物理實驗育人的實踐探索與理論研究
——基于江蘇省前黃高級中學物理實驗教改的30年探索

蔡衛東 陳扣余

（江蘇省前黃高級中學，江蘇 常州 213161）

物理實驗是根據研究目的，運用科學儀器、設備，人為地控制、創造或純化某些物理過程，使之按預期的進程發展，同時在盡可能減少干擾的情況下進行定性的或定量的觀察和研究，以探求物理現象、物理過程變化規律的一種科學活動.［1］隨著課程改革的不斷深化，實驗教學正在得到逐步加強，但總體來說實驗教學仍是比較薄弱.中學物理教學最突出的問題便是忽視實驗育人的功能，具體表現為如下兩個方面：一是存在著以講代做、知行分離的現象，過于注重接受性學習與基于符號的邏輯演練；二是實驗教學淺層化，實驗“照方抓藥”，以模仿為主，學生沒有進行深入的實驗探究，沒有開展深度學習，不利于學生高階思維能力的培養.因此，要切實落實立德樹人的根本任務，就必須深化物理實驗教學改革，探索物理實驗育人的理論價值與實施路徑.

1 復歸物理實驗育人的價值本義

1.1 啟智行道：彰顯小實驗、大智慧的育人價值

物理實驗作為物理教育中凸顯理科屬性與科學本質的重要基礎，其內容設置、探究方法與內隱思維等眾多方面對于學生科學素養的培養均具有不可替代的作用.多年來我們致力于物理實驗教學的改革與創新，深度挖掘和轉化物理實驗的育人價值，旨在通過小實驗來彰顯大智慧，并提出了“啟智行道”的實驗育人理念.“啟智行道”為悟萬物之理，育創新之能，啟學科之智；立科學精神，行倫理道德，修家國情懷.具體而言，“啟智”即在物理實驗教學中啟迪學生智慧.物理實驗教學不是僅僅提供學生主動參與、動手操作與親身體驗的機會，促進基于經驗的知識建構，領悟概念和規律，更重要的是讓學生體驗科學探究的過程，掌握科學研究方法，增強轉識成智的能力.“行道”即在物理實驗教學中探索育人的道路.物理實驗教學不應止于引導學生探索知識，更應注重對學生進行科學精神、科學倫理道德及社會責任感等方面的教育.注重學生“學以致用”能力的培養，引導學生像“物理學家”一樣思考，將所學知識通過實驗研究及科技創新造福人類，提高學生的倫理道德水平和家國情懷的修養.

1.2 真趣思創：重構全面性、進階式的基本元素

物理實驗育人應該達成的基本元素是“真、趣、思、創”.“真”即真學實做.強調學生真正動手做實驗，進行積極的學科實踐，主動參與知識建構的過程.通過實驗探索，學生在操作技能方面有了真的收獲，也領悟了科學研究的過程和方法.促進學生從實驗走進物理，再從物理走向社會，這樣的歷程促進了學生核心素養的扎根生長.“趣”即激發興趣.設計新穎、奇特、生動、驚險和富有懸念的實驗喚起學生的直接興趣；吸引學生主動投入實驗探究過程，滿足學生的操作欲望；設計組織具有召喚性的小型探索性實驗和設計性實驗，激發起學生學習的內在動力，使實踐經驗成為主體的行動.“思”即思維縝密.實驗的全過程設計構思，既要從物理原理出發，保證實驗成功，又要遵循學生學習的認知規律.讓學生通過觀察實驗發現問題，經歷積極的、縝密的思考，提出猜想和假設，并應用所學知識解釋物理現象，總結反思得出物理規律.這樣來促進學生用物理學科典型的學習方式學習，引導學生像“物理學家”一樣學習和思考.“創”即創新創造.實驗教學中增加定性探索性實驗、模擬設計性實驗和定量研究性實驗，實驗設計從社會生活中的某種需要出發，考察為滿足這種需要的事物現存的缺點和不足，進而提出改進和創造的研究課題，培養學生的創新意識和探索能力，以及參與科學決策的民主意識和評價能力.

1.3 系統實踐：回溯生本位、促能動的實施原則

為了讓學生能夠沉浸式、適切性地從小實驗中獲取大智慧，物理實驗育人的實施原則應當注重學生本位，促進其能動實踐.詳細說來，實施原則主要包括如下3個層面.① 具身性原則：學習經驗的積累、操作的體驗依賴于學生的具身性學習.具身性強調動手、動腦、動情、動心相結合，通過身體的感覺運動系統與周圍環境的互動，讓學生親身經歷知識產生的過程，從活動出發，激活學生的深度思維和探究欲望，促成學生真正意義的學習，進而實現學生成長的獨立性、選擇性、多變性與差異性.② 系統性原則：實驗育人過程要形成一個系統，不能僅局限于國家實驗課程的教學，應該還包含著具有校本特色的、更具體系性的課程.課程內容做到有梯度、分層次、分階段，并符合從簡單到復雜、從低級到高級循序漸進地認識規律.要對整個實驗教學計劃進行統籌安排，體現各階段的培養目標，使不同特點的實驗教學內容能環環相扣，有序地向縱深發展，組成一個前后銜接、層次分明、有節奏美感的實驗教學體系.③ 社會性原則：在實驗教學中，一定要多維度建立科學實驗與社會的關聯性.通過實踐學習，理解社會結構，設身進入社會，探討社會問題，建立自我與社會的關系.實驗要緊密聯系社會發展和時代所面臨的各種問題，解決日常生活、生產中要解決的問題，發展學生進入社會、進入生活、參與社會的意識、責任和能力，直至形成改造社會的必備品格和關鍵能力.［2］

2 重塑實驗育人體系的實踐探索

2.1 全面涵蓋物理實驗的基本類型

面對差異化的學生和差異化的需求，根據學生的認知發展規律和差異化的培養目標，我們對高中物理實驗體系上做出了合理的調整，構建了由基礎性實驗和拓展性實驗組成的分層進階實驗教學體系，以滿足不同學生能力和素養培養要求.

基礎性實驗由演示實驗和必做實驗構成.演示實驗主要是依據高中物理課程教學內容而開發設計的系列實驗.我們在學校課程基地建立演示實驗中心，每周安排學生親身動手操作演示實驗，指導學生對實驗現象進行觀察與分析，使學生獲得生動的感性認識，增強對核心教學內容的直觀理解，促進學生觀察能力和思維能力的逐步提升.必做實驗是《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》規定的21個學生必做實驗，著重于學生基本物理實驗知識和實驗技能的培養、基本儀器的掌握和使用、實驗數據的分析和總結、撰寫實驗報告能力的培養.［3］

拓展性實驗由探究性實驗、綜合性實驗和創新性實驗構成.拓展性實驗目的不在于深化學科知識、掌握先進的儀器和訓練操作技能，而在于彌補必修課程在科學方法訓練功能上的不足，讓學生接觸探索、發現、發明的過程和方法，在探索發現的過程中，發展學生理性的、審辯的思想方法，體驗科研工作的苦衷和愉悅，培養他們的發現、探究能力.其中，探究性實驗有奇妙的上滾現象、肥皂膜上的光學現象、傾斜擺周期的探究等小型實驗課題探究，著重培養學生初步的探究能力，初步學會并運用科學的方法解決問題.綜合設計性實驗有用手機照相功能研究物體的運動、地面與隧道列車快慢的比較研究、傳感器在無人駕駛中應用的研究等活動項目，著重培養學生對知識的靈活應用能力，以及發現、分析和解決問題的能力.創新性實驗有關于沙粒堆積形成錐形樁的研究、橋梁的設計制作、高斯炮的研究等實驗項目，著重培養學生的基本科學研究素養，包括查閱文獻、收集資料、設計方案、采集和分析數據、撰寫研究報告等內容，全面提升學生的動手實踐能力和創造性思維能力，培育學生的興趣愛好、創新精神和科學素養.

2.2 明晰學生物理實驗的學習過程

物理實驗是人類認識世界的一種重要的科學實踐活動.從學生對物理學習的認知角度來看，物理實驗學習的過程如下.

仿操作.學生在觀察了教師的實驗示范操作后，往往激發了動手做的興趣.在了解有關實驗儀器的用途、主要構造和操作規則，懂得實驗的基本原理和操作步驟的基礎上，按照教師示范進行仿效，然后再轉變成規范動作.這是實驗學習的開端.為實現操作行動的有效模仿，必須綜合運用各種實驗技能和方法，并經教師的及時評價和點撥啟發，逐步提升自我評判及獨立操作能力.經過多次練習，學生操作技能的學習就從教師指導逐步過渡到獨立操作，操作技能逐漸熟練并趨于自動化.

析原理.學生利用適當的工具和各種技術手段敏銳地收集重要信息，以圖形、表格、圖像等多種方式分析處理數據.運用物理原理、模型和理論從定性和定量兩個方面進行科學推理，描述、解釋探究結果和預測變化趨勢，基于證據得出合理的結論，或運用證據解決實際問題.并對收集到的證據的可靠性進行充分的評估，評價證據是否支持所得出的結論.

慧設計.學生運用所學知識和技能，根據生活經驗和解決真實問題的需要，提出可以通過實驗手段來加以解決的技術課題.通過現場觀察和實地調查，依據已有知識，提出實驗思路，制訂設計實驗方案，并加以探索研究.對實驗結論進行科學分析，反思實驗方案的合理性，并進行改進與完善.最后撰寫出技術設計報告，或展示樣品，并以適當形式進行技術交流和分享.

破難題.學生面向STEAM、結構設計、科創大賽等綜合性、創新性科研應用項目，對選定的研究課題進行整體問題的拆解與相關所學知識的篩選.與相關科研院所和高校實驗室等校外資源對接，在反復磨合中進行研究方案的規劃以及實驗的實證操作.最后，論證成果對目標的達成度，以科學讀寫的方式進行論文寫作、專利申請或競賽參與.

以上種種均為了培養學生應對未來社會生活的各項挑戰，以及獲取破解難題的能力.

2.3 建構“四位一體”的育人途徑

在豐富與完善實驗課程架構、拓展與創新實驗教學方式、構建與協同文化環境、創生與延展學習空間中，我們逐漸形成了“四位一體”實驗育人途徑.

適性揚才的課程育人.在長期的探索中，以高中物理課程標準為依據，構建了“一體兩翼”的課程架構.該課程架構以國家課程校本化處理為主體，注重學生物理學習興趣與實驗基礎素養的獲得；以科學普及實驗課程和科技創造實驗課程為兩翼.科學普及實驗課程用于拓寬學生的科學視野，培養其成為青少年科學普及的推廣者.科技創造實驗課程則培養學生的科學實踐能力，培養其成為青少年科技創新的實踐者，為加快建設科技強國夯實人才基礎.為了匹配“一體兩翼”實驗課程的實施，我們逐步凝練生成了包括5E教學模式、IDEAS科學讀寫教學模式與項目化學習等在內的多種物理實驗教學模式.5E教學模式強調學生通過小組合作學習，歷經參與（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、精致化（E-laboration）與評價（Evaluation）的過程，促進學生對物理實驗的理解及其背后的知識建構.［4］IDEAS科學讀寫教學模式，即聚焦于科學概念和概念應用，將科學閱讀和科學寫作融入科學教學的讀寫模式，其有助于促進學生個體圖式的表達、科學的普及推廣.項目化學習則是指學生在一段時間內圍繞自己感興趣的、真實有挑戰性的問題而開展的完整的、真實的學習活動，從而促進學生真實發生科學實踐.

多元系統的活動育人.為培養學生的科學實踐意識，提高科學實踐技能和科學創新能力，我們開展了項目眾多、內容豐富的學科活動.一方面，開展以成果展示類、競賽挑戰類、互動體驗類等項目在內的校園科技周活動.其中，成果展示類活動有學生的科學發明制作、科學海報繪制與科幻動漫創作等；競賽挑戰類活動有紙橋承重、水火箭、高空扔雞蛋等；互動體驗類活動則為高校科技前沿大篷車進校園、航模表演、OM創意劇場等.另一方面，結合省市各類競賽開展校級選拔賽，如全國中小學生金鑰匙科技競賽、青少年科技創新大賽、物理學術辯論賽（IYPT）等.正是在多元系統的學科活動實踐體驗中，我們學生的物理學習成果屢創新高.如OM社團2015年榮獲全國科普創新實驗大賽（上海賽區）第4名；2019年，張家晨、朱嵐兩位同學獲得全國青少年創新大賽二等獎，其中朱嵐同學申報、獲批兩項實用新型專利，張家晨同學獲江蘇省青少年創新大賽培源獎（全省僅3名）.省前中的IYPY社團在2015—2019年均榮獲全國高中生物理創新競賽（CYPT）一等獎，2015—2019年均榮獲在澳門舉辦的華語地區高中生學術辯論賽特等獎，2013—2021年均榮獲江蘇省高中生物理創新競賽（JSYPT）一等獎.

具身沉浸的文化育人.實驗育人不僅應落實在具體的實踐活動中，更需要通過潛移默化的文化熏陶產生.為此，學校建設了具身化、沉浸式的文化育人體系，其中包含物理文化長廊、互動體驗區與校友榮譽展覽室，讓學生能自然而然地感受到物理學實驗的魅力.文化長廊的主要內容有：物理學史十大最美麗實驗、物理學發展史、物理與藝術等.圍繞著文化長廊的每一項內容，學科中心開發了相應的課程或活動.如圍繞最美麗的實驗，開設引導學生沿著“重走物理學家實驗探究之路”的學習活動，讓學生了解物理學發展過程，學習物理學家的探究方法、學科思想與科學精神.互動體驗區則提供了“手感發電”“磁懸浮”“立體成像”等多種小實驗裝置，讓學生在沉浸式的體驗中領悟物理學原理.而學生互動體驗區的SPOC學習資源網，更是提供了學生隨時隨地需要查閱與檢索的學科資料，讓他們在學習國外中學生實驗探究項目的同時，可以和同學、老師及高校導師開展互動交流.校友榮譽展覽室里陳列了歷屆物理學科領域的杰出校友，通過展示歷屆校友獲獎證書、成長歷程，以及其對學弟學妹的寄語，構建了一道靚麗的學科風景，進而耳濡目染、潤物無聲地浸潤和滋養了學生的學科情感、科學志向與經驗智慧.

空間延展的協同育人.育人不僅發生在課堂上，還可以深入家庭生活、社區街頭、企業工廠.因此，長期以來，我們不斷延展學生學習空間，構建了家庭、學校、社會三維同構的協同育人機制.［5］一方面，開發出賦予趣味性與操作性強的家庭小實驗.由于家庭小實驗所用的材料簡單易得，且與生活實際聯系緊密，因而擴大了學生的知識領域，培養了學生的觀察能力、動手操作能力以及創新思維.另一方面，注重培養學生關心公益事業、勇于承擔社會責任的高貴品質，經常組織學生志愿者進社區進行科普宣講，向公眾普及科學技術知識、傳播科學思想，并弘揚科學精神.為了讓學生親身參與科學實踐，積極體驗科創發明與科技應用，促進學生在實踐體驗中提升科學素養，我們加強與常州科教城、武進高新區、石墨烯小鎮等高新技術企業交流合作，共建學生“校外實踐活動基地”.定期組織學生進入企業工廠，深入車間參觀學習，開展職業體驗活動，提升了學生對物理學實踐應用的理解，以及他們的職業生涯規劃意識.積極與清華、北大、南大等著名高校締結學科聯盟，開展高中生走進高校實驗室的研學活動，以及聘請高校學科專家輔導有創新潛質的學生開展科學研究和科創實踐活動，進一步激發學生創新精神與實踐能力.

2.4 協同指向四大特征的多元評價

對實驗育人的學生評價應當是一種多元性與發展性并存的評價，旨在提高學生的學科核心素養.學生物理實驗學習的評價主要是圍繞“真、趣、思、創”四大特征發生與否進行學習目標的測評與反饋，具體從以下四個維度進行評價.

參與度.在真學實做的層面，學校在開齊開足各類實驗課程的同時，依據學生的課程參與頻次（各類型參與次數與時長）、參與程度（包括動手、動腦、真正做實驗、小組合作交流、自我反饋或追問）等進行持續性跟蹤評價，并采用回憶型任務給予學生診斷性試題，用以判斷其真學實做的程度.

投入度.在興趣盎然層面，開發表現性量規對學生的投入程度進行考評，其中包括了對自我動手、反思交流與質疑持續等多個維度的考查，采用自我評價、生生評價與師生評價相結合的方式.

縝密度.在思維縝密層面，著重采用表現性評價與作業診斷相結合的方式，評價學生能否根據研究問題和真實情境，構建易于研究的、反映事物本質特征和共性的物理模型；能否理解分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等科學思維方法，并運用科學方法進行縝密的科學推理；是否具有使用科學證據的意識和能力，能運用證據對研究的問題進行描述、解釋和預測等.

獨特度.在創造新穎層面，主要依據學生的調查研究、改進設計與發明創造進行作品評價，從作品中考查并追問學生是否善于根據實際情況進行創造性思維，并提出獨特的見解；是否善于對實驗儀器設備等提出改進意見；是否善于在課外活動中進行小發明、小改革、小制作，寫出小科技論文，并獨立提出新見解；是否具有基于證據大膽質疑的意識和能力，并能從不同的角度思考問題，追求科技創新等.