國內科學探究研究內容的綜述與展望
——以物理學科視角

鄭柔純 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院,廣東 廣州 510006)

自《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》將科學探究作為核心素養的重要組成部分后,國內掀起了有關科學探究的研究熱潮.基于此,本文整理并總結了近20年國內科學探究在中學物理教育的研究現狀,對國內科學探究的路徑建構、教學策略、評價測量等方面的研究進行分析探討,以期對后續研究提供參考與建議.

1 國內科學探究研究成果的統計與分析

1.1 文獻總體趨勢分析

在“中國知網”數據庫,以“科學探究”“物理教學”為主題進行高級檢索,共有6962條結果.由圖1可知,近20年國內關于科學探究的研究文獻總體呈增長趨勢,且在2011年與2020年呈現明顯的波峰.分析可知,近20年來有關“科學探究”的研究經歷了一個從無到有、逐漸發展、日臻完善的過程,從側面體現了廣大教育研究者對科學探究的認可度和關注度逐漸提高.

圖1 近20年發文量統計

1.2 所選文獻來源及主題分布

經過篩選,最終選取了2005～2022年間發表的11篇學位論文和31篇期刊論文.本文主要針對這42篇文獻進行深入的探討與研究,從而對國內科學探究的研究進展有更清晰、全面的認識與思考.

對42篇論文的來源分布情況進行統計,具體情況如圖2所示.在所選的期刊論文中,共有26篇發表在核心期刊,研究側重點主要基于應用層面,對科學探究在教學中的建構路徑、策略分析、評價測量等方面進行深入探討.由此可知,有關科學探究的研究在數量、質量以及層次方面相對比較可觀.

圖2 期刊文獻來源分布圖

進一步對所選文獻研究的主題內容進行統計分析,可以將這些論文分為3大類:科學探究的內容研究、教學探討、評價測量.表1顯示,關于科學探究的模式探索、路徑建構、策略分析等教學研究的文獻占比最多,高達57.14%.

表1 文獻內容分類表

2 國內科學探究研究的主要內容

2.1 科學探究內容的研究

目前對科學探究內容的研究主要聚焦在對內涵的解讀和對相關的科學探究內容進行整理、概括.

(1) 內涵解讀.

通過對文獻的梳理,廣大教育研究者從不同角度出發,對科學探究的內涵解讀進行了深層次的探討.例如,鄧陽和王后雄從科學實踐的角度深入探討了科學探究的內涵,認為科學探究是對特定的科學現象表達自身見解,并能有效地進行論證的過程,凸顯了解釋與論證的核心地位.[1]王高指出思維活動是科學探究的靈魂,認為在科學探究中應對學生進行充足的思維訓練,促進思維生長.[2]呂虎依據新課標中科學探究的4大要素,闡述了教師應以這4大要素為核心展開教學,進而培養學生的科學探究.[3]

總體來說,不管從哪個維度解讀科學探究的內涵,大多數學者均認同其內涵應體現以下3大維度內容:一是探究中運用控制變量、提問等科學方法;二是在探究中擁有建構物理概念、規律的能力;三是具備正確的科學探究本質觀.

(2) 內容的整理與概括.

目前的研究成果主要是以中學物理的內容為立足點,對教學中涉及的科學探究內容進行整理與概括.例如,有學者從宏觀角度對高中新教材中的科學探究內容進行了整體的梳理、分析與統計.[4]又如有學者從內容主題出發,以“拋體運動”主題為例,整理了該章節中涉及的與科學探究相關的內容.[5]通過對相關內容的整理與概括,有利于深入進行教材分析、優化教學、培養學生的科學探究能力.

2.2 科學探究建構的教學探討

2.2.1 科學探究建構的路徑

為了達到有效地建構科學探究的目的,教師首先要引導學生在探究過程中逐步建構、理解、掌握新知識.在探究新知識的同時,教師需要加強科學方法的教育,積極主動地將重要的物理思想滲透在教學中,以期逐步發展學生的科學探究能力.

在注重知識建構、方法學習、思想滲透的教學的基礎上,廣大教育研究者提出了相應的建構路徑.例如吳志明在教學中利用論證式教學構建科學探究,其基本環節如圖3所示.[6]董光順,李志堅將科學探究回歸到科學實踐本質的視域下進行理解,并構建了培養學生科學探究的4個關鍵活動,如圖4所示.[7]王文清、郭玉英和賈永通過對物理學科及學生學習物理的認知心理的分析,提出了促進科學認知發展的探究教學路徑,如圖5所示.[8]肖化等人以STEM 教育為載體,構建了“創設現實問題情境—情境為主線的科學探究—教師補充—優化解決方案進行工程制作”為教學流程的探究教學模式.[9]

圖3 論證式教學的基本環節

圖4 物理科學探究中的4個關鍵活動

圖5 促進科學認知發展的探究教學路徑

總體來說,目前對科學探究的建構路徑探討的研究,數量上略顯單薄,且大多是對具體案例的碎片化小結,更傾向于經驗型的建議,而缺乏整體性與可遷移性.

2.2.2 教材分析

當前研究成果中關于教材分析的研究方向主要包括不同版本教材梳理比較、新教材深入解讀、教材使用情況與建議3方面.例如,李永忠探討了不同版本教材中科學探究的呈現方式、內容特點、要素體現等方面進行比較,在研究中領會教材的編寫意圖,有利于教材優化以及幫助教師利用教材落實科學探究培養.[10]吳霞從教材解讀的角度切入,對科學探究在教學中的滲透,以及對教材內容能否體現科學探究的培養進行了深入研究,為教師探索更好的科學探究教學策略提供有效的幫助.[11]胡惠琪在教材編寫上提出了獨到的見解,例如教材應提高實驗的開放水平、優化科學探究的過程.[5]總之,現階段有關教材分析的研究文獻不僅有利于優化教材中相關內容的表述方式、邏輯編寫、素材運用等方面,而且對教師改善教學起著重要的作用.

2.2.3 教學策略

通過對文獻的梳理,許多教育研究者對“如何在教學中培養學生的科學探究能力”這一問題十分關注,目前研究中涉及到的教學策略主要有以下4大方面.

(1) 注重實驗教學,提供培養科學探究的重要路徑.

物理是一門以實驗為基礎的學科,實驗教學在培養學生科學探究能力方面具有獨特的教育價值.很多學者針對實驗教學提出相關的教學策略.例如,韓志強結合具體教學案例提出創新設計教材實驗,突出學生主體性的教學策略;[12]張國平深入闡述了分組實驗各環節的教學策略,設計了“規范格式—書寫檢查—展示交流—你問我答—改進提升—電子存檔”的實驗報告書寫流程,促進學生的科學探究能力螺旋式上升;[13]顏輝提出利用DIS實驗器改變當前套路化的探究過程的教學策略,進而優化與延伸科學探究功能與過程.[14]

(2) 滲透物理學史,夯實科學探究的根基.

物理學史是科學知識的發展史,蘊含著豐富的教育資源.目前學者提出的有關運用物理學史的教學策略有以下幾方面.其一,創設歷史情境,引導學生了解當時科技水平及科學家的知識背景;其二,再現科學的探究過程,幫助學生構建知識網絡;其三,展示歷史上科學家進行探究時運用的科學方法,促使學生從知識習得轉向能力進階;其四,凸顯科學家探究過程中的科學精神,引導學生樹立對科學的使命感與崇敬感.[15-17]

(3) 建構概念規律,凸顯科學探究4大要素.

物理概念、規律的建構首先要讓學生獲得豐富的感性材料,再通過理性加工、抽象概括等方式,促使學生從表象認識過渡至本質理解,實現知識的升華.目前學者們研究較多的策略有以下幾點:其一,利用實驗、實物、模型、動畫模擬等創設物理情境,激發學生的問題意識;其二,通過引導學生自主設計實驗方案,動手操作實驗,觀察實驗現象,記錄并處理實驗數據,鞏固學生的證據意識;其三,引導學生描述、解釋實驗結果,分析實驗誤差產生的原因,發展學生的解釋意識;其四,引導學生在探究活動中積極主動地與他人合作交流,培養交流合作意識.[18]

(4) 融入PBL、STEM教育,促進科學探究的落地.

PBL教學法注重以問題為導向,STEM教學法強調科學技術在生產生活中的應用.這兩種教學法的應用均有利于提升科學探究.有學者通過分析PBL教學法與科學探究要素間的聯系,結合具體實例提出“連接問題—設立框架初探問題—再探問題—成果或活動—評價表現和問題”這5個環節的教學策略.[19]也有學者提出了基于STEM教學理念的高中物理教學流程,初步闡述了培養學生科學探究的教學策略.[20]

此外,也有學者從科學探究過程的基本步驟出發,著重探討了各步驟的教學策略.總體來說,從文獻上看,盡管目前很多研究成果提出了豐富的教學方法與策略,但大多是從理論層面給出,相關的實證研究略顯貧瘠,還有很大的研究空間.

2.3 科學探究的評價測量研究

通過科學探究的測量評價,不僅能從宏觀上把握當前中學生的科學探究現狀,還能為教學策略上的優化提供有效的反饋與指導.現階段,對科學探究評價測量的研究主要圍繞“評價水平劃分”“評價的內容、方式及指標”“中學生科學探究能力現狀測查分析”3方面展開.

2.3.1 科學探究的評價水平劃分

新課標將科學探究劃分為5個水平.有學者以此為依據,比較分析了不同版本新教材相關案例的科學探究的水平層次.[5]也有學者認為新課標的劃分水平相對比較抽象,因而進一步細分了科學探究的水平層次,增強了實際評價過程中的可操作性.例如邱文婷根據教師(教材)與學生在探究活動環節的參與程度,構建了物理教材科學探究水平分析框架.[21]張國平設計出問題、證據、解釋、交流這4大要素的水平表現表及評價細則,制訂出科學探究的水平評定量化表.[22]

2.3.2 科學探究的評價內容、方式及指標

在評價內容上,分析文獻可知,起初很多學者將科學探究作為核心素養的某個組成部分進行評價.然而這種求大、求全的研究很難系統、全面地對科學探究進行評價.因此,不少學者開始單獨對科學探究水平的測量評價展開深入探索與實踐.例如陳華生基于STEM教育對高中生科學探究現狀進行調查研究.[23]與此同時,也有學者開始嘗試圍繞科學探究的某一要素進行細致的、更為翔實的評價,例如黃寬寬著重探討與評價了科學探究中的猜想與假設能力.[24]

在評價方式上,很多研究者傾向于以問卷調查、試卷測評等紙筆測驗為主,訪談、書面評語、課堂問答等方法為輔,對中學生科學探究進行評價.在開發相關測試卷的過程中,不少學者參照新課標提出的科學探究的能力層次水平,制訂出多個維度的評價量表.例如金芝以Rasch模型為基礎,編制出一套物理科學探究測試量表;[25]徐瑞璟和李春密在新課標的指導下,制訂了中學生物理科學探究能力的PTA評價量表.[26]同時,有學者設計出操作性較強的科學探究水平劃分框架進行評價,并利用具體試題探討了紙筆測驗中探究性試題的規律特點與編制策略.[27]此外,也有學者通過設計表現性任務進行指向性評價.例如周瑩通過觀察學生在探究小燈泡的伏安特性曲線的分組實驗中各環節的行為表現進而評價科學探究的水平.[28]

在評價指標上,目前的研究成果大多數圍繞科學探究的要素及關鍵步驟編制評價指標,確保了評價方向的正確性.有些學者將新課標提出的學業質量水平細分為評價指標.[29,30]也有學者從多元智能的角度出發,構建出新的科學探究的評價指標.[31]

2.3.3 中學生科學探究能力現狀測查分析

很多學者曾利用紙筆測驗對中學生的科學探究現狀進行調查分析,總體研究結果如下:大部分中學生的科學探究已達到一定層次水平,但總體發展程度不高,各要素間的發展不均衡,尤其在提出問題、設計實驗、反思評價等能力方面比較欠缺.不少學者對現狀成因進行由外而內的深度剖析,總體來說,這種現狀主要受學校、教師以及學生自身3方面的影響.其一,迫于應試教育、高考的壓力,學校對科學探究的培養力度不強,相關課程資源提供不足;其二,教師對科學探究內涵理解不深,未能在課堂上有效地引導學生進行科學探究;[32]其三,學生深受應試教育影響,科學探究意識相對比較薄弱.[33]因此,如何改善中學生科學探究發展程度不高、發展不平衡的現狀,是廣大教育研究者需要進一步思考與探索的問題.

3 思考與展望

隨著新課程改革的推進,有關科學探究的研究持續被廣大物理教育研究者關注.因此,筆者依據以往的文獻研究,從科學探究的建構和評價兩個維度,提出以下幾點思考.

3.1 科學探究的建構

(1) 細化新課標對科學探究要素的具體要求,促使教材編寫與教師教學有據可依.通過對文獻的梳理,發現目前研究者對新課標中關于科學探究各要素的分階段要求關注較少.因此,建議在后續對新課標的研究中,能進一步對其中概念規律的建構、實驗教學等方面中有關科學探究的要素提出更細致、更完善的建議和要求,從而為教材的編寫與審定、教師的實際教學提供指導方向.

(2) 推進探究教學理論研究與實踐檢驗融合發展,提高探究教學的科學性.目前研究成果中提出的相關建構路徑、教學策略等大多數從理論層面出發,結合具體案例進行分析,在實證研究方面比較薄弱,并未能很好地指導實際教學.因此,建議學者們在提出相關路徑、策略后,最好通過實證研究進一步檢驗理論假設的可行性,以確保教學的科學性與適切性.

(3) 拓寬教材分析的研究內容,促進教材二次開發及教學優化.目前關于教材分析的研究成果較為豐富,但大多數研究將關注點聚焦在教材各個欄目、實驗內容中科學探究的對比分析上,對于考查科學探究層次水平的教材習題研究較少,且很多文獻中互相借鑒、重復研究的多,取得實質性創新作品的少.因此,建議著重關注教材中習題的研究、教師對教材的使用問題,以及拓寬不同版本教材的縱橫對比,從而為教學改進和教材再次開發提供寶貴建議.

3.2 科學探究的評價

(1) 注重評價方式多元化,促進定性評價與定量評價相結合.目前評價方式大多局限于紙筆測驗,模式單一,忽略了學生間的差異及個性發展,其科學性與合理性有待提高.因此,建議豐富評價方式,且評價中應具備質性評語與具體分值,定性與定量評價雙管齊下,致力于促進學生更好地發展.

(2) 探索科學、高效的評價指標體系,凸顯評價的導向作用.目前學者們對科學探究的評價指標研究方面相對比較欠缺,且現有的評價指標體系實質性創新不足,評價的信度與效度系數還有待考證.因此,基于新課標構建一套科學、高效、操作性強的評價指標體系,應是評價改革深入探討的關鍵所在.