彈簧測力計示數的變化”實驗，教材在要求學生觀察實驗現象后便無下文.實驗結論是基于實驗結果得出的推理和解釋，根據實驗現象和實驗數據得出結論是科學的特征之一，能夠區分“觀察”和“推論”同時也是科學本質的內涵之一.［2］“結論形成”環節的缺乏或者教材直接給出實驗結論，可能會讓學生混淆“實驗結論”和“實驗結果”，影響學生科學本質觀的形成.

對于“反思交流”環節，人教版和粵教版水平0分布最多，其次為水平2；滬科教版則水平2分布最多，隨后為水平0.可見，3版教材的實驗均存在缺失反思交流的情況，滬科版在反思交流環節表現較好，一半以上的實驗均有提供反思性或總結性問題引導學生進行反思評價，仔細分析反思內容主要圍繞誤差分析展開，例如“探究加速度與力、質量的定量關系”實驗要求學生“討論和評價數據點離直線有相當距離的原因”.

2.2 科學過程技能

3版教材的科學過程技能的分析結果如表3所示.

表3 3版教材實驗的科學過程技能的使用頻數與使用頻率

續表

人教版、滬科教版和粵教版3版教材的科學過程技能的使用頻率的平均值依次為32.40%、33.71%和26.72%，可見滬科教版使用科學過程技能的平均頻率最多，人教版其次，粵教版相對較少.

在基礎科學過程技能方面，人教版使用“測量”、“觀察”和“交流”的頻率較高，使用“推理”的機會相對較低；滬科教版使用4項基礎科學過程技能的頻率均較高；粵教版使用“測量”和“觀察”的頻率較高，使用“交流”和“推理”的機會較低.“測量”和“觀察”作為獲取證據的基本途徑，在3版教材中都有著較高的使用，體現了3版教材均注重對學生證據獲取能力的培養.“交流”作為一種表述自己研究成果、信息和想法的途徑，能夠正確表述和闡明研究問題、程序、證據和結果是一種必備的科學素養.結果表明教材為學生在探究過程中進行交流與表達提供較為充足的機會，體現了教材重視學生在探究活動中的主動積極的作用.

在綜合科學過程技能方面，3版教材應用各項綜合科學過程技能的頻率不平衡，應用“解釋數據”、“操作性定義”和“控制變量”的頻率較高，隨后為“作出假設”，幾乎沒有應用“提出問題”和“構建模型”.實驗中運用“作出假設”、“解釋數據”和“構建模型”這3項過程技能，需要具備推理、創造性思維和解決問題這些高階思維能力.［5］“解釋數據”的較高使用表明當前教材中的實驗關注學生對知識間相互聯系的理解，強調學生在對實驗信息的分析過程中形成邏輯性的知識體系.例如在“驗證機械能守恒”實驗中，3版教材都采用了研究自由下落物體的機械能方案，并要求學生能夠通過測量和處理數據獲得各計時點的動能和重力勢能，并通過分析各點的動能和重力勢能來驗證機械能守恒.然而，除了“解釋數據”，“作出假設”和“構建模型”兩項科學過程技能在教材中使用頻率均較低，尤其是“構建模型”幾乎沒有體現，可見教材中的實驗并沒有為發展高階思維提供充足的機會.此外，“提出問題”是開放式探究的標志，也是發展批判性思維和科學思維的有力手段，教材中的實驗都是有著明確問題和目的的，因此3版教材 “提出問題”使用頻率均為0.

3 結論和建議

3.1 正確辨識教材實驗的探究水平，依據學生認知水平開展實驗教學

結果表明現教材實驗的探究水平整體以引導性水平為主，各環節的探究水平具體表現為：“結論形成”和“反思交流”環節存在缺失、5個探究環節都存在控制性水平和引導性水平，僅有“方案設計”、“方案實施”和“結論形成”存在自主性水平.不難發現，這可能與教材的導向功能以及各環節的特點有關.例如，“目的確定”、“方案設計”和“方案實施”是實驗中必不可少的，故所有的實驗都會存在這3個環節.而部分實驗如“練習使用打點計時器”等只是為了學生掌握某些實驗器材的使用，無需形成結論，故“結論形成”會存在缺失.“方案設計”、“方案實施”和“結論形成”適合體現學生主動經歷探究的過程，因此可以設置為自主性水平.

然而，教學實踐活動是多樣化、多水平的探究體系，既不必完全按照教材實施，也不需要過分強調高水平的探究，而是應當根據學生的具體認知水平來進行探究活動設計.首先，對于課中建立新知的探究活動，可以依據新知與學生已有認知的差距來確定探究水平，如若差距較大則以低水平探究為主，如若差距較小則可以高水平探究為主.例如，對于“探究彈簧彈力與伸長量”實驗，學生在初中時已經學過相關知識，因此該實驗可以讓學生自主開展.其次，對于課后開放性活動，此時學生經過新課的學習，已經掌握了基本的知識，且具備一定的問題解決能力，此時可突出學生的主體地位，以高水平探究為主.

3.2 關注教材對科學過程技能的呈現，平衡實驗中科學過程技能的運用

研究發現教材實驗使用基礎科學過程技能的頻率較為平衡，且整體使用頻率較高；使用綜合科學過程技能的頻率較低且并不平衡，“作出假設”應用較少，且缺少“提出問題”和“構建模型”.

科學探究能力是一種具有復雜結構的高層次能力，它建立在多方位的知識和技能基礎之上，［7］各項科學過程技能得以平衡的訓練是發展高層次科學探究能力的必要條件.因此，教師應當全面了解教材對科學過程技能的呈現，并在開展探究教學時應有意識地平衡科學過程技能的培養，而非僅僅關注和重復使用某些科學過程技能，如“測量”、“控制變量”、“推理”等.其次，高階思維技能和科學過程技能之間存在著一定的交叉，科學探究中應用“作出假設”、“解釋數據”和“構建模型”三項科學過程技能，需要具備高階思維中科學推理以及創造性思維和解決問題的能力.［5，8］因此，教師還需要注重發展涉及高階思維能力的科學過程技能，從而為發展學生的高階思維能力提供機會.

3.3 考慮實驗的逐漸開放性，合理協調教師的指導程度

探究活動的開放性指在某些相關主題內容中，教材或教師的主導作用減弱而學生自主探究的權限增加；或是隨著年級的增長，學生自主控制探究環節的權限增大.可見，實驗探究活動的構成要素主要包括教材/教師的指導，內容/年級，以及探究活動的完整性，且隨著內容/年級的逐漸增長，探究活動中教師的指導力度應當逐漸減弱，學生參與探究活動的水平逐漸增大，訓練的科學過程技能也應當愈發復雜，［9］如圖3所示.

圖3 探究活動的開放性

因此，教師應當根據學生年級適當調整指導程度，合理設計學生自主參與探究活動的完整性.例如，對于必修1中“探究加速度與物體受力、物體質量的關系”實驗，屬于高一年級學生的學習內容，因此在開展此實驗時，教師可以給予學生較多的指導，引導學生基于已學知識和生活現象提出研究的問題，并對此作出猜想和假設，加速度的大小與力和質量的大小有關，隨后指引學生設計實驗、記錄和處理實驗數據，形成結論并進行討論和交流.而對于必修3中“測量金屬絲的電阻率”實驗，屬于高二年級學生的學習內容，且基于初中的學習，學生已經基本掌握電學實驗的方法，因此教師可以適當降低指導力度，提高學生自主參與探究活動的完整性.