國內外物理實驗教學的現狀分析與展望

李春密，顧江鴻，張 霄

(1.北京師范大學 物理學系，北京 100875；2.阜陽師范大學 物理與電子工程學院，安徽 阜陽 236037；3.教育科學出版社，北京100101)

第八次課程改革實施以來，特別是在落實以培養學生核心素養為育人目標的過程中，實驗教學逐漸發展成為孕育學生創新能力發展、核心素養提升、終身學習能力養成的重要土壤. 為充分發揮實驗教學功能，我國陸續出臺了一系列重要舉措來加強實驗教學工作.

2019年11月教育部發布的《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》[1]指出：實驗教學是國家課程方案和課程標準規定的重要教學內容，是培養創新人才的重要途徑，并針對實驗教學條件的保障給出具體實施意見. 《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》中明確規定，學校要根據學生人數按國家標準建設足夠的專用實驗室，配齊配足實驗器材；要根據國家有關規定，按標準配齊物理教學所需設施設備，在條件允許的情況下改進和提高物理實驗器材的配備標準[2]. 與此同時，《初中物理教學裝備配置標準(JY/T 0619-2019)》《普通高中物理教學裝備配置標準》(進行中)的修訂實施，也將有助于加強實驗室的硬件配置與建設，解決現存物理實驗教學中開不足、開不齊、開不好的現實問題.

縱觀近年來我國物理實驗教學的發展，同時與國際上其他國家實驗教學的發展進行對標，可進一步明晰我國物理實驗教學發展的現狀.

1 聚焦實驗教育目標

從十九世紀自然科學作為課程在中小學開設以來，實驗就成為科學課程的特色. 有觀點認為科學課上做實驗是理所當然的事情，例如J. Solomon認為實驗和科學課堂的關系就像廚具和廚房、農具和農田的關系，是密不可分、理所當然的. 也有人用口號式語言說明實驗的重要性，例如科學教育界長期流傳的“I hear, and I forget. I see, and I remember. I do, and I understand”“Hands on，minds on”. 更多的人通過實驗所體現出的教育目標來說明其重要性.

1999年英國國王大學的J. Swain等人[3]在借鑒了英國科學教育家J. K. Kerr成果的基礎上使用了20項實驗教學目標來調查科學教師對實驗教育目標的理解，這20項實驗目標分別是：創新性活動、使現象更真實、有利于記憶事實和規律、訓練發現問題和尋找解決問題的方法、表明科學在工業上的應用、促進邏輯推理方法、促進細致的觀察和描述、發現事實得出原理、理解和操作儀器、幫助理解理論知識、培養自信、喚起并保持學習興趣、促進交流能力、促進合作能力、樹立正確的學習態度、訓練操作技能、證實所學的科學事實和科學理論、形成質疑的態度、獲得操作經驗、為操作考試做準備. 在此基礎上，有4項研究對實驗教育目標進行了歸類，使其在教學中的操作性更強.

美國國家研究理事會于2006年提出7類分類法(把科學推理與科學本質合二為一)[4]，以色列魏茲曼科學研究所A.Hofstein于2007年提出5類分類法[5]，加拿大多倫多大學D.Hodson于2014年提出5類分類法[6]，A.Hofstein于2017年提出實驗教學獨有的新5類分類法[7]，具體見表1，表中 “√”表示分類中所包含的內容.

于我國而言，加強實驗、重視學生的實踐活動，始終是重要的教育課題. 物理實驗之所以在中學物理教學中占據重要地位，不僅是因為它能幫助學生學習掌握最基本儀器的使用方法，更重要的是能在物理實驗中培養學生分析問題和解決問題的能力. 在《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》中，物理核心素養被凝練為物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個方面，并具體體現在物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念，模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新，問題、證據、解釋、交流，科學本質、科學態度、社會責任等要素上. 雖然在課程標準中未對實驗教學目標進行明確規定，但是物理實驗作為物理學科的重要內容和方法，物理核心素養每個方面的要求都應在實驗教學中逐一落實，因此，實驗教育的目標應指向學生核心素養的發展，與上述國外實驗教育目標進行對比，我國將實驗教育融入到物理教學中，所體現出的教學目標與國外基本一致.

2 加強科學探究深度

習近平總書記多次強調，課程教材要發揮培根鑄魂、啟智增慧的作用. 物理教科書作為最直接的課程資源，在培養學生核心素養方面具有重要作用. 教材的難易程度不僅決定著學生理解知識的程度，而且還關系到人才培養目標和民族的整體素質. 在2014年結題的全國教育科學規劃領導小組辦公室主持的“中小學理科教材國際比較研究”項目中，以中國、澳大利亞、日本、韓國、新加坡、德國、法國、俄羅斯、英國和美國10個國家的主流理科教材為比較對象，對教材的難度進行了比較研究. 就物理學科而言，初中和高中的比較文本分別選取了人民教育出版社出版的《義務教育課程標準實驗教科書·物理》和《普通高中課程標準實驗教科書·物理》. 在實驗維度上，我國初中和高中教材在廣度和總深度上都排名第一，但是平均深度卻都排名第8，由此可以得出我國物理教科書的實驗內容在初中[8]和高中[9]階段都呈現出“廣而淺”的特點. 雖然在具體實驗教學開展的過程中，各個國家對教材的依賴程度不同，但教材中的實驗難易程度可作為反映我國學生實驗水平的基本依據.

之所以我國教材在實驗維度上呈現出平均深度低的結果，其主要原因是教材中實驗的探究層次低，探究引導過于形式化，沒有真正從提升學生能力的角度進行實驗設計. 探究實驗作為科學探究的主要表現形式，在以培養學生核心素養為目標的新課程改革中，被重新定位. 在《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》中，第一次明確提出了21個學生必做實驗，作為實踐體驗性最強的物理學習方式，學生必做實驗在新課改中被予以充分重視，通過全過程的探究體驗，可以全方位地培養學生的科學探究能力；在這次課標修訂中，演示實驗也被確定為探究型實驗，認為“演示實驗是師生共同探究物理問題的學習方式，也是體驗性較強的學習方式”.

依據新課標，在新教材的編寫過程中，也著重體現了實驗探究過程中學生的主體地位，確保學生能夠得到“提出假設、設計實驗方案、獲取數據、分析數據、得到結論”等科學探究活動的機會[10]，提升探究的主動性與完整性，為核心素養的提升創造條件. 對于一些需要通過實驗來學習的內容，多數都在教材中安排為專門的“實驗探究”，同時為了體現探究性，教科書只從思路上引導學生如何開展探究，而不給出具體的實驗操作步驟， 思路討論清楚后，再給出 1 ～ 2 個參考案例，而不是固定的方案，以便充分體現探究思想[11]. 2022年4月21日，新發布的《義務教育物理課程標準(2022年版)》將實驗探究作為一級主題，更加突出了實驗探究的地位和作用.

3 重視實驗教學策略

從上世紀七八十年代開始，國際科學教育界就開始圍繞實驗教學的效果展開討論，該討論一直延續到現在. 不少實驗教學效果的研究揭示出教師預設的實驗教學目標與師生在實驗教學上的行為結果不一致，有人甚至提出，實驗教學只是學生“動手，而沒有動腦”，實驗操作只是“操作器材，而沒有操作思維”. 為了改善實驗教學的效果，除了教師從實驗教學目標的設計、實驗活動主題的確定、實驗教學資源的選擇著手外，學生的主動參與、主動思考、自主決策也很重要，因此選擇合適的教學策略對于改變學生在實驗教學中的狀態，提升實驗教學效果尤為重要.

1992年，R.T.White和R.F.Gunstone提出“預測-觀察-解釋”(predict-observe-explain, 簡稱POE)策略，該策略是在“觀察滲透理論”哲學觀念和建構主義、前概念、概念轉變等教育理論基礎上提出的新型演示策略，其流程為：在實驗演示前，學生根據已有知識對實驗現象進行預測；教師演示實驗時，學生觀察實驗；然后學生對所觀察到的現象進行解釋. POE策略能促進學生在實驗活動中把自己腦海中的前概念與學習到的概念建立聯系，使學生在實驗中不僅“動手”，而且“動腦”.

1996年，J.E.Penick等人提出“提問”策略(questioning strategy). 該策略把問題分為歷史(history)、聯系(relationship)、應用(application)、懷疑(speculation)、解釋(explanation)等類型. 通過提問幫助學生回憶已有經驗，利用已有知識質疑自己學習的內容. “提問”是教師了解學生學習情況的常用教學手段，在實驗教學中，利用“提問”策略提供的分類提問技巧將有助于促進學生的實驗學習.

1999年，C. W. Keys提出啟發式科學寫作策略(science writing heuristic, 簡稱SWH)，他在研究中發現學生在食譜式實驗活動中只是操作器材，而沒有思維活動，因此不能掌握操作背后的科學觀念. 他在建構主義學習理論基礎上，提出了啟發式科學寫作策略. 該教學策略能引導學生把實驗活動中的思考和觀察到的現象建立聯系.

2020年，Y. Muhamad[12]研究表明搜索-解決-創新-展示策略(search-solve-create-share，簡稱SSCS)能促進學生的反思能力和解決問題能力的提高. SSCS是適合于開放性實驗活動的教學策略，包括搜索、解決、創新、展示4個階段. 研究表明SSCS有利于學生明確自己在實驗活動中的任務，實驗組學生的提問能力、探究設計能力、數據收集和分析能力均好于控制組學生. 其中搜索和創新環節可促進學生學習的主動性，在科技實踐活動中更能發揮作用.

針對具體的教學內容，我國也發展研制出了相應的實驗教學策略，用以幫助物理教師采取有效的措施促進學生“動手”與“動腦”相結合，從而提高實驗教學的效果.

1999年，陶洪提出了在物理規律教學中適用性較強的演示實驗教學模式，如圖1所示. 在該模式中，實驗操作產生的物理過程和現象被觀察者感知，并得到一定的物理表象(感性認識)，這些表象經初步的思維加工而得到觀察結論(抽象的規定)，經進一步思維之后得到實驗結論[13].

圖1 物理規律教學中的演示實驗教學模式

2005年，張偉從課程資源開發與利用的角度，梳理了利用“非專門化物質手段”開展的實驗活動中實驗教學的歷史與現狀，提出了“非常規”物理實驗的概念，并對這類實驗的教育教學功能進行了深入的分析和概括，繼而從物理學科培養和諧健康發展的人的目標出發，建立了“生態化物理教學”的理論模型，系統地探討了相關的理論問題，并進行了實際教學案例分析[14].

2007年，葉歆等人以物理探究演示實驗為載體，建構了以學生為主體的物理探究演示實驗教學策略，具體教學流程如圖2所示. 該教學策略通過整合科學探究的7個要素，將探究演示實驗的操作程序分為5個階段，每個階段都設計了相應的教師活動、策略體系和學生活動，用以加強學生在演示實驗教學中的主體性，為探究性教學的有效開展提供助力[15].

圖2 探究演示實驗教學的操作程序

新課改中突出核心素養教育的教學設計是“思維型教學”，思維型教學的大致流程為: 創設情境——提出問題——自主探究——總結反思——應用遷移. 該流程的主要目標為：激發學生的學習動機，引起學生的認知沖突，學生自主構建新的認知[16]. 在實驗教學中，該教學策略同樣適用.

2019年，顧江鴻等人提出了演示實驗探究化的觀點，給出了探究化演示實驗的7個要素以及探究化演示實驗的流程[17]，如圖3所示. 學生的日常經驗、前概念和已有的科學概念與科學事實以及科學概念是學生從前概念到科學概念轉變所經歷的探究過程，在探究過程的兩側是交流，表示探究過程是在師生、生生、小組或全班充分交流的環境中進行的.

圖3 探究化演示實驗要素結構圖

2021年，趙蕓赫等人建構了基于開放性實驗問題解決探究活動的設計及實踐框架，提出了4類實驗活動的問題解決模型，即觀察型實驗活動、驗證型實驗活動、應用型實驗活動、獨立實驗問題解決活動. 讓學生在所創設的真實的、無標準答案的問題情境中進行科學實踐，考查學生在活動中的能力變化，用以解決中學物理中科學實踐方面存在的問題以提升學生的科學能力[18].

4 多重實驗教學評價

2015年斯坦福大學J.Osborne從科學研究過程的角度分析了做科學(doing science)在科學研究和科學學習中的地位，提出了科學學習過程應包括做科學(doing science)、談論科學(talking science)、寫科學(writing science)、閱讀科學(reading science)和展示科學(representing science)5種形式[19]. 做科學只是整個學習過程中的一種形式，只有正確對待做科學在科學教育實踐活動中的地位，才能發揮實驗教學的作用. 以上所列的每一種學習形式，作為科學研究過程中的必要步驟，是需要學生通過科學教育才能習得的能力，進而也可作為評價學生科學研究水平的指標體系.

我國在物理實驗評價方面的分類繁多，既有結合心理學知識對物理實驗能力進行界定繼而展開的評價，例如將物理實驗能力確定為實驗觀察能力、實驗思維能力和實驗操作能力，其中實驗操作能力作為核心能力，包括深刻性、靈活性、敏捷性、批判性和獨創性等品質[20]；又有以物理課程教學為依托，通過對實驗過程中學生在課程目標各個維度上的表現進行評價，從過去的三維目標到如今的核心素養課程目標，均可借助實驗教學評價來完成對課程目標的有效落實；還有以不同評價主體為切入點而展開的多角度實驗評價，例如可分為個人自評、小組互評和教師評價等[21]，通過多角度評價對學生在實驗過程中的表現給予真實全面的評價.

考試招生制度是教育評價體系的重要組成部分. 高考上接高等教育，下連基礎教育，是教育的關鍵環節，其考查內容對實驗能力水平也有相應要求. 《中國高考評價體系》[22]在考查“關鍵能力”中提出了3方面的關鍵能力群，即知識獲取能力群、實踐操作能力群、思維認知能力群，其中實踐操作能力主要包括：實驗設計能力、數據處理能力、信息轉化能力、動手操作能力、應用寫作能力、語言表達能力等. 由此可見，我國在培養學生的實驗綜合能力方面，對學生實驗能力的要求和評價也具有綜合性. 在我國不少地區，實驗考核已被列入結業考試和升學考試，例如上海地區從2021年開始將物理、化學實驗操作得分(滿分15分)正式計入中考招生總成績，但現實卻不盡如人意，由于實驗考題的內容、評價的標準和方法都受到了限制，使得分數的高低難以切實反映學生真正的能力，學生只動手不動腦、只操作器材而沒有提升能力的現象仍比比皆是.

5 豐富實驗教學資源

教學資源是教育教學中不可缺少的物質手段，對實現教育目標、提高教學質量具有十分重要的作用. 隨著時代發展，實驗教學既要加強儀器設備的配備、更新工作，又要積極拓寬資源渠道，開展自制教具的創新設計，從而讓教學資源在中小學教育教學中發揮更大的作用.

縱觀國際科學教育研究，信息技術在實驗教學領域中的應用日益凸顯，且主要包括以下3類：1)用計算機輔助真實實驗，典型工具有微型計算機實驗室和數字信息系統實驗室等. 2)為了開展虛擬實驗而開發的工具，包括計算機仿真程序、模擬實驗軟件等. 3)基于網絡和大數據，用于輔助教學的素材數據庫、課堂管理系統或網絡學習平臺. 就物理學科而言，與傳統實驗相比，通過信息技術與實驗教學相結合，可達到增強視覺效果、精確實驗數據、優化實驗方案、消除系統誤差等目的. 信息技術的融合賦予了物理實驗新的內涵，也擴展了物理實驗的教學功能[23].

在實際教學中，不少物理教師借助實驗教學設備的更新換代來加強學生與時代間的關聯. 例如，教師利用手機等通信設備上安裝的測試軟件和傳感器軟件(phyphox，物理實驗室AR等APP)可隨時、隨處創造實驗條件，同時也能實現數據測量與采集的一體化. 由此可見，實驗室不再是實驗教學的唯一場所，學生可擁有更廣泛的空間進行自由探索，而教師的實驗教學方式也變得更加靈活多變. 實驗器材的變化一方面創新了教學的內容，另一方面也拓展了實驗的外延. 正如A.Hofstein[24]認為的那樣，實驗教學的外延在拓展，而拓展則體現在操作對象、學習空間和學習時間上，其中操作對象由實物拓展到了“實物+虛擬+數據”，學習空間由實驗室拓展到了“室內+室外+校外”，學習時間則由課內拓展到了“課內+課外”.

利用隨手可得的生活物品進行物理實驗教學，不僅是我國中學物理教學的優良傳統，也是國際物理教育中的普遍做法. 長期以來，自制教具因其簡便性、針對性和良好的演示效果得到了廣大物理教師的認可和推廣. 在新時代，涌現了一批利用信息技術制作、支持探究性教學的新教具，這充分體現了物理教師的創新精神和創新能力，這些教具對成品教具進行了有益的補充，更在加強和改進實驗教學、提高教學質量方面發揮了重要作用. 在探究實踐活動中，師生共同研制自制教具已屢見不鮮，這不僅有利于學生對知識的理解和能力的訓練，同時也強化了學生的創新意識、安全意識、環保意識等.

6 促進教師專業發展

聯合國教科文組織在《教育——財富蘊藏其中》中明確表示，各國政府應重新確立教師師資的重要性并提高他們的資格，提高教師的質量和數量應是所有國家優先考慮的問題[25]. 在2006年美國政府發布的《美國競爭力計劃》中指出，美國未來10年用于數學、物理等基礎學科的教育和研究的財政預算翻倍，同時增加培養了約7萬名高中教師(包括3萬名數學、物理和科學學科的教師)，以鼓勵更多美國青少年學習STEM領域的基礎知識[26].

我國于2007年決定在教育部直屬師范大學實行師范生免費教育政策，旨在通過直屬師范大學的試點積累經驗，建立制度，為培養造就大批優秀教師和教育家奠定基礎. 但是在師范生培養之初，不可避免地存在著一些現實問題. 在師范院校的課程設置中，那些與教學技能聯系緊密的教育學、心理學、教學法及其教育實習的課程門類少、學分少、學時短. 就物理學科而言，實驗技能中所包括的進行演示實驗、組織和指導學生實驗、操作實驗儀器設備等傳統的實驗技能在實際教學中的需求程度都比較高，但師范生的培養課程卻不能完全滿足教學技能的培養要求，從而成為培養師范生教育教學能力的短板[27]. 經過十幾年對師范生的觀察，師范院校在對師范生的培養態度上變得更加“務實”，除了重視教育見習、實習與研習對師范生的影響之外，還開設了一系列與其未來教育工作密切相關的教育類課程. 以北京師范大學物理學系為例，為師范生開設了“物理優秀教學案例研討”“教育觀摩與研討”“教育實踐與提升”“實驗技能訓練”等一系列專業課程，旨在從課程內容上加強與師范生未來教育工作的聯系，進一步培育師范生的教育專業素養.

2021年4月，教育部辦公廳印發了《中學教育專業師范生教師職業能力標準(試行)》等5個文件，其目的在于進一步加強師范類專業建設，建立師范生教育教學能力考核制度，推動教師教育院校將國家中小學教師資格考試標準和大綱融入到日常教學、學業考試和相關培訓中，提高師范類專業人才培養質量，即從源頭上提升教師隊伍教書育人的能力水平.

隨著以培養核心素養為目標的新課標頒布實施，課程理念上帶來的變革將從根本上實現我國基礎教育育人方式和模式的轉型. 在這一過渡期內，對教師的專業能力再次提出了新的挑戰. 2022年4月，《新時代基礎教育強師計劃》的頒布更是在教師能力素質、教師教育體系、教師隊伍建設等方面提出了具有時代特征的新要求. 在新時代背景下，每一位物理教師要從培養學生核心素養的角度出發，重新認識物理教學和實驗教學的價值，更新教學觀念、優化教學設計、組織教學活動，激發探索創新型教學模式的活力，從而促進自身的專業發展.

7 實驗教學展望

雖然近年來實驗教學工作取得了可見的進展，學生的實驗水平也有了整體提升，但不可否認的是個別地區、學校對于實驗室的硬件配置與建設的重視程度仍然不足，實驗條件與教學需求不匹配依然是亟待解決的問題. 開齊、開足、開好國家課程標準規定的實驗，改善農村地區、貧困地區以及薄弱學校的實驗教學條件，改變因缺少器材影響實驗教學的現狀，仍然是實驗教學領域需要攻堅的問題.

在確保物理實驗教學所需的物質資源逐步到位的同時，如何才能切實提高學生的實驗水平？長期以來，實驗教學雖一直被反復提及，但是迫于傳統應試教育的影響，實驗的功能并未在學生身上真正得以體現，實驗課程流于形式的現象也時有發生. 在以培養學生核心素養為目標的新課程改革中，實驗教學再次被委以重任，這就要求學校和教師重新認識實驗教學的育人功能，并予以實際重視，從而切實保障實驗課程的有效開展.

學生實驗能力的養成不是一蹴而就的，同樣對學生實驗能力的考查也不應以一次終結性評價為準，更何況紙筆測試所體現的能力有限，簡單的操作考查也不能完全代表學生的實驗水平. 為了能全面地徹查學生實驗能力的發展，需要設置科學、合理且與核心素養要求同步的實驗評價體系來加強對學生實驗能力的考查，其中實驗設計能力、操作能力、評估交流能力等，作為評價學生實驗能力的必備要素也需要進一步明確其測量標準，如此才能找出桎梏學生實驗水平的癥結所在，進而明確改進方向，及時有效地促進學生實驗能力的發展，從而提升其核心素養.