高中物理教材實驗探究水平分析與教學啟示

摘" "要：科學探究能力的培養日益受到重視，教材實驗是培養探究能力的重要資源。依據施瓦布等的研究框架對人教版高中物理教材中的實驗欄目進行分析，將教材中的實驗分為五個實驗環節，并分別分析其探究水平，得到結論：學生實驗以引導探究水平為主，演示實驗以限定探究水平為主，做一做實驗以引導探究水平為主，且整體探究水平更高。建議進一步認識不同實驗欄目的探究水平，充分發揮不同實驗的作用，并依據學情設計實驗教學。

關鍵詞：高中物理；教材實驗；探究水平；教學啟示

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2025）1-0012-5

實驗與探究奠定了物理學的實證基礎，也是當代物理教育教學的核心實踐活動［1］。物理學是一門實驗學科，物理實驗及其教學在中學物理教育中占據重要地位，既是物理學習不可或缺的基礎，也是物理教學的關鍵內容、方法及手段。從新世紀伊始，科學探究能力就普遍受到世界各國的重視，全球多個國家將科學探究寫入課程標準，并將實驗探究作為科學探究的核心要素。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“物理課標”）也將科學探究列為物理學科的四個核心素養之一，并明確指出“在高中物理課程中，應注重科學探究，尤其應注重物理實驗，這在培養學生的探究能力和科學態度等方面具有重要地位。”［2］教材作為課程標準的具體化、課程內容的主要載體、進行教學活動的基本媒介，教材中的實驗欄目具有重要的參考價值。因此，本研究通過文本分析法對2019年版人教版高中物理教材中實驗欄目的探究水平進行分析，發現不同實驗欄目的探究重點，并對教材相關實驗欄目的應用提出建議。

1" " 研究框架

物理課標指出，“科學探究”是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力，主要包括問題、證據、解釋、交流等要素［2］。

探究水平指的是科學探究的開放性水平。施瓦布（Schwab）依據探究的三個階段“提出問題—設計方案—得出結論”，將科學探究劃分為限定探究水平、引導探究水平與自主探究水平三個水平，分別代表僅得出結論階段向學生開放、設計方案和得出結論階段向學生開放、所有探究的三階段均向學生開放［3］。赫倫（Herron）在施瓦布體系的基礎上加入水平0，即三階段均直接給出［4］。施瓦布等人的探究水平體系針對不同探究水平具有明顯的區分，但缺少對實驗不同環節探究水平更細致的研究。張新宇等人基于教師與學生在探究活動中的互動角色與地位，對前人的探究水平體系進行了優化，并不建構整體性探究水平，而是將整個探究活動劃分為了“目的確定、方案設計、方案實施、結論形成、反思交流”五個環節，每個環節又包含“缺失、限定、引導、自主”四個水平，從而建構出一個“五階段、四層次”的分析架構［5］。

本研究參照物理課標對科學探究的定義和施瓦布等的研究框架，建構得到物理實驗探究水平的分析框架，如表1所示。

2" " 研究內容

本研究選擇人教版高中物理教材中的實驗欄目作為研究樣本，統計得出教材實驗欄目共102個，分別有包括21個學生必做實驗的學生實驗欄目34個，演示實驗欄目37個，做一做實驗欄目31個，并對不同實驗欄目的實驗分別使用上述研究框架進行分析。在分析教材實驗欄目的探究水平時，為了體現分析完整性，除了明確的實驗欄目內容外，也將欄目前后的相關正文及其他與實驗相關的問題等作為研究對象。

以必修第一冊第二章“實驗：探究小車速度隨時間變化的規律”一節為例，實驗欄目中的“這一節我們研究小車在重物牽引下的運動，看看小車的速度是怎樣隨時間變化的”明確提出了實驗的目的，因此在環節1此實驗處于水平1；教材通過“如何設計實驗”“需要測量哪些物理量”“選用什么器材”等問題引導學生設計實驗，之后給出了詳細的實驗方案，因此在環節2此實驗處于水平2；教材給出了思路與表格，由學生進行現象觀察并記錄數據，因此在環節3此實驗處于水平2；教材通過“你能否從表格中的數據看出小車隨時間變化的定量關系”以及“可以考慮用v-t圖像分析速度v與時間t的定量關系……如何根據描出的點找出速度隨時間變化的規律”等問題引導學生處理數據并得出結論，因此在環節4此實驗處于水平2；教材沒有反思、交流的相關內容，因此環節5處于水平0。分析實例如表2所示。

3" " 研究結果

研究框架建構完成后，分別對學生實驗、演示實驗、做一做實驗使用研究框架進行分析，最終得到不同實驗的研究結果。

3.1" " 學生實驗的探究水平分析

本研究根據分析框架將每個學生實驗分為五個環節，并在此基礎上對每個環節的探究水平進行分析，分析結果如表3所示。

由表3可以看出，現行人教版物理教材的學生實驗探究水平，有0.6%在水平0，31.8%在水平1，64.1%在水平2，3.5%在水平3，總體上以水平2為主。其中，環節1的探究水平以水平1為主，環節2、3、4、5的探究水平以水平2為主。由此可見，大部分學生實驗欄目都直接給出了實驗的研究目的，其余的給出了線索引導學生提出問題并確定目的；小部分實驗直接給出了實驗的方案，大部分實驗通過問題等方式引導學生進行方案設計；絕大部分實驗要求教師引導學生動手進行實驗探究，個別由教師進行演示；個別實驗直接給出了詳細的實驗結論，絕大部分實驗只給出了數據處理方式與分析思路等，需要學生根據要求與公式處理數據得出結論；交流、反思環節呈現的方式以教師直接引導學生進行反思為主，小部分直接給出實驗反思，個別實驗要求學生自主進行反思、交流活動。通過本研究的數據可以看出，學生實驗整體探究水平中等，主要以教師引導學生動手進行實驗為主。

3.2" " 演示實驗的探究水平分析

本研究根據分析框架將每個演示實驗分為五個環節，并在此基礎上對每個環節的探究水平進行分析，分析結果如表4所示。

由表4可以看出，現行人教版物理教材的演示實驗探究水平，有0.6%在水平0，68.6%在水平1，30.8%在水平2，無水平3，總體上以水平1為主。其中，環節1、2、3、5的探究水平皆是以水平1為主，僅有環節4以水平2為主。由此可見，大部分演示實驗直接給出了實驗的研究目的，其余的給出了線索引導學生提出問題并確定目的；大部分實驗直接給出了實驗的方案，小部分實驗通過問題等方式引導學生進行方案設計；所有演示實驗皆要求教師通過演示引導學生對現象進行思考；小部分實驗直接給出了詳細的實驗結論，絕大部分實驗只給出了數據處理方式與分析思路等，要求學生根據要求與公式處理數據得出結論；交流、反思環節呈現的方式以直接給出反思為主。通過本研究的數據可以看出，演示實驗整體探究水平較低，主要以教師演示、學生觀看為主。

3.3" " 做一做實驗的探究水平分析結果

本研究根據分析框架將每個做一做實驗分為五個環節，并在此基礎上對每個環節的探究水平進行分析，分析結果如表5所示。

由表5可以看出，現行人教版物理教材的做一做實驗探究水平，有10.3%在水平0，37.4%在水平1，42.0%在水平2，10.3%在水平3，總體上以水平2為主。其中，環節1、2的探究水平皆是以水平1為主，環節3、4以水平2為主，環節5以水平0為主。由此可見，大部分做一做實驗直接給出了實驗的研究目的，其余的給出線索引導學生提出問題并確定目的；大部分實驗直接給出了實驗的方案，小部分實驗通過問題等方式引導學生進行方案設計，個別要求學生自主設計方案；絕大部分做一做實驗要求教師向學生提供思路后由學生進行操作，小部分完全由學生自主進行探究，個別給出了完整方案；小部分實驗直接給出了詳細的實驗結論，絕大部分實驗只給出了分析思路等，要求學生根據思路結合探究結果得出結論；交流、反思環節缺失較多，其余實驗的呈現方式以直接給出反思為主。通過本研究的數據可以看出，做一做實驗整體探究水平較高，學生自主操作的比例較大，但同時對于反思、交流的重視程度較低。

4" " 對實驗教學的啟示

4.1" " 正確認識不同實驗的探究水平，充分發揮不同實驗的作用

綜合本研究的研究結果來看，演示實驗欄目的探究水平較低，進行教學的重點在于教師引導與演示，培養學生觀察與信息提取等能力。因此，教師在使用教材中的演示實驗時需揚長避短，在注重演示操作的同時，重視對學生的引導，把握學生的前概念，通過讓學生“看見”吸引學生的注意，并引起學生的認知沖突，進而引導學生分析實驗現象背后的原因，著重培養觀察實驗現象與提取重要信息等能力。

必做實驗欄目和其他實驗欄目的探究水平適中，教學的重點在于給予學生完整的探究體驗過程，學會提出猜想、設計方案、尋找證據、作出合理解釋并相互交流、論證與反思等，全面提高學生的學科素養。因此，教師在進行學生實驗教學時，目標應指向學生核心素養發展，逐一落實物理課標的要求，給予學生完整的實驗體驗，培養學生借助現有認知結構設計實驗、通過實驗探究獲得經驗建構知識等能力，圍繞問題提出、方案設計、方案實施、數據分析及交流、反思等實驗環節培養科學探究能力，最終實現對學生物理學科核心素養的培養與物理學科能力的發展。

做一做實驗欄目的探究水平較高，教師在使用時重點在于鼓勵學生主動探究，以培養和發展學生的綜合應用、遷移創新等能力；其他實驗欄目根據教學需要，突出不同的探究要素作為實驗教學的重要補充。因此，教師在使用教材中的做一做實驗時，應發揮其生活性、開放性和創新性的特點，激勵學生主動探究，在進行思考與分析的同時積極動手實踐，培養和發展學生對所學知識綜合應用、遷移創新等能力。

4.2" " 依據學情設計實驗教學

教師有必要根據實驗目的和學生情況，將靜態的教材實驗轉化為動態的實驗教學設計，不必完全依照教材進行實驗探究，也不必過分強調探究的高水平，而是在充分了解學生學情的基礎上綜合考慮實驗類型、實驗環節、學生特點進行教學設計，做到基于教材又高于教材。科學探究活動的整個過程包含多個環節，但在教材的實驗探究活動中，并非每個環節都進行了呈現，同時在實際教學活動中，由于設備限制和教學安排等因素的影響，教師有時不能帶領學生進行完整的科學探究活動，所以教師在帶領學生開展科學探究活動時，要根據教學進度和教學環（下轉第20頁）（上接第15頁）境進行教學設計，通過多種技術手段盡量讓學生體驗完整的探究活動。例如，在進行“自由落體運動”的教學時，教師首先通過教材中鐵片與羽毛同時下落的演示實驗展示生活中常見的自然現象，并提出亞里士多德的猜想：物體越重下落越快。之后，讓學生思考亞里士多德的猜想是否正確，再展示伽利略的比薩斜塔實驗，讓學生思考背后的原因。最后，演示牛頓管實驗驗證他們的猜想，并由此引出主題——自由落體運動。此演示實驗過程由學生的生活常識引入，并引導學生對常識與前人結論提出質疑，既引發了學生的好奇心，又培養了學生的質疑精神。接下來，帶領學生探究自由落體運動的規律時，教師根據學生的知識基礎與探究能力基礎對學生進行引導，在教材探究水平的基礎上適當地降低或提高，如對于基礎差的班級可以直接給出自由落體運動方案，對于基礎好的班級可以引導學生進行方案設計，從而做到在兼顧學生水平的同時充分發揮出教材的作用。最后，留下課后作業，讓學生使用智能手機按照課本上的方案測量自由落體加速度，以促進學生對知識的遷移與應用。

綜上所述，對教材實驗探究水平的研究有助于我們更清晰地認識教材，從而更好地利用教材、優化實驗的教學。

參考文獻：

［1］郭玉英，姚建欣，張玉峰.基于學生核心素養的物理學科能力研究［M］.北京：北京師范大學出版社，2017.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］Schwab J J，Brandwein P F.The teaching of science［M］.Cambridge，Massachusetts：Harvard University Press，1962：1-103.

［4］Herron M D.The nature of scientific enquiry［J］.SchoolReview， 1971，79（2）：171-212.

［5］張新宇，占小紅，陳琳.基于探究水平的科學教材活動比較研究［J］.化學教學，2012（10）：10-13.

（欄目編輯" " 趙保鋼）