探究性與驗(yàn)證性辨析：改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)視點(diǎn)

艾倫 李立文

1 首都師范大學(xué) 北京 100048 2 北京師范大學(xué) 北京 100875

探究性與驗(yàn)證性辨析：改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)視點(diǎn)

艾倫1李立文2

1 首都師范大學(xué) 北京 100048 2 北京師范大學(xué) 北京 100875

從新課程標(biāo)準(zhǔn)的3項(xiàng)教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，分析以獲取知識(shí)為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有驗(yàn)證性特點(diǎn)，是通過(guò)對(duì)定理定律等結(jié)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)鞏固所學(xué)知識(shí)；以提高能力為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有探究性特點(diǎn)，是通過(guò)對(duì)過(guò)程與方法的實(shí)驗(yàn)探究來(lái)提高各種能力。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起著很重要的作用。并且提出“提倡探究性實(shí)驗(yàn)，反對(duì)‘唯驗(yàn)證’性實(shí)驗(yàn)”的觀點(diǎn)。

探究性實(shí)驗(yàn)；驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

Abstract According to the new curriculum standard 3 of the teaching goal, analysis to obtain knowledge as the goal of experiment teaching is characterized by confirmatory characteristics, it is through the experiment of the theorem to consolidate the knowledge, In order to improve the abilities of the experimental teaching with the zetetic, it is through the process and methods of experiment to improve various abilities. Digital experiment in the inquiry-based experiment teaching plays a very important role. And put forward “advocate inquiry-based experiments, oppose only validation experiments”.

Key words inquiry-based experiments; validation experiments; digital experiments

探究性（或探究式、探究型）實(shí)驗(yàn)教學(xué)（inquiry-based experiment teaching）是指采用科學(xué)探究的方法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。其特征是學(xué)習(xí)者在教師的指導(dǎo)下，通過(guò)相互協(xié)作，自行建立研究目標(biāo)，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，自行掌握和發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的原理與結(jié)論。其目的是使學(xué)生建立科學(xué)研究思想，掌握科學(xué)研究方法，提高科學(xué)研究能力。

探究式教學(xué)的概念早在20世紀(jì)50年代就由美國(guó)教育家杜威提出，以后頒布的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)探究性學(xué)習(xí)進(jìn)行了系統(tǒng)的界定和解釋[1]。在我國(guó)，此次課改的高中新課程標(biāo)準(zhǔn)中則進(jìn)一步提出探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理念。2009年教育部制定《中小學(xué)實(shí)驗(yàn)室規(guī)程》，該規(guī)程的執(zhí)筆者蔡耘處長(zhǎng)（教育部基礎(chǔ)教育司條件裝備處）在對(duì)規(guī)程的解讀宣講時(shí)曾多次強(qiáng)調(diào)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要作用。而在教育部于2010年2月頒布的《中小學(xué)理科實(shí)驗(yàn)室裝備規(guī)范》中，則將科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)室正式列入實(shí)驗(yàn)室系列。至此，探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)就成為基礎(chǔ)教育教學(xué)（特別是理科教學(xué)）中和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中追求的主要目標(biāo)。很多人認(rèn)為要提倡探究性實(shí)驗(yàn)，就必須反對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。筆者在此提出的觀點(diǎn)是：提倡探究性實(shí)驗(yàn)與進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)并不矛盾，不應(yīng)該反對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而是反對(duì)“唯驗(yàn)證”性實(shí)驗(yàn)。

1 探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究什么

新課程標(biāo)準(zhǔn)中提出3項(xiàng)教學(xué)目標(biāo)，即人們耳熟能詳?shù)摹爸R(shí)與技能；過(guò)程與方法；情感態(tài)度價(jià)值觀”（其中的技能應(yīng)理解為能力）。從這3項(xiàng)教學(xué)目標(biāo)出發(fā)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行分析，可以將實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為兩大類(lèi)：1）以獲取知識(shí)為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)（通過(guò)對(duì)定理定律等結(jié)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，鞏固所學(xué)知識(shí)）；2）以提高能力為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)（通過(guò)對(duì)過(guò)程與方法的實(shí)驗(yàn)探究，提高各種能力）。同時(shí)，又可以將以提高能力為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)再進(jìn)一步細(xì)化為3種類(lèi)型：①通過(guò)對(duì)獲得定理定律等結(jié)論的其他方法的探究，提高綜合設(shè)計(jì)能力；②通過(guò)對(duì)冷僻問(wèn)題結(jié)論與方法的探究，提高分析能力；③利用實(shí)驗(yàn)條件去實(shí)現(xiàn)一個(gè)創(chuàng)作或完成一個(gè)產(chǎn)品、作品，而提高綜合設(shè)計(jì)能力。其中，對(duì)獲得定理定律等結(jié)論的其他方法的實(shí)驗(yàn)探究和對(duì)冷僻問(wèn)題結(jié)論與方法的實(shí)驗(yàn)探究，在下文中都有實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。而利用實(shí)驗(yàn)條件去實(shí)現(xiàn)一個(gè)創(chuàng)作或完成一個(gè)產(chǎn)品、作品的實(shí)驗(yàn)探究，正是現(xiàn)行高中新課程中技術(shù)類(lèi)課程（通用技術(shù)、信息技術(shù)）所要實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)，此處不再贅述。

在中學(xué)階段希望學(xué)生能夠有巨大發(fā)現(xiàn)和建立科學(xué)理論是不太現(xiàn)實(shí)的。這是除了眾所周知的原因——中學(xué)生還不具有足夠的知識(shí)、能力和經(jīng)驗(yàn)以外，更重要的是科學(xué)結(jié)論的得出通常采用分析歸納的方法（當(dāng)然也有提出假設(shè)后從一點(diǎn)出發(fā)，采取綜合演繹的證明方法），其成果具有唯一性[2]，而重復(fù)別人的研究將不具有創(chuàng)新性。這不同于采用演繹的方法去綜合、設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品，其成果具有多樣性，只要成果有差異，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)就是創(chuàng)新。另外，現(xiàn)在基礎(chǔ)教育階段的教學(xué)方法大多采用的是演繹法，基本都是從一個(gè)已知的定理定律出發(fā)，演繹或推論出去而驗(yàn)證該結(jié)論的正確性（即定理定律具體應(yīng)用）。配合這種教學(xué)的實(shí)驗(yàn)就是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。為了鞏固所學(xué)知識(shí)，完成3項(xiàng)教學(xué)目標(biāo)的知識(shí)目標(biāo)，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是必備的，是不可忽視的。所以，所謂探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就應(yīng)該是指以提高能力為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程與方法的探究和創(chuàng)新。探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究什么？重點(diǎn)探究的是過(guò)程與方法。

2 經(jīng)典定律過(guò)程與方法實(shí)驗(yàn)探究例

利用單擺的簡(jiǎn)諧振動(dòng)測(cè)量重力加速度是中學(xué)（甚至一些高校）必設(shè)的物理課程的實(shí)驗(yàn)。這種方法精確、可靠，是多少年來(lái)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法。如果在過(guò)程與方法上進(jìn)行探究和創(chuàng)新，可以按照以下思路進(jìn)行考慮。用單擺測(cè)量重力加速度的方法依據(jù)重力加速度g與單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)一些物理量（周期T和擺長(zhǎng)L）的關(guān)系，即由通過(guò)測(cè)量振動(dòng)周期T和擺長(zhǎng)L就可計(jì)算出重力加速度g的實(shí)驗(yàn)值。但是，重力加速度還在許多運(yùn)動(dòng)規(guī)律中出現(xiàn)。例如：在自由落體運(yùn)動(dòng)中，物體下落的垂直距離h與下落時(shí)間t和重力加速度g的關(guān)系滿(mǎn)足只要能夠測(cè)量出物體下落的垂直距離h與下落時(shí)間t，也就能夠計(jì)算出重力加速度g的實(shí)驗(yàn)值。再例如：做垂直圓周運(yùn)動(dòng)的物體，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)（圖1中A點(diǎn)）時(shí)，滿(mǎn)足圓周運(yùn)動(dòng)向心力與其重力正好相等的條件其中r為圓周半徑，v為物體在A點(diǎn)的線(xiàn)速度（切線(xiàn)方向的即時(shí)速度）。此時(shí)，如果能夠測(cè)量圓周半徑r與運(yùn)動(dòng)速度v，也就可計(jì)算出重力加速度g的實(shí)驗(yàn)值。用這種思路去啟發(fā)學(xué)生，讓他們擺脫經(jīng)典實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想的束縛，去探究全新的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，去創(chuàng)新獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)方法。雖然科學(xué)結(jié)論仍然是被驗(yàn)證的，但是過(guò)程、方法卻是與眾不同的。學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中鍛煉和提升了實(shí)驗(yàn)及其儀器設(shè)備的綜合設(shè)計(jì)能力。

3 冷僻問(wèn)題結(jié)論與方法實(shí)驗(yàn)探究例

一些冷僻問(wèn)題或人們不是特別關(guān)注的地方，給學(xué)生對(duì)科學(xué)結(jié)論的探究留下一定的自由空間。舉一個(gè)日常生活中的例子：在購(gòu)買(mǎi)家庭電熱水器時(shí)，生產(chǎn)廠(chǎng)家和經(jīng)驗(yàn)告訴人們，為了節(jié)約電能，人口少的家庭買(mǎi)小容量熱水器，而人口多的家庭買(mǎi)大容量的。廠(chǎng)家提供的電熱水器選擇經(jīng)驗(yàn)值開(kāi)列在表1中。

表1 電熱水器選擇經(jīng)驗(yàn)值

實(shí)際測(cè)量某熱水器自然冷卻的水溫變化（不進(jìn)行加熱），發(fā)現(xiàn)它遵循的規(guī)律如圖2所示曲線(xiàn)。其中橫坐標(biāo)是時(shí)間，單位為小時(shí)（0～48小時(shí)）；縱坐標(biāo)是溫度，單位為攝氏度（0～90 ℃）；測(cè)試條件是室溫25 ℃。觀察該曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在高溫段曲線(xiàn)變化率比較大，溫度每降低10 ℃（從85 ℃降低到75 ℃）大約用2小時(shí)；而在低溫段曲線(xiàn)變化率很小，溫度每降低10 ℃（從40 ℃減低到30 ℃）大約用30小時(shí)。這是由于兩段對(duì)外界的溫度梯度不同所至。如果該電熱水器溫度控制機(jī)構(gòu)的控制精度為1 ℃，則在高溫段平均每10分鐘左右就要通電加熱一次，而在低溫段則平均需要3小時(shí)才通電加熱一次。因?yàn)楸患訜岬乃渴窍嗤模瑴厣睿? ℃）也是相同的，可以認(rèn)為每次加熱的用電量一樣。但是，因?yàn)槊啃r(shí)加熱的次數(shù)不同，顯然如果讓熱水器工作在低溫段是比較經(jīng)濟(jì)的。另外，人們洗澡和洗臉使用熱水的溫度一般在40～45 ℃范圍內(nèi)，當(dāng)熱水流出時(shí)冷水會(huì)自動(dòng)進(jìn)入熱水器進(jìn)行水量補(bǔ)充，而使熱水器內(nèi)水溫下降。如果選用盡量大容量的熱水器，補(bǔ)充進(jìn)來(lái)的冷水?dāng)?shù)量相對(duì)于原儲(chǔ)水量很小，則對(duì)溫度的影響就不會(huì)太大。同時(shí)，容量越大的熱水器其保溫性能比小熱水器好，所以得出結(jié)論：1）為了節(jié)約電能，無(wú)論家庭人口多少，都要選擇容量盡量大的熱水器，即容量與家庭人口無(wú)關(guān)；2）將熱水器的預(yù)置溫度調(diào)整到45～50 ℃之間，使其工作在低溫段以節(jié)約電能；3）熱水器平時(shí)不要斷電而總是保持加電狀態(tài)，因?yàn)榇笕萘繜崴鞯谝淮渭訜釙r(shí)需要的電量相對(duì)較多。

這是一個(gè)突破日常經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)采集數(shù)據(jù)和細(xì)致分析而探究出科學(xué)結(jié)論的實(shí)例。在教學(xué)中啟發(fā)學(xué)生，讓他們抱著懷疑日常經(jīng)驗(yàn)的態(tài)度去發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，提出假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出科學(xué)結(jié)論。在這樣一系列活動(dòng)中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和科學(xué)探究的方法，是進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)有效途徑。

4 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是指采用各種傳感器技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理以及通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)完成通信等數(shù)字化設(shè)備實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)后引起較大的爭(zhēng)議，人們對(duì)它褒貶不一。用新型的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)全部取代傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是不可行的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法中記載著前人進(jìn)行科學(xué)研究的思路；況且，傳統(tǒng)的手動(dòng)數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理工作對(duì)培養(yǎng)學(xué)生細(xì)心觀察、認(rèn)真思考和科學(xué)分析能力都是十分重要的手段。

但是，對(duì)于一些過(guò)程與方法探究的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)則為其提供了廣闊的天地。前文中利用垂直圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r和物體在最高點(diǎn)線(xiàn)速度v求重力加速度g的實(shí)驗(yàn)方法就對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有較強(qiáng)的依賴(lài)性。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可使用圖3所示的裝置。為了得到盡量精確的數(shù)據(jù)，可在圖中裝置的C點(diǎn)上下各安裝一個(gè)連接力傳感器的觸針或簧片，同時(shí)在C點(diǎn)的側(cè)面安裝好速度傳感器。調(diào)整小球A沿滑道下落時(shí)的起點(diǎn)位置，使兩個(gè)力傳感器指示的力相等，此時(shí)測(cè)得的速度就是需要的最高點(diǎn)線(xiàn)速度v。再用卡尺測(cè)量裝置圓周部分的直徑和小球的外徑，以確定圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r。最后，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)計(jì)算重力加速度g。這樣的實(shí)驗(yàn)如果沒(méi)有數(shù)字化設(shè)備的支持是很難實(shí)現(xiàn)的。所以可以認(rèn)為，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備是探究性實(shí)驗(yàn)室的理想裝備?？茖W(xué)合理地配備數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，避免盲目采購(gòu)，充分發(fā)揮數(shù)字化設(shè)備的效能，是教育裝備人必須認(rèn)真思考的課題和堅(jiān)定執(zhí)行的任務(wù)。

5 提倡探究性實(shí)驗(yàn)而避免“唯驗(yàn)證”性實(shí)驗(yàn)

前文談到，針對(duì)新課標(biāo)提出的3項(xiàng)教學(xué)目標(biāo)，以獲取知識(shí)為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)被稱(chēng)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)是通過(guò)對(duì)定理定律等結(jié)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證而使學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)。同時(shí)指出，為了實(shí)現(xiàn)3項(xiàng)目標(biāo)的知識(shí)目標(biāo)，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是必要的。但是，如果僅僅采用這樣一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，而忽視或拒絕以提高能力為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)（通過(guò)對(duì)過(guò)程與方法的實(shí)驗(yàn)探究，提高各種能力），就成為“唯驗(yàn)證”性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這是筆者所反對(duì)的。所以應(yīng)該提倡探究性實(shí)驗(yàn)而反對(duì)“唯驗(yàn)證”性實(shí)驗(yàn)，避免盲目地反對(duì)一切必要的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這是完成新課標(biāo)提出的3項(xiàng)教學(xué)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育，最終達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新型人才這一總體目標(biāo)的要求[3]。

[1]National Research Council. The National Science Education Standards[S].Washington DC:National Academy Press,1996

[2]奧爾德羅伊德.知識(shí)的拱門(mén):科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)方法論歷史導(dǎo)論[M].北京:商務(wù)印書(shū)館,2008

[3]艾倫.新課標(biāo)中的三項(xiàng)教學(xué)目標(biāo)[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2011(8):37-38

Analysis of Exploratory and Confirmatory: New Experiment Teaching/

/Ai Lun, Li Liwen

G424.31

A

1671-489X(2011)09-0003-03

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.09.003

Author’s address

1 Capital Normal University, Beijing, China 100048

2 Beijing Normal University, Beijing, China 100875