基于科學(xué)探究素養(yǎng)的學(xué)生分組實驗教學(xué)過程探討

張國平

(安吉縣高級中學(xué)，浙江 安吉 313300)

《普通高中物理課程標準》[1]提出的科學(xué)探究素養(yǎng)包括問題、證據(jù)、解釋和交流四大要素，該四大要素之間存在內(nèi)在聯(lián)系，即某一個要素的提升會促進其他要素的提升，同樣某一個要素的欠缺也會制約其他要素的培養(yǎng)[2-4].比如對于問題要素，如果學(xué)生在實驗過程中能帶著問題進行實驗，那么問題要素對于實驗證據(jù)要素和解釋要素的培養(yǎng)有著內(nèi)在的推動作用；同樣，學(xué)生在實驗交流中可以對實驗過程進行反思，并在交流過程中分享不同的實驗心得.該過程對其他要素的培養(yǎng)也能夠起到促進作用.所以完整的、有效的分組實驗教學(xué)過程有利于學(xué)生實驗素養(yǎng)的全面提升.

1 實驗教學(xué)過程

由于實驗筆試考試不易對問題要素和交流要素進行考察，且在傳統(tǒng)分組實驗教學(xué)過程中，教師通常直接向?qū)W生拋出要探究的問題，并通過講解實驗原理和操作步驟，要求學(xué)生明確實驗?zāi)康?，并按照教師講的操作步驟和注意事項進行實驗操作，記錄實驗數(shù)據(jù)，完成實驗內(nèi)容.學(xué)生在傳統(tǒng)的分組實驗學(xué)習(xí)中，做題和聽教師講授占據(jù)了過多的時間，從而導(dǎo)致實驗操作的時間過少.

隨著新課標和新教材的推進，教師開始重視學(xué)生分組實驗教學(xué)，但限于時間和傳統(tǒng)的教學(xué)習(xí)慣，教師很容易回到以講代做的老路上.為此，本文在實踐的基礎(chǔ)上對學(xué)生分組實驗教學(xué)過程進行了探究，如圖1所示.分組實驗教學(xué)的每一步驟都相互關(guān)聯(lián)，彼此制約.因此，只有對每一過程都足夠重視，才能全面提升學(xué)生的實驗素養(yǎng).

圖1 分組實驗教學(xué)過程的流程圖

2 實驗教學(xué)過程闡述

實驗教學(xué)過程可分為實驗情境與問題、實驗設(shè)計與論證、實驗操作與展評、實驗數(shù)據(jù)記錄與分析以及實驗報告與反思.下面針對這幾個過程分別進行闡述.

2.1 實驗情境與問題

根據(jù)布魯納的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論[5]，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是：依據(jù)情境信息自主發(fā)展和提出探究性問題，并通過積極交換與組織信息內(nèi)化為自己認知的過程.在具體的學(xué)生分組實驗教學(xué)中，學(xué)生可提出的問題為：需要探究什么(包括實驗?zāi)康谋硎龅奶骄啃詥栴}和學(xué)生自我生成的拓展性問題)，設(shè)置怎樣的實驗平臺去探究，需要研究哪些物理量，用什么器材去探究，如何探究，等等.學(xué)生素養(yǎng)的層次不同，提出的問題也有所不同，比如有的學(xué)生提不出問題，有的學(xué)生提出的問題較為淺顯和生活化，有的學(xué)生提出的問題比較籠統(tǒng)，而有的學(xué)生則能結(jié)合物理知識提出探究性問題，并根據(jù)問題做出猜想和假設(shè).學(xué)生提問的水平與自身的物理知識儲備、科學(xué)思維方法及探究能力等科學(xué)素養(yǎng)有關(guān).學(xué)生在提問的過程中也能促進其自身科學(xué)素養(yǎng)的提升，二者相輔相成.

在具體教學(xué)實踐中，實驗前，教師可以利用短視頻、紙質(zhì)材料等讓學(xué)生獨立預(yù)習(xí)，并讓學(xué)生以紙質(zhì)稿的形式提交預(yù)習(xí)過程中提出的相關(guān)問題.對于學(xué)生提出的問題，教師需給予肯定，并對一些典型問題進行點評，從而進一步引導(dǎo)學(xué)生思考問題.對于在教學(xué)中難以實現(xiàn)或沒有足夠時間實現(xiàn)的問題，教師可以引導(dǎo)學(xué)生在課后進行探究.而對于不同類型的實驗，教師對學(xué)生的引導(dǎo)方式以及需要創(chuàng)設(shè)的實驗情境也有所不同，比如：

1)對于未明確給出具體問題的探究型實驗，教師可以通過創(chuàng)設(shè)貼近于生活的實驗情境，引導(dǎo)學(xué)生在實驗過程中主動提出探究性問題.如在“探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系”實驗中，教師可以在實驗前創(chuàng)設(shè)改裝車(改變車的外形，減輕車的質(zhì)量，改用更大功率的發(fā)動機)賽車比賽情境，引導(dǎo)學(xué)生通過具體的實驗現(xiàn)象探究加速度與哪些物理量有關(guān).

2)對于已明確給出具體問題的驗證型實驗，教師可通過展示不同的實驗器材，引導(dǎo)學(xué)生思考和設(shè)計實驗方案，進而完成實驗內(nèi)容.如在“驗證機械能守恒定律”實驗中，教師給出打點計時器、小車、重錘、小鐵球、鉤碼、鐵架臺、軌道、紙帶、天平等器材，引導(dǎo)學(xué)生提出以下問題：在怎樣的具體實驗情境中機械能會守恒，可測量哪些物理量來驗證機械能守恒，選取哪個物理過程來驗證機械能守恒，如何測量動能和重力勢能的改變，等等.

愛因斯坦曾說提出問題比解決問題更重要，因此教師要為學(xué)生創(chuàng)造提問的機會，培養(yǎng)學(xué)生的提問意識和提問能力.

2.2 實驗設(shè)計與論證

實驗設(shè)計與論證是學(xué)生進行實驗的“內(nèi)燃機”，這個環(huán)節(jié)能夠使學(xué)生對實驗內(nèi)容充分理解，并激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力.在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，這一環(huán)節(jié)往往被教師的講解所替代，導(dǎo)致學(xué)生處于被動的識記式學(xué)習(xí)狀態(tài)，從而錯失了培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑、創(chuàng)新等多種科學(xué)素養(yǎng)的機會.

在實驗教學(xué)實踐中，由于課堂時間有限，教師可將實驗設(shè)計環(huán)節(jié)放到課前，要求學(xué)生以紙質(zhì)稿形式獨立完成.為了幫助學(xué)生增強實驗設(shè)計的能力，教師可制作實驗設(shè)計表格引導(dǎo)學(xué)生進行實驗設(shè)計.以“驗證機械能守恒定律”為例，實驗設(shè)計方案如表1所示，表1可引導(dǎo)學(xué)生寫出實驗器材，畫出實驗裝置簡圖，確定待測物理量及測量方法，設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表格，探討數(shù)據(jù)分析方法等.

表1 實驗設(shè)計方案

在教學(xué)實踐中，大部分學(xué)生在表格的提示和教師的要求下都能認真地完成實驗設(shè)計方案，如圖2和圖3所示.雖然學(xué)生設(shè)計的實驗方案大多比較粗糙，設(shè)計的實驗環(huán)節(jié)也不完整，但總體來看，該環(huán)節(jié)讓學(xué)生對實驗有了較深入的思考，對實驗儀器的使用、實驗原理、實驗方法、實驗步驟以及實驗數(shù)據(jù)記錄與分析等都有了自己的認識和理解，呈現(xiàn)的設(shè)計表格也給學(xué)生帶來了成就感和完成實驗的期待感.在實驗設(shè)計的過程中，學(xué)生會產(chǎn)生很多問題和想法，帶著這些問題和想法進行實驗?zāi)軌蚋玫卮龠M學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng).

圖2 實驗方案1

圖3 實驗方案2

對于學(xué)生的實驗設(shè)計方案，教師要認真審閱并給出書面點評(簡短的鼓勵或建議).由于課堂教學(xué)時間有限，教師可只挑選部分典型的設(shè)計方案進行交流論證.在交流論證的環(huán)節(jié)中，教師可事先讓學(xué)生以錄制短視頻的方式對自己的設(shè)計方案進行介紹，也可以讓學(xué)生在課堂上現(xiàn)場介紹，由其他同學(xué)進行點評，圖4是學(xué)生錄制的“測定玻璃的折射率”實驗設(shè)計方案的展示.教師根據(jù)學(xué)生的展示和交流點評進行實時引導(dǎo)，舍棄不能實現(xiàn)的方案，鼓勵學(xué)生對受實驗室條件限制的方案進行課外拓展，修正不合理的方案，最終對實驗室或課堂上能夠?qū)崿F(xiàn)的方案進行重點論證和完善.此外，教師還要在論證的基礎(chǔ)上進行總結(jié)，并幫助學(xué)生明確實驗?zāi)康摹⒃?、步驟和注意事項等.經(jīng)過這些過程，學(xué)生能更好地掌握實驗原理和方法，拓展實驗思路，也能解答自己設(shè)計實驗方案時的疑惑，同時還會留下一些適合學(xué)生課外探究的問題.

(a)學(xué)生實驗方案 (b)學(xué)生交流展示

2.3 實驗操作與展評

實驗操作是培養(yǎng)學(xué)生使用基本實驗器材，正確讀取實驗數(shù)據(jù)，規(guī)范實驗操作，細心、客觀地觀察實驗現(xiàn)象等證據(jù)素養(yǎng)的主要途徑.在實驗操作過程中，教師利用生成資源進行反饋教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)素養(yǎng).

學(xué)生在實驗設(shè)計和論證之后，對實驗?zāi)康?、原理、器材、方案等都有了深入的思考和理解，并能夠順利完成實驗?nèi)容，但在操作的細節(jié)、規(guī)范性以及如何減小實驗誤差等方面還有很多不足.在實踐教學(xué)中，教師可先讓學(xué)生根據(jù)實驗設(shè)計方案進行體驗性操作，采用手機視頻或拍照的方式記錄學(xué)生的不規(guī)范操作，并及時用多媒體展示，提示學(xué)生實驗操作的規(guī)范性問題和注意事項.

另外，對于需要進一步思考或者改進的實驗內(nèi)容可以延伸到課外進行.例如在“測玻璃磚折射率”的實驗中，學(xué)生出現(xiàn)如圖5中操作不規(guī)范的問題時，教師可以在實驗過程中及時糾正；當學(xué)生出現(xiàn)如圖6中影響實驗誤差的操作時，教師要及時指出，并與學(xué)生進行交流討論，引導(dǎo)學(xué)生思考改進的方法.

(a)手直接拿取玻璃磚 (b)圓釘代替大頭針 (c)直接用筆靠著玻璃磚畫線

(a)大頭針間距過近 (b)大頭針歪斜 (c)入射角過小

2.4 實驗數(shù)據(jù)記錄與分析

實驗數(shù)據(jù)記錄與分析是證據(jù)和解釋素養(yǎng)形成的重要過程，也是學(xué)生實驗操作與理論結(jié)合的重要環(huán)節(jié).在具體實驗教學(xué)中，學(xué)生存在以下問題：

1)實驗數(shù)據(jù)缺失.

2)實驗數(shù)據(jù)與實驗過程對應(yīng)混淆.

3)實驗數(shù)據(jù)記錄不規(guī)范.

4)數(shù)據(jù)處理不規(guī)范.

5)缺少嚴謹?shù)目茖W(xué)探究精神和質(zhì)疑精神.

在教學(xué)實踐中，采用如圖7所示過程進行教學(xué)嘗試，取得了較好的效果.在實驗設(shè)計中，教師要求學(xué)生做好記錄表格，根據(jù)表格記錄實驗數(shù)據(jù)，并通過小組互查的方式檢查數(shù)據(jù)的合理性.如發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)不合理，檢查小組可提出整改建議，實驗小組根據(jù)建議可重新實驗或保留自己的意見，最后對實驗數(shù)據(jù)和檢查反饋材料進行拍照留檔，以促進實驗數(shù)據(jù)的真實性.該方式能夠讓學(xué)生在進行數(shù)據(jù)分析時更加認真.

圖7 實驗數(shù)據(jù)的記錄與分析流程圖

在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)中增加了問題反饋環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)要求學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論，并提出問題.如根據(jù)實驗數(shù)據(jù)能得到怎樣的規(guī)律，實驗數(shù)據(jù)與理論計算有何偏差，這種偏差是如何造成的，實驗中的一些特殊數(shù)據(jù)是如何產(chǎn)生，等等.這些問題的提出和思考能夠培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神，也能夠使實驗分析更加嚴謹.

交流展示可以以實驗報告的形式呈現(xiàn)，也可以組織學(xué)生利用PPT講解.教師通過對比學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)和電子檔案，保證學(xué)生實驗數(shù)據(jù)的真實性，樹立學(xué)生正確的科學(xué)觀.同時學(xué)生的數(shù)據(jù)分析材料也要進行電子存檔，由學(xué)生親自完成的實驗數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)分析材料能給學(xué)生帶來成就感，從而極大地提升了學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng).

2.5 實驗報告與反思

學(xué)生的交流素養(yǎng)從水平1(具有與他人交流成果、討論問題的意識)到水平5(能夠書寫完整規(guī)范的科學(xué)探究報告，交流、反思科學(xué)探究過程和結(jié)果)的提升不是一蹴而就的，需要學(xué)生養(yǎng)成細致耐心的實驗書寫習(xí)慣，并經(jīng)常對實驗過程進行反思和改進，從而養(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度.實驗報告的書寫是對實驗過程和結(jié)果的凝練和總結(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生交流素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié).學(xué)生在完成實驗報告的過程中，通過整理實驗數(shù)據(jù)，反思實驗過程，不僅提升了交流素養(yǎng)，還加深了對實驗?zāi)康?、原理、方法、實驗器材的使用、實驗誤差產(chǎn)生的原因等方面的理解，從而促進了問題、證據(jù)、解釋三大要素的提升.

傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，學(xué)生的實驗報告主要是填鴨式的，即將實驗?zāi)康?、方法、步驟等抄寫一遍，然后附上實驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果，學(xué)生對實驗過程的反思及對數(shù)據(jù)處理分析后的改進思考很少.

為促進學(xué)生規(guī)范地書寫實驗報告，本文以圖8的方式進行教學(xué)嘗試，取得了一定的效果.

圖8 實驗報告書寫的流程圖

1)教師事先提供規(guī)范的格式要求，引導(dǎo)學(xué)生完成實驗報告.

2)教師批改、檢查實驗報告，并將結(jié)果反饋給學(xué)生(也可以小組成員相互檢查).

3)學(xué)生根據(jù)反饋結(jié)果進行修改后展示.展示過程中，教師組織學(xué)生互相交流(你問我答)，然后要求學(xué)生進一步完善實驗報告.

4)學(xué)生將最終版的實驗報告以電子版形式發(fā)給教師存檔.

以上過程能夠讓學(xué)生對實驗報告的書寫更加認真，書寫質(zhì)量也會顯著提高，最終結(jié)果也使得學(xué)生更有成就感.實驗報告書寫的培養(yǎng)需要循序漸進，教師可先要求學(xué)生的實驗報告中只包含簡單的實驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果；然后要求實驗報告中呈現(xiàn)實驗過程中的交流和反思；最后要求學(xué)生書寫完整規(guī)范的實驗報告.

3 實驗教學(xué)的實施策略

為了能在分組實驗教學(xué)中更好地提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)，在實踐教學(xué)中，教師需要把握以下幾個方面：

1)統(tǒng)攬全局，著眼系統(tǒng)提升.科學(xué)探究素養(yǎng)的形成和提升是系統(tǒng)的培養(yǎng)過程，教師需要對所有實驗進行梳理，對科學(xué)素養(yǎng)提升目標進行規(guī)劃，促使學(xué)生的問題、證據(jù)、解釋、交流等素養(yǎng)要素得到螺旋式提升.

2)抓主忽次，避免平均用力.人教社新教材對學(xué)生分組實驗做了精心挑選和排布，每個實驗都有其自身最有價值的素養(yǎng)要素.教師在有限的分組實驗教學(xué)時間里，要抓住最核心、最有價值的素養(yǎng)要素進行重點突破，避免平均用力.

3)殊方同致，注重因材施教.在與培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)對應(yīng)的教學(xué)過程中，教師要根據(jù)具體實驗的重點素養(yǎng)目標合理選擇教學(xué)過程，如根據(jù)實驗要求，教師可選擇一個過程進行重點突破，也可選擇多個過程進行全面突破.另外，教學(xué)過程的選擇還要考慮學(xué)生的具體情況，學(xué)生層次不同，需要考慮的教學(xué)過程也有所不同.

4 結(jié)束語

學(xué)生分組實驗的教學(xué)是提升學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的主陣地，也是物理實驗教學(xué)中的難點.突破傳統(tǒng)“菜單式”實驗教學(xué)，轉(zhuǎn)向以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的實驗教學(xué)，是新課改對學(xué)生分組實驗教學(xué)提出的挑戰(zhàn)，本文的教學(xué)過程是一種比較務(wù)實的嘗試.隨著新課改的逐步推進，評價方式也在逐步向著考察學(xué)生核心素養(yǎng)的方向邁進，所以教師要積極探索更有效的教學(xué)過程，并付諸于教學(xué)實踐，努力提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)水平.