“實驗”內涵的演變及其教育啟示

陳 雪,于 冰

(東北師范大學 物理學院,吉林 長春 130024)

物理學是以實驗為基礎的自然科學,物理實驗在物理教學中具有不可替代的作用,但是“實驗”一詞在物理教學中的含義卻存在多種理解,人們對“實驗”的認識也是仁者見仁、智者見智. 因此,明確“實驗”的多樣化含義有助于物理教師更深刻地認識和把握物理實驗及其教學.

物理課程標準(教學大綱)是物理教材編寫、教學和評價的重要遵循依據. 實驗的功能、要求以及達到的效果在物理課程標準中均有體現. 為此,分析物理課程標準中“實驗”的含義十分必要. 接下來,本研究在梳理“實驗”一詞多種含義的基礎上,以中學物理課程標準文本為分析對象,深入分析“實驗”究竟意味著什么,對物理教育教學有哪些啟發.

1 “實驗”的多種含義

通過梳理分析相關材料[1-6],大體來看,“實驗”有如下4種理解.

1.1 作為“實驗室活動、實踐活動”的理解

在詞典中,“實驗”被解釋為“設計來檢驗一個理論或證實一種假設而進行的一系列操作或活動”. 在文獻中,“實踐工作”“實驗室工作”和“實驗”這3個術語也經常互換使用,通常指的是學生從事涉及科學設備或儀器的各種實踐活動或調查的經歷.

在19世紀中葉以前,科學實驗成為了一種社會實踐活動,很多科學家如胡克(Robert Hooke)、波義耳(Robert Boyle)等都建立了實驗室以進行科學實驗活動. 到了19世紀下半葉,由于科學發展本身的需要,科學家們的實驗活動需要共同協作才能完成[1]. 哈金(Hacking)在論述中提到,大多數的實驗室活動都可以合理地歸類為“實驗”,因為它們涉及對自然世界進行有計劃地干預,以及隨后對其反應的觀察[2].

羅賓·米勒(Robin Millar)認為學校的實驗工作是教師與學生之間良好互動從而獲取新知識的途徑. 學校的學生、科學教師和科學教育工作者經常用“實驗”來表示他們在科學課上進行的實踐活動[3]. 這里的“實驗室工作”放在學校中使用,即可稱其為“實驗室活動”.

1.2 作為“教學法”的理解

教育家陶行知指出,注入式的教學法是以教師的教、書本的教為中心的“教授法”,這種方法不能顧及學生的學和社會生活的需要,所以應將“教授法”變更為“教學法”. 實驗在物理教學中是一種重要的教學方法,教師引導學生通過觀察實驗、分析推理等來學習科學內容.

施瓦布(J.J.Schwab)建議教師在向學生介紹物理概念與原理之前,可以先借助實驗引導進行教學[4]. 這樣不僅能夠活躍課堂氣氛,還能提高學生對物理學習的興趣,對于教師自身教學水平與實驗能力的提升也有幫助.

在中學物理教學中,作為“教學法”的“實驗”主要包括演示實驗、學生實驗等.

1.3 作為“課程內容”的理解

德里克·霍德森(Derek Hodson)提出了關于實驗在科學課程中的2個作用:a.作為課程內容的作用;b.作為教學方法的作用. 從他的觀點中可以看出,“實驗”可以作為“課程內容”出現,這里的“課程內容”不僅包括學科知識,還包括技能、態度、價值觀等要素[5].

在物理教學中,"實驗"不僅包含物理學發展過程中的關鍵實驗,還包括教學中大量的自制實驗,這些實驗均可以用來有效補充學生的直觀經驗和培養學生的實驗能力[6],所以這些實驗均可作為"課程內容"出現.

1.4 作為“科學探究”的理解

從20世紀60年代末的美國和70年代的英國開始,科學課程開始突出科學探究,在強調科學知識獲得過程的同時,“實驗”可作為科學探究過程的要素之一[7].

施瓦布(J.J.Schwab)提倡把實驗室當成探究的場所,讓實驗室引導科學課堂教學,而不是科學課堂教學來指導實驗[4]. 通過實驗,讓學生體驗科學知識產生的過程,理解伴隨科學探究過程的焦慮與失望,體會通過探究產生新知識的奧妙,培養學生對科學的興趣,而不是讓學生到實驗室驗證課堂上所講的科學內容,或照著實驗手冊機械性操作. 因此,“實驗”也可以被理解為“科學探究”的過程,作為學習科學知識的重要方式.

2 中學物理課程標準中“實驗”含義分析

2.1 分析目的

通過對中學物理課程標準中“實驗”一詞含義的歸類與分析,可以了解在不同時代背景下,“實驗”究竟意味著什么,扮演著怎樣的角色,又有著哪些不同的功能定位. 教師可根據分析加深對中學物理課程標準中“實驗”的理解,以便更好地按照課標的要求進行實驗教學,從而進一步落實好物理核心素養的培養.

2.2 分析對象

本研究選取1952年以來我國頒布的、具有代表性的7份中學物理課程標準(教學大綱)作為分析對象(見表1). 其中,在1952—1999年期間,教育部所頒布的文件多稱為教學大綱,2000年之后“教學大綱”被改為“課程標準”. 為了研究方便,將這些文本統一表述為“課標”.

表1 選定分析的中學物理課標

2.3 分析方法

為了更好地分析70年來我國中學物理課標中“實驗”一詞的含義,首先制定了分析“實驗”含義的標準,并以此為依據對課標中“實驗”一詞進行含義分類. 分析標準如下:

1)關注“實驗”的本義,即離開語言環境獨立存在時的意思,詞典中將“科學上為了要闡明某種現象或驗證某種理論,用人為的方法,加以反復試驗,并觀察其變化”稱為“實驗”.

2)關注“實驗”在詞語中的意思,文件中出現過實驗技能、實驗工具等這類詞語,需要反復品味其中的含義.

3)關注“實驗”在句子中的含義,通過確定“實驗”的詞性及句子的整體意思判斷“實驗”的含義.

4)聯系上下文,體會“實驗”在具體語境中的含義.

通過認真分析可知,在物理課標中,“實驗”一詞具有4種不同的含義. 表2列出了課標中4種不同“實驗”含義各自對應的課標舉例. 研究采用定量分析的方法對“實驗”的含義分布進行了占比統計.

表2 中學物理課標中實驗含義分類及舉例

2.4 結果分析

根據上述制定的分析標準,對7份中學物理課標中的“實驗”一詞進行分類統計,如圖1所示. 從圖1可以看出,不同年份課標中的“實驗”含義占比各有不同:

圖1 不同年份課程標準實驗一詞的含義分布

1)“課程內容”含義在各個版本課標中的占比均最多;

2)“科學探究”含義首次在1978年的課標中出現;

3)“教學法”和“實驗室活動、實踐活動”的占比較為平穩.

1952年的《中學物理教學大綱(草案)》是新中國成立之后頒布的第一個物理教學大綱,大綱中寫到:“物理是一門以實驗為基礎的科學,學生的實驗和教師的演示在物理教學中占據極其重要的地位,教師的講解必須配合必要的演示”. 可以看出,當時人們對物理實驗教學十分重視. 但是當時制定的教學大綱內容主要以學習蘇聯的經驗為主,沒有建立起符合我國國情的教學體系,大綱中的“實驗”更多被理解為“課程內容”,對于“實驗”的其他含義在這個時期體現的較少.

1956年的《中學物理教學大綱(修訂草案)》是新中國第一個參考蘇聯經驗并結合我國實際情況的課標. 在該課標中,“實驗”的“教學法”含義占比有所增加. 課標中列出了131個中學教師演示實驗,19個學生分組實驗,并明確提出了實驗技能的具體目標,對教師的演示實驗以及學生的分組實驗都有一定的要求. 可以看出,當時我國教學方法主要以傳統的講授法為主,更加側重于教師的演示教學,而不是學生科學探究的方式. 教師掌握好演示實驗的步驟及要求,將其作為教學方法應用到教學中,可以讓學生更直觀地學習物理知識.

1963年的《全日制中學物理教學大綱(草案)》總結了新中國成立之后物理教學的經驗和教訓,為引導中學物理教學改革走向正軌起到了重要作用. 在此課標中,“實驗”被理解為“課程內容”和“實驗室活動、實踐活動”的占比較大. 1961年,教育部著手制定新的教學大綱,人們總結之前的經驗教訓、適應時代的發展,強調物理學在農業生產和科學技術方面的重大作用,所以在1963年的教學大綱中更加注重學生的動手能力,增加了學生實驗活動次數,提高了學生實驗要求,以培養學生的實驗技能. 因此,這時“實驗”的“課程內容”和“實驗室活動、實踐活動”含義較為凸顯,但沒有提到對科學探究的要求.

1978年的《全日制十年制學校中學物理教學大綱(試行草案)》對進一步提高物理教學質量起到了重要作用. 這份課標中“實驗”被理解為“課程內容”占比較大,“科學探究”這一含義的占比有所增加. 此后,科學探究教學越來越受到人們重視. 通過演示實驗和學生實驗,既能使學生深刻理解物理概念和規律,又能讓學生掌握一定的實驗技能.

1996年的《全日制普通高級中學物理教學大綱》為適應各種辦學模式和不同學生的需要,提出了觀察和實驗2種物理課的教學內容和要求,強調培養學生的觀察、實驗、推理和判斷等思維能力以及科學的語言表達能力,所以這個時期“實驗”的“科學探究”含義占比相較于1978年的課標有所增加. 除此之外,隨著符合我國國情的教學大綱和教學方法的逐步建立,實驗教學得到了強化,實驗設施得到了完善,形成了由教師演示實驗、學生分組實驗、邊學邊實驗、課外小實驗和實驗習題等組成的一系列實驗教學體系,因此“實驗”的“教學法”含義占比有所增加.

進入21世紀,《普通高中物理課程標準(實驗)》的頒布標志著我國高中階段的課程改革已從啟動進入快車道. 2003版課標中提到“物理課程應促進學生自主學習物理知識與技能,培養其科學探究能力,使其逐步形成科學態度與科學精神”,這就是我們所理解的,實驗過程不僅是學習課程內容的過程,還是探究物理方法、培養物理思維的過程. 所以在這個時期,“實驗”被理解為“科學探究”的含義占比增加,相比于1996年增長了4.43%,這說明國家對教育課程的調整與社會發展水平、需求等相輔相成.

2020版課標是在2017版基礎上進行的修訂. 通過對2020版課標中的“實驗”含義進行分析,可以發現“實驗”的“科學探究”含義是物理學科核心素養中科學探究的重要體現.

從1978年起,“實驗”被理解為“科學探究”所占比例逐年增加,在2020版課標中占比達到22.58%. 課標強調物理實驗和科學實踐,注重物理與社會和技術的聯系. 為了加強對學生物理學科核心素養的培養,課標強化了物理實驗相關內容,這使得“實驗”的“課程內容”含義占比最多. 在必修和選擇性必修課程當中規定了21個學生必做實驗,既包含常規的驗證實驗和測量實驗,也開拓了具有一定開放程度的探究實驗和制作實驗,旨在通過實驗設計問題情境,促使學生建構物理概念.

整體來看,“實驗”具有“實驗室活動、實踐活動”“教學法”“課程內容”“科學探究”4種含義. “實驗”作為“課程內容”含義的占比一直保持最多且浮動不大;作為“教學法”的含義在1956年,1996年和2003年的課標中占比較多;作為“實驗室活動、實踐活動”的含義幾乎無變化;作為“科學探究”的含義在1978年出現且占比逐漸增多. 由此反映出隨著時代的變化,實驗的重要性越來越突出,在課標中實驗的內容逐漸增多,要求不斷提高,被賦予的含義也越來越豐富. 近些年來,作為“科學探究”的實驗愈加受到關注,如何通過實驗教學有效提高學生的科學素養需要進一步研究.

3 討論與啟示

3.1 格外重視物理實驗對核心素養培育的作用

從對物理課標的分析來看,“實驗”一詞具有多種含義,“實驗”這個概念具有豐富的內涵. 基于歷史的角度,不同“實驗”含義出現、變化的特點與當時的時代背景和教育發展階段息息相關,反映了不同情境下人們對物理實驗的理解和定位. 進入21世紀以來,基礎教育課程改革進入快車道,人們發現實驗本身就是一種科學探究方式,是核心素養培育的重要載體,也是提升學生科學素養的重要途徑. 近年來,教育部頒布了最新版的物理課程標準,都反映了對物理實驗的高度關注. 因此,要格外重視物理實驗對學生核心素養發展的獨特性和重要性,將物理實驗作為核心素養落地、落實的重要途徑.

3.2 深入挖掘物理實驗的全方位教育功能

物理課標的不斷更新反映出物理教育觀念的不斷變化,物理教師需要進一步理解“實驗”的真正含義,把握好物理課標中關于“實驗”的要求和指向. 因此,我們應該繼續深挖課標中“實驗”的功能與價值,對“實驗”的本質內涵進行系統研究,對實驗背后的科學思想、方法和精神等追根溯源,并積極體現在教學中. 另外,我們需要重新審視實驗在物理教學中的地位和作用,從知識觀念、思維方法、科學精神等角度思考“科學教育、實驗何為”,從內容、方式方法、手段途徑等方面考慮“實驗教學,教師何為”. 在日常的物理教育教學中,開發多種形式的實驗資源,合理設計實驗教學內容,創新實驗教學方式,將理論與實驗深度融合,真正實現“實驗”的全方位教育功能.

3.2 以學生為中心,著力加強科學探究能力培養

前面的分析已經談到,實驗本身就有探究的含義,科學探究也經常以實驗為基礎. 毋庸置疑,物理實驗教學是培養學生科學探究能力重要途徑. 在物理教學中,應當多結合實驗來讓學生體驗科學探究的過程,在知識的理解、發現與應用中讓學生養成良好的科學態度、掌握多種科學方法,逐步形成終身學習的能力. 這些做法和近年來國內外積極倡導的基于問題、任務導向的教學一致. 在日常教育教學中,要著眼于學生未來的發展,保證好物理實驗的學時. 物理課程標準中要求的實驗,應做盡做,能做盡做,徹底改變“單純講實驗”的教學現狀. 在實驗教學過程中,要以學生為中心,引導學生基于實驗現象提出問題、形成猜想和假設、設計實驗方案、獲取和分析處理信息、基于證據得出結論,進行交流、評估與反思,真正地提高學生們的科學探究能力.