“三重”實驗教學設計策略 培養科學探究能力
——以“用油膜法估測油酸分子直徑”為例

賴佳穎 王鐵樺

(復旦大學附屬中學,上海 200433)

“科學探究”是物理學科核心素養之一，在物理教學中，它既是一種學習方式，也是一種關鍵能力.廣義的科學探究是指探究者通過主動參與，發現問題，解決問題的過程，重要的是帶著問題去思考、活動、學習.[1]與理論探究相比，實驗探究在高中階段占據更重要的教學地位，郭玉英教授認為基于實驗的科學探究是當代物理教學的核心實踐活動.[2]《普通高中物理課程標準(2017年版)》(下文簡稱《課標》)中也提出“實驗是實踐體驗性最強的物理學習方式，是其他任何方式都無法代替的”.[3]那么如何在實驗教學中提升學生的科學探究能力，使實驗教學設計在落實科學探究能力的培養上具有可操作性，是當前教育教學改革中的關鍵問題.

“科學探究”主要包括問題、證據、解釋、交流等要素，它們既是科學探究的重要環節，也是探究能力的組成部分，如果將它細分還可以分為提出問題、形成猜想與假設、制訂方案、獲取與處理數據、得出結論和交流反思的能力等.[3]要增強實驗教學落實科學探究能力培養的指向性，可采用挖掘實驗的特征、發揮實驗特色、突出探究經歷、感悟科學過程等方式將科學探究各方面的能力滲透在教學環節中，推進各種類型的實驗教學改革.

“三重”實驗教學設計策略正是通過重析實驗教學目標、重塑實驗教學結構、重構實驗教學環境，給出提升科學探究能力在實驗教學中的有效教學建議.本文將通過測量型實驗——用油膜法估測油酸分子直徑，分析“三重”實驗教學策略的要點與實施.“用油膜法估測油酸分子直徑”是選擇性必修中學生必做實驗的最后一個測量性實驗，通過該實驗學生能在宏觀認知和微觀結構中建立連接，實驗方案中也涉及一些科學研究方法.

1 重析實驗教學目標，指向多元與系統

要點1：實驗教學目標應根據實驗類型、特征等，突出科學探究各要素的多元與組合培養.

科學探究的要素包括于科學探究的全過程中，教學時間和實驗類型限制了學生在單個實驗學習時經歷全部要素，因此教師需要對科學探究的各要素特點進行提煉，通過挖掘每個實驗的類型及特點，在單個實驗中突出科學探究的不同要素，最終通過實驗教學跨單元、跨學年地系統化目標設定，達成科學探究能力的全面提升.例如測量性實驗的教學可偏重方案制訂與數據處理環節，觀察性實驗可關注現象描述與問題提出的環節，探究性實驗可重點關注問題提出與猜想形成的環節……

“用油膜法估測油酸分子直徑”作為一個測量性實驗，本課在設計之初，教師可將科學探究的重點落在方案設計及數據處理上.在選定了重點培養的要素后，教師在制訂教學目標時便可有所針對，接下來是為教學目標尋找更具體的行為標準，這將指導教學環節的開展.

要點2：實驗教學目標設定應結合學生的實際情況，體現科學探究能力的逐層提升.

隨著實驗教學的不斷深入，學生的科學探究能力將得到提升和發展，因此設計教學目標還需要考慮學生在科學探究各要素中的表現情況，并對其進行規劃和統籌，在課標的指引下體現能力的發展性和連貫性，提高教學效率.

“用油膜法估測油酸分子直徑”實驗作為選擇性必修中最后一個測量性實驗，在前序的實驗教學中，學生經歷了許多同類型的實驗，提升了方案設計及數據處理環節的能力.在結合學情基礎上，希望學生通過本實驗的學習能在“實驗方案設計”“實驗數據處理”兩方面向學業質量水平4發展，因此依據《課標》明確了學習結果的具體行為表現，這將使教學目標的設置更加具體和具有可操作性，詳見表1.

表1 “用油膜法估測油酸分子直徑”的科學探究要素及學業質量目標水平

值得注意的是，學生的學業質量表現從水平3提升到水平4并不是一蹴而就的，這需要累積與促進，才能在每個實驗教學完成時逐步接近這一表現，設定每堂實驗課的學業質量水平既需要憑借教師的經驗，也要參照上一個實驗教學后的評價結果.

要點3：教學目標設定應突出主線“為何做實驗—怎么做實驗—如何評價實驗”，使教學目標設定緊密圍繞核心素養的培養.

在設計具體課堂教學目標時，除了要通過實驗培養科學探究能力外，還要落實概念和規律，培育科學責任與態度，因此教學目標的關鍵是能緊扣實驗教學、邏輯清晰、范圍全面.

圍繞主線設定教學目標可以提高目標設定的可操作性和針對性.思考“為何做實驗”是為了凸顯實驗的價值和意義，提升物理觀念，挖掘本實驗在認識事物、掌握規律、探索自然中起到的作用，有助于學生建立與原有的物理概念和規律間的關聯，完善物理大廈的認知結構；對“怎么做實驗”的思考是為了將科學思維及科學探究落根于實驗教學，挖掘物理實驗中的思維方式、實驗方法、數據處理方法和實驗器材的使用方法等，設計“體驗”“感悟”和“認識”的教學環節，這將比通過課本上“告知”既定的實驗方案和步驟更有助于認知方式和探索手段的形成；最后對于“如何評價實驗”的考慮是為了鼓勵學生參與評價、形成協作意識，評價就是交流、反思、論證的過程，該過程是學生改進實驗過程、分析誤差的關鍵環節，也是“內化”和“升華”的必經之路，還是學生體會科學精神的重要板塊.

本實驗圍繞上述3個主線設定如表2所示的教學目標.

表2 本課依據主線設定的具體教學目標

2 重塑實驗教學結構，引向親歷與感悟

要點1：實驗教學活動應切實圍繞實驗教學目標，優化科學探究的親歷過程.

本節課的教學流程一般為“提出任務—講授實驗方案—學生操作實驗—得出結論”，學生的學習主要是理解并執行.為了能夠達成先前設定的實驗目標，增加實驗探究過程的感悟和體會，本課在原有的教學結構上做出了調整，教學流程圖如圖1所示.

圖1 教學流程圖

本課設計了2個突出重點教學目標的活動環節，分別是活動Ⅱ、活動Ⅴ.

活動Ⅱ為測量黃豆直徑的活動.在開始分子直徑測量前，設計測量黃豆直徑的活動，既可以讓學生通過聯想、觀察，對分子模型、單分子油膜層形成感性認識，也能夠回顧和總結間接測量法和累積法.在實際教學中，教師讓學生給出測量黃豆直徑的方法，學生會各抒己見，有的提到使用游標卡尺，有的使用量筒等，通過討論后發現當黃豆直徑不斷減小時，很多測量方法(工具)將無法使用，最終總結得到間接測量微觀量的方法.這一活動設計，與教學目標的重點——方案設計相呼應，讓實驗方案在逐漸修改中不斷完善，也讓實驗方法從學生的潛在意識中逐步得到提煉與顯現，在這個過程中學生還能感受模型構建的重要性，并對估測和間接測量有了更進一步的認識.

活動Ⅵ為討論分析實驗誤差.這一環節是針對學生發現的問題組織討論，修正不足，重新獲得實驗數據.實驗中，大部分小組的實驗結果在3.0×10-10m～1.0×10-9m，個別數據明顯偏大.這時教師除了引導學生關注分子直徑的數量級外，還讓學生通過闡述實驗過程及結果，對比自己與其他組的實驗結論及數據差異.最終，不少學生“意外”發現實驗過程中呈現的鋸齒狀的油膜與光滑圓弧狀的油膜可能會使結果存在較大不同，如圖2所示.接著教師可因材施教，進一步解釋或讓學生們交流討論方案，并鼓勵學生利用現代技術(后文介紹)快速獲得一組新的數據，這能鞏固實驗的學習成果，同時提升學生的交流論證能力.

圖2 不同形狀的油膜邊界

要點2：實驗教學環節應梳理其中的問題邏輯，發揮學生的主觀能動性.

教師在課堂教學中應通過問題邏輯的設置，幫助學生構建知識、認知事物，提升科學探究能力.為了突出實驗的方案設計環節，在討論黃豆直徑的測量方法后，教師拋出了主要問題——如何使用黃豆直徑的測量方法類比測量分子直徑，顯然從這一問題開始到最終形成完整、可行的實驗方案，學生還需要有很大的跨越.所以，當主要問題提出時，隱藏的問題邏輯也逐步顯現.

問題1：如何讓油酸分子像黃豆一樣呈現在容器中？(油酸不溶于水，且比水輕)

問題2：將一滴油酸滴在水面上你看到什么？(油酸無法散開形成單分子油膜層)

問題3：如何讓油酸分子展開成平面，減小體積占比呢？(油酸要稀釋，溶于酒精)

問題4：如何確定一滴酒精油酸溶液的體積？(可以使用累積法)

問題5：有什么辦法能觀察到油膜的邊界？(撒上一些容易被油酸推開的物質)

隨著實驗方案不斷推進而被提出的一連串問題，可以讓實驗方案變得更加完整，也讓學生體會到方案細化的過程.問題的提出和解決的過程，是學生不斷反思和總結的過程，所以這些問題既不能太開放，讓學生思維跨度過大，也不能太小，用是非問答框住學生各類可能的疑惑，這需要教師在教學前了解學情，并不斷調整.

3 重構實驗教學環境，導向自主與創新

要點1：課堂的學習空間設置應兼顧認知規律發展，觸發學生主動參與科學探究.

學習是在恰當的外部條件支持下發生的，[4]學習空間的設計是需要適合于學生認知發展，支持學習活動的開展的.高中生對宏觀的事物認知較為完善，對微觀世界的認識不足，但有探索自然的好奇心，有善于觀察及較為扎實的數理分析能力，能快速學習新的信息并為實驗所用，且愿意與他人分享等特點，因此在創造學習空間時，需要以滿足認知需求，刺激學生認知發生為衡量標準.

本課在設計時采用環繞式的桌椅布局，減小了學生的空間距離，加強了實驗時的外部互動；本實驗在實驗室的專屬環境中開展，便捷的設施與豐富的實驗器材，提升了學生的環境感受，以上兩項措施，從學習場所的角度營造了合適的學習空間.

不僅如此，本節課中為了更好落實教學活動，為學生準備了真實的黃豆、測量工具、油酸瓶使用的說明書等，從學習工具的角度，提供了學生探索的空間和感性的認知基礎；教師還為學生提供了基于信息技術的油膜面積測量方法(見下文)，便于學生快速開展第2次實驗，從而了解實驗數據存在較大差異的原因.

最后，在教學中教師為學生提供了常見的葉片在不同放大倍率下的照片，讓學生感受宏觀表象與微觀結構間的差異，形成強烈的認知沖突，激發科學探究的意識；教師還提供了包括德國卡爾斯魯厄大學與阿伏伽德羅常數相關的材料作為閱讀材料，設計了多處師生、生生對話的環節，增強了實驗教學的互動性，推進了學生探究過程的認知發展.

要點2：課堂中的信息技術平臺應輔助學習需求，簡化科學探究過程.

《課標》中數次提及使用信息技術推進科學探究能力培養，而適合物理教學的技術平臺有很多，例如Phyphox可以利用手機傳感器測量各種物理量，Comsol仿真模擬軟件還能夠打破數學壁壘模擬復雜物理過程.

課堂中若出現圖2(b)所示的油膜形狀，重新實驗并測量則勢必消耗不少時間.因此在第2輪實驗中，教師可以引入新的面積測量方法.本課采用的是各PDF編輯軟件自帶的面積測量工具，以WPS軟件為例，其任務欄“批注”中有“測量工具—面積”這一選項，課堂中只需要將油膜邊界畫在透明方格紙上并拍照轉成PDF，如示意圖3(a)，便可采用編輯軟件快速將油膜面積測出如圖3(b)，為了建立參考還可以測量方格紙的一個方格面積如圖3(c)，簡單按實際比例計算便可獲得油膜面積.

圖3 使用PDF編輯軟件測量油膜面積

采用這一軟件并不只是為了減小實驗誤差(面積差別不大不影響分子尺寸的數量級)，更為了簡化探究過程，讓學生感受兩次實驗中的數據差別，驗證猜想，改善實驗過程.

綜上，“三重”實驗教學設計策略能夠實現在實驗教學中科學探究能力的跨單元、跨學年的逐層提升，強化教學目標的可操作性，增加教學環節的探究意義，重視實驗環境的育人價值，促進教學評一致性，這將為物理實驗教學營造新的形態，提升實驗教學在科學探究能力中的育人作用.