國外中小學實驗教學的經(jīng)驗和啟示

余歡歡 | 首都師范大學教師教育學院

黃宇 | 北京師范大學國際與比較教育研究院

實驗教學在英文語境中被稱為“l(fā)aboratory experience”，即在實驗室或其他環(huán)境條件下，讓學生利用工具、數(shù)據(jù)技術、模型和科學理論，直接與物質(zhì)世界（或從物質(zhì)世界提取的數(shù)據(jù)）互動而開展的教學活動。中小學實驗教學是我國課程方案和課程標準規(guī)定的重要教學內(nèi)容，實驗教學的有效開展有利于點燃學生的科學熱情與創(chuàng)新火種，為培養(yǎng)科學創(chuàng)新人才奠定基礎。

早在19世紀末現(xiàn)代科學發(fā)展初期，國外中小學便開始重視和研究實驗教學。1894年，美國國家教育協(xié)會發(fā)表了一份極富影響力的報告，強調(diào)“實驗教學極其必要”，號召眾多高等院校開設暑期實驗課程班，為中學培養(yǎng)足夠的師資以便系統(tǒng)地開展實驗教學。1896年，杜威在芝加哥大學成立了實驗學校，大力推行實驗教學；1910年，杜威提出“情境、問題、假設、推論、驗證”的“思想五步法”，為實驗教學奠定了方法論基礎；1916 年，美國《普通科學季刊》（后改為《科學教育》）發(fā)表了杜威的《科學教育的教學方法》（Method in science teaching）演講稿，自此掀起了實驗教學的熱潮。20世紀 80 年代以來，國際科技競爭日益激烈，“實驗探究”作為 STEM 教育的重要方法，再次受到世界各國的高度重視。

國外中小學實驗教學的模式

國外中小學的實驗教學模式一般有解說式、探究式、發(fā)現(xiàn)式及問題解決式，實驗教學的場所、內(nèi)容、主題和評價方式豐富多樣，涵蓋物質(zhì)科學、生命科學、地球科學等多個學科領域。無論采用何種模式，教學基本遵循以下幾個環(huán)節(jié)進行——

教學準備環(huán)節(jié)：在這一環(huán)節(jié)，教師的首要任務是根據(jù)具體的實驗教學內(nèi)容確立實驗教學的目標，包括：激發(fā)并保持對科學的興趣、態(tài)度、滿足感、開放性和好奇心；培養(yǎng)創(chuàng)造性思維和解決問題的能力；促進科學思維發(fā)展和科學方法訓練，如做出合理的假設；深化對概念的理解；培養(yǎng)實踐能力，如設計和執(zhí)行調(diào)查、觀察、記錄數(shù)據(jù)、分析和解釋結果等。實驗教學不僅要教給學生如何使用各種儀器設備，讓學生學會實驗的方法，還要讓學生通過實踐真正認識到科學的本質(zhì)，學會用實驗去證明或推翻理論。例如，一項葡萄酒釀造實驗的教學，目的不僅是完成葡萄酒的制作流程，更重要的是讓學生了解葡萄酒發(fā)酵的原理，發(fā)現(xiàn)化學與生活密切相關，激發(fā)學生對化學的興趣。美國大部分學校實驗教學的教材并非統(tǒng)一的正式出版物，而是教師的自編講義，主要追求的是創(chuàng)新性、時代性、特色性，而非完整性、系統(tǒng)性、規(guī)范性，這也使實驗教學的內(nèi)容與科學技術發(fā)展前沿以及學生當下的實際生活聯(lián)系緊密。此外，在這一環(huán)節(jié)，教師還要為學生準備實驗所需的實驗材料與設備。

教學設計和實施環(huán)節(jié)：這一環(huán)節(jié)主要包括四個步驟——實驗規(guī)劃和設計、實驗表現(xiàn)、實驗分析和解釋、實驗應用，過程中應注意保持學生的主體性。教學方式大體分為看圖文材料、看實拍視頻、看實物演示、看虛擬演示、做實物實驗、做虛擬實驗、做虛擬仿真實驗七大類，學生可以綜合運用觀察、觀測、模擬、體驗、設計、編程、制作、加工、飼養(yǎng)、種植、參觀、調(diào)查等多種活動方式，提升實驗質(zhì)量和效果。例如，德國一所學校的五年級學生運用實驗探究營養(yǎng)對粉虱幼蟲生長的影響，在實物實驗的基礎上綜合運用了觀察、設計、飼養(yǎng)等方式，為了驗證“營養(yǎng)是影響粉虱蟲發(fā)育的關鍵因素”這一設想，學生用含酵母的面粉和不含酵母的面粉做了對比實驗——教師為學生準備了兩個塑料盒、200克面粉、5克酵母和兩只10天大的粉虱幼蟲，學生在其中一個盒子中加入100克面粉，另一個盒子中加入100克面粉和5克酵母，并在每個盒子中放置了一塊濕潤的棉絮以確保濕度。在實驗開始之前，學生們記錄了幼蟲的初始體重，此后每兩周記錄一次體重的增加量；在分析和解釋步驟，每個學生為各自飼養(yǎng)的兩只幼蟲繪制了體重變化圖，并在班級中展示，教師也會幫助學生制作粉虱幼蟲體重增長平均值的變化表和變化圖，讓學生能夠直觀地看到實驗結果。盡管到此實驗結果已經(jīng)能夠驗證假設，但實驗教學并未結束，教師會進一步引導學生展開討論，例如：為什么要在實驗中盡可能使用完全一致的實驗材料？如果幼蟲的個體不一樣會怎么樣？不同的個體喂養(yǎng)行為會對實驗產(chǎn)生什么影響？如果出現(xiàn)一些新情況應當如何調(diào)整實驗？通過討論，讓學生認識到每一個實驗都是有條件的，必須認真考慮實驗的局限性。

教學評估環(huán)節(jié)：教師要使用適當?shù)脑u估方式來評估學生的表現(xiàn)、進步和成就，包括以傳統(tǒng)的實驗室報告和紙筆測試為代表的考查，以一次或多次實際操作為代表的考查，以教師、指導者或同儕品評為代表的考查，或者以上方式的組合，不同的評估方式將作為過程性評價工具貫穿整個實驗教學。例如，在美國坦布爾高中開展的一次地震實驗中，教師在實驗后布置了相關作業(yè)，要求學生查閱資料，將最近10次地震的時間、地點和震級以表格的形式列出來，然后在班級展示交流；實驗課結束之后，教師還布置了制作防震屋的作業(yè)，根據(jù)尺寸、材料、美觀性、抗震程度等要素制定了評價表，對學生的操作性進行考查。為了考查學生在實驗過程中的參與度、積極性、合作能力等社會性表現(xiàn)，國外的實驗教學會重點強調(diào)過程性記錄，將出勤情況、實驗參與“痕跡”、互動情況等作為課程評分的一部分。

國外中小學實驗教學的特點

第一，注重教學過程中學生的社會性發(fā)展。實驗教學的課堂環(huán)境更有利于師生的交流、互動和情感發(fā)展，在“非正式”的教學氛圍下，師生和生生有更多的互動機會，有利于學生探究和協(xié)作學習，激發(fā)其學習興趣。從事科學研究不僅需要技能，也需要認知性和社會性知識，以及相應的態(tài)度和價值觀，這是學生科學素養(yǎng)的重要組成部分，需要在系統(tǒng)的科學實踐活動中逐漸養(yǎng)成。應當說，實驗教學給學生提供了更大的思考空間，促進學生自主學習，培養(yǎng)學生的溝通、協(xié)作和其他社會情感能力。

第二，注重基礎實驗知識和基本實驗技能的學習。國外中小學實驗教學的內(nèi)容更偏重于實驗技能的掌握，更多是動手操作和演示類的實驗，對原理和理論的涉及較少。例如，美國某中學開展的中學物理鐘擺運動實驗，教師搖動鐘擺使其運動，學生一邊觀察一邊記錄不同質(zhì)量鐘擺擺動的周期，討論自變量與因變量之間的關系，并不講授鐘擺平衡的原理。相比之下，國內(nèi)實驗教學內(nèi)容的理論深度、廣度和難度要更高。此外，國外的實驗教學往往把理論和實驗合并授課，實驗的比重更大；而國內(nèi)常常把理論和實驗分開設置，分別授課和考核。顯然，合并授課的方式可以使理論和實驗兩部分的教學內(nèi)容和教學進度更容易銜接，也更容易讓學生建立起理論與實踐的聯(lián)系。

第三，注重用多種方式來評估實驗教學。教師不應局限于傳統(tǒng)的紙筆測驗，而要綜合運用持續(xù)性觀察、學生檔案袋、平時測驗、課后作業(yè)、小組活動記錄等多種方式來記錄和評定學生的學習情況。紙筆測試的確能夠考查學生對整個實驗課所涉及知識的掌握程度，但無法考查實驗教學最看重的實踐能力；操作考試能直接考查學生的動手實踐能力，但是組織過程煩瑣，評分標準不易把握，因此，只有將多種評價方式結合，才能對實驗教學進行客觀準確的評價。

第四，注重新技術在實驗教學中的應用。如今，非傳統(tǒng)實驗教學方式被越來越多地用于實驗教學中，國外許多研究都證明了現(xiàn)代技術手段可以增強學生的認知過程，例如操縱變量、可視化數(shù)據(jù)或科學現(xiàn)象，以及改善概念的理解，還有助于培養(yǎng)學生的可視化技能、繪圖技能、操作技能、推理技能和探究技能。隨著信息技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，未來依托于手機軟件、直播課程、虛擬現(xiàn)實等手段開展的實驗教學還將在人才培養(yǎng)中發(fā)揮更大作用。當然，經(jīng)驗也表明，新技術的應用也對師資提出了新的要求，需要進一步提升實驗學科師資的勝任力。