物理科學探究回歸科學實踐本質的教學思考
——以閉合電路歐姆定律的探究學習情境開發為例

董光順 李志堅

（1.云南師范大學附中呈貢校區，云南 昆明 650504；2.昆明市教育科學研究院，云南 昆明 650000）

在科學教育的發展中，初期的科學教育將靜態知識視為科學，到了20世紀80年代末，探究是科學的本質的觀點開始被學界認同.但受到經驗主義哲學的影響，科學教育對于科學探究的理解越來越狹隘，不少課堂將“科學探究”簡化、異化為按程序和步驟進行的“實驗測量”.直到2011年，美國頒布的《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念與核心概念》（以下簡稱《K12-框架》）提出了“科學實踐”的概念后，2013年4月NRC發布《新一代科學教育標準》進一步將科學教育的首位關鍵詞由“科學探究”更換為“科學實踐”.［1］至此，科學本質觀經歷了“科學作為知識”到“科學作為探究”，再到“科學作為實踐”的發展過程.物理作為科學教育的重要組成部分，在此背景下，我們有必要將物理科學探究素養回歸到科學實踐本質的國際視域下進行理解、探視和培育.

1 科學實踐視角下物理科學探究素養的解讀

1.1 科學實踐的基本概念

《K12-框架》將“科學實踐”定義為“科學探究所需要的一系列認知的、社會的和行為的活動.”［2］相關學者在后續研究中做了重要補充：① 科學實踐不是一系列要素構成的固定程序，而是科學探究所指向的不同類型的學生活動；［3］② 科學探究的實踐本質是以用“動腦”驅動“動手”的理論性探究為主導的活動過程，實踐本質要以“動嘴或動筆”的方式體現了科學探究的社會性過程.___________________［4］

1.2 傳統科學探究與科學實踐

“科學探究”（以下稱為“傳統科學探究”）一詞源于1961年芝加哥大學施瓦布教授在哈佛大學的報告.關于科學探究的最新界定見于2000年由NRC發布的《科學探究與國家科學教育標準—教與學的指南》.該書指出：科學探究表示學生需要發展的，設計和實施科學實驗研究的能力，以及應獲得的對于科學探究本質的理解.［5］

概念界定的表述中，明確了“傳統科學探究”是學生發展需要培養和具備的能力，重視通過觀察、測量等手段，收集數據、處理數據并獲得實驗結果的學習經歷.在科學實踐視角下，傳統的科學探究主要是開展量化實驗和經驗調查，偏向于學生的行為活動.它與“構建解釋”和由主張、批判、論證等社會性交互活動所組成的“評估”，共同構成科學實踐的3個關鍵活動，如圖1所示.［6］

圖1 《K-12框架》中科學實踐的3個關鍵活動

1.3 物理科學探究與科學實踐

2017版的《普通高中物理課程標準》指出：“科學探究”（以下稱為“物理科學探究”）是指基于觀察和實驗提出物理問題、獲取證據并作出論證和解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力.它由“問題、證據、解釋、交流”4個核心要素組成.筆者參照科學實踐本質的術語體系，構建了圖2所示的物理科學探究框架.

圖2 物理科學探究素養中的4個關鍵活動

物理科學探究素養與《K-12框架》中的科學實踐在構成要素和意蘊主張層面保持了一致，物理科學探究在傳統科學探究的基礎上豐富了實踐活動的要素及內涵，“交流”和“解釋”兩個關鍵活動，分別從社會和認知層面回應了實踐作為科學本質的最新的科學觀.在物理科學探究中，基于證據的交流活動就是學生進行科學論證的過程.在證據基礎上，以思辨為重要特征的語言交互構成科學探究中的解釋活動.

對于“解釋”的準確理解需要歸置到解釋學視角下，學者張彤、薛曉陽在評價哲學家施萊爾馬赫和狄爾泰等人的精神科學時寫道：“解釋從來不是對客觀世界一一對應的反映，而是人表達自我、想象和自由的方式.”［7］筆者認為，物理科學探究中的解釋特指個體通過體驗、推理、協商、洞見、創造等途徑，與客觀世界對話的方式.對話的結果并不以世界“原樣”為唯一，對話的過程就是學習者基于證據進行規律構建和概念內化的過程.

2 科學實踐視角下物理科學探究的教學審視

2.1 物理科學探究的再認識

科學探究素養是學生經歷科學學習后，需要養成的適應個人終身發展和社會需要的必備品格.它不僅是物理課堂需要努力達成的育人目標，同時還是化學和生物課標明確要求培養的學科核心素養.在物理學科中，科學探究不僅是學生要重點培育并養成的素養，還是學生養成物理觀念、發展科學思維、形成科學態度的重要途徑.

科學的實踐本質并不否認科學認知是個探究的過程，也并不意味著在科學教育中要弱化師生的探究行為.“實踐”替代傳統“探究”作為科學的本質，用來指導科學教育實施的初衷，在于拓寬科學教育的視域，豐富科學活動的內涵，抵制傳統科學探究的模式化和步驟化，并在實驗測量的基礎上，凸顯科學活動的認知屬性和社會屬性.圖2所示的物理科學探究素養框架正是物理教學對科學實踐本質的具體回應，可以認為，科學探究素養反映了我國物理學科教學研究者扭轉傳統科學探究模式化傾向的努力.

2.2 物理科學探究的教學要求

總體要求上，科學實踐背景下的科學探究教學，不僅要重視科學實驗中的數據測量和數據處理的過程，還要強調學生基于測量結果的數據建模和構建解釋的學習體驗，并在問題、證據、解釋3個關鍵活動間，建立以思辨和論證為立場的同伴對話機制.此外，在具體的課堂教學中還應該關注以下3個方面的內容.

（1）課堂要以真實問題或任務為中心.問題的生成講究自主、自然，任務驅動下的探究活動要以獲得解決方案為直接導向，在問題解決過程中通過“解釋”實現規律和概念的建構.

（2）開展科學實踐活動要以真實情境為基礎.探究性學習情境的創設目的不僅在于激發學生的學習動機，更要為學生開展認知活動，進行探究學習創設環境.因此，以實驗為手段的科學探究要關注情境的創設，更要重視“問題情境-實驗情境-學習情境”的有序轉移.

（3）確立學生作為科學探究活動的獨立主體.傳統的科學探究太重視應然結果的獲得，實踐傾向下的科學探究則更在意學生獨立地參與了哪些具體活動.希望教師在實踐活動中能夠自覺退位，不過度預設、不過界引導，以確保學生像科學家一樣獨立地經歷科學研究中本就存在的迷思和不確定性.

3 科學實踐視角下的物理科學探究教學案例——閉合電路歐姆定律的構建

3.1 教材分析

高中物理選擇性必修3中的“電能 能量守恒定律”一章，凸顯了3個與核心素養相關主題詞：“測量”指向科學探究、“守恒”指向物理觀念、“可持續發展”指向科學態度與責任.其中“閉合電路歐姆定律”1節是單元教學的核心，它是培養學生科學探究素養的優質素材，我們以此為例進行案例探討.

在2019年全國推行使用的各版本教材中，“閉合定律歐姆定律”一節所涉及的知識內容和呈現順序基本一致（如表1所示），但各版本在閉合電路歐姆定律這一關鍵規律的獲得上，采用了3種完全不同的路向.

表1 各版本新教材的知識與呈現順序

路向1.魯教版教材從能量視角，通過類比“人工瀑布”引出電動勢概念，對比干電池和蓄電池造成的小燈泡亮度變化的差異，推測電池內部存在電阻.最后，通過分析全電路的電勢變化（如圖3示），導出閉合電路歐姆定律.

圖3 “魯教版”教材中全電路電勢升降的插圖

路向2.人教版教材從動力學視角，對電荷在電源內部移動時的受力進行分析，引出電動勢的概念，并在陳述中直接給出了內阻.然后根據全電路中的能量轉化，推導閉合電路歐姆定律.

路向3.粵教版和滬科版教材利用內阻可調的電解液槽（如圖4示），測出全電路中內、外電壓之和為定值.在此基礎上，結合能量轉化與守恒的觀點，推演電動勢和閉合電路歐姆定律.

圖4 “滬科版”教材中可調內阻電池結構的插圖

3.2 取向分析

4個版本的教材均通過演示燈泡亮暗或路端電壓的“異常”變化，創設真實的問題情境引出本節課的學習內容，但在“問題解決”的環節，只有滬科版教材和粵教版教材有明顯的實驗探究傾向.正如滬科版必修3的教師用書中提到的：滬科版教材十分強調實驗探究和理論分析，力圖再現閉合電路歐姆定律建立的過程，旨在培養學生的實驗能力，并讓學生親歷“觀察、提出問題、作出猜想、證實猜想”的發現過程.

事實上，在最新修訂的《普通高中課程標準》中也明確指出：在實驗探究閉合電路歐姆定律等內容的學習中，要努力創設激發學生探究欲望的問題情境，引導學生進行科學探究，培養學生實驗設計、分析論證、反思評估等能力.［8］鑒于科學探究素養的特殊地位，在兼顧能量守恒觀念培育的基礎上，筆者認為本節課的教學設計要尊重閉合電路歐姆定律作為實驗定律的學科事實，［9］在科學實踐本質取向下，應該將優先發展學生的科學探究素養作為本節課的核心目標.

事實上，在科學實踐本質的視角下，滬科版和粵教版教材中的探究活動設計，也存在一些問題.

（1）教材中的科學探究主要是由教師操作的演示實驗.實驗的主要目的在于促進學生對概念和規律的理解，但在規律構建過程中，學生難以以科學探究的主體角色有效地參與到具體的實踐活動中.

（2）教材按照能量守恒的觀點指導學生推演閉合電路歐姆定律時，學生可選擇的思維活動路向單一，難以組織學生開展證據、解釋、論證等具有顯著科學實踐特征的學習活動.

3.3 科學實踐活動片段

實踐活動1：問題情境創設與任務生成.

（1）引入情境.教師向學生演示圖5（甲）所示的實物電路在依次閉合開關時，燈泡亮度的“異常”變化.

（2）引出問題.讓學生結合所學內容思考，燈泡亮度發生變化的可能原因.學生給出了燈絲電阻變化、導線的電阻變化等猜想.

（3）任務生成.用定值電阻代替小燈泡，如圖5（乙）所示，排除燈絲電阻變化的因素后，發現電流表的示數變化依然存在相似的結果.生成任務：試推測支路電流發生變化的原因是什么？請嘗試進行論證.

圖5 問題情境向核心任務轉化

設計說明：通過實驗創設問題情境，并將問題情境轉化為開展科學探究的學習場域，旨在讓學生通過科學探究解決問題，在問題解決中發現規律；用定值電阻替代小燈泡，一方面是為了減少探究中需要關注的因素，突出研究主題的同時降低學生探究難度，另一方面是小燈泡的阻值較小，支路增加后，流過電池的電流較大，會影響電池的性能，導致測量數據的偏差較大.

實踐活動2：通過測量和調查獲取證據.

大部分學生通過充分的推理和交流后，能夠將探究活動的重點聚焦在電源內部.但在實際教學中，筆者發現，除非教師過度預設或越界引導，學生很難想到電源存在內阻.大部分學生認為可能是由于電池在使用過程中性能發生了變化而導致供壓下降，但很難設計出可行的論證方案.在此學情下，教師利用PPT展示1965年著名物理學家理查德·費曼在康奈爾大學發表有關“數學和物理學關系”系列講話的照片，呈現觀點“一個有趣的方面是如何研究新物理學及測方程變量的方法似乎是一種非常有效的方式”作為提示語.

（1）實驗測量.通過討論，能夠將問題歸因于電源內部的學習小組，搭建了圖6（甲）所示的測量電路，測量了依次閉合開關時干路電流和路端電壓的6組數據；歸因推理受阻的小組，則根據實驗現象從支路入手，搭建了圖6（乙）所示的測量電路，測量各個支路的電流和路端電壓的數據.

圖6 學生進行實驗測量的兩類電路

（2）數據處理.各小組使用提供的電腦進行數據處理，使用（乙）電路進行測量的學生最先得到的是支路電壓隨電流線性變化的關系（部分歐姆定律對應的規律）.這個測量結果只說明了定值電阻在依次閉合開關過程中阻值保持不變；使用（甲）電路進行測量的學習小組，則順利地得到了路端電壓隨干路電流的變化關系大致是線性的.隨后，教師指導使用（乙）電路進行測量的學生將各支路的電流進行求和，也順利地得到了與（甲）電路相似的數據結果.

設計說明：（1）在推理猜想環節，學生無法形成清晰的預測和論證方案看似遺憾.但事實上，這種情形更符合實際的科學研究工作，這也是不少同學在探究學習中經常要面對的境況.我們不建議教師作進一步的明示和引導，強迫學生給出脫離認知實際的假設，而是希望學生采用“測量變量”這種更為普遍的科學研究思路.（2）為確保學生在開展實踐活動時的意識自主和思維自由，筆者并沒有強行統一（甲）、（乙）兩種測量方案，而是在數據處理時再指導學生將（乙）類電路測得的支路電流求和后轉化為干路電流，這樣做的好處在于：一方面重現了部分歐姆定律的內容，另一方面開闊數據處理思路的同時實現了不同研究方案之間自然統一.

實踐活動3：在數據模型的基礎上構建解釋.

（1）數據建模.指導學生根據圖線趨勢作出判斷后，利用Excel中的“添加趨勢線”和“顯示公式”功能，對數據結果進行擬合、建模，獲得圖7所示的線性關系.得到了依次閉合各支路開關時，路端電壓和干路電流之間的“數值關系”（U=b-k I）.

圖7 變量間的“數值關系”

（2）構建解釋.組織各小組探討數學關系U=b-k I內隱的物理規律，討論分3層.

第1層，學生可以用兩種思路論證斜率和截距表示的物理量.

思路2.能量守恒視角UI=bI-k I2.

通過交流易知，截距b為電壓量，斜率k為電阻量，因實驗電路中干路電流對應的電阻來自于電源內部，論證了電源有內阻的科學事實.教師可結合干電池的內部構造，初步介紹歐姆極化、活化極化、濃差極化等造成電池存在內阻的原因.

第2層，弄清數據模型中的常數表示的物理量后，可獲得更為隱蔽的物理量關系b=U外+U內.

此處，可以考慮指導學生利用如圖8所示的高精度智能電池測試儀，測量本小組干電池的內阻和電動勢的數值.各小組將發現擬合出的圖像的斜率和截距在數值上與測試儀的示數吻合.

圖8 智能電池測試儀

（3）解決問題.組織學生基于所學內容討論，依次閉合開關時支路電流逐漸變小的主要原因.

設計說明：（1）量綱分析與守恒分析是科學研究中，透過數據模型探析科學規律的有效視角.（2）從數據模型到解釋構建的過程需要自然孕育、層層破繭，才有可能確保概念和規律在個體認知網絡中自然地、不偏離事實地、完整地生長.

課堂最后，教師可選擇性地布置以下任務作為學生進行拓展學習的課題.

素材1.結合本節課的學習，自主設計測量電池內阻和電動勢的實驗方案；

意圖：希望學生對本節課的測量電路進行如圖9所示的優化，自主獲得教材中測定內阻和電動勢的實驗方案.

圖9 測量干電池內阻和電動勢的電路

素材2.調研干電池在持續使用過程中內阻和電動勢隨時間變化的規律.

意圖：建議學生使用電池電動勢和內阻測量儀進行測量，鞏固調研意識，懂得科學使用電池的方法.

素材3.寫一份關于電池研究和發展的調研報告.

意圖：了解電池的發展歷史和處置廢舊電池的環保方式，知道最新的研究進展，最好能形成一定的研究展望.

4 案例的教學反思

4.1 關于本節教材編寫的建議

4.2 關于物理科學探究教學的反思

科學實踐本質背景下的探究教學要確保學生作為開展實踐活動的唯一主體，優先關注具體的學生活動設計，弱化對科學探究程序和步驟的淺層效仿.目標設定上，要從“方法—技能”取向向“思維—素養”取向轉化；在活動設計方面，需要將單一的數據測量與處理向由“問題、證據、解釋、交流”融合成的、更接近科學研究實際的綜合性實踐活動發展.在具體的教學實施中，教師需要著力提升：情境創設與開發、提問、啟發、課堂組織、引導深度學習等更有助于培育學生核心素養的教學技能水平，創設有益于學生開展探究學習的課堂環境.