顧江鴻 李春密

(1. 阜陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,安徽 阜陽 236037； 2. 北京師范大學(xué)物理系,北京 100875)

物理演示實驗因具有現(xiàn)象直觀、內(nèi)容新奇、形式多樣、取材方便、使用靈活、效果明顯等特點,深受學(xué)生、教師、物理教育研究者的青睞.我國各版本物理課程標(biāo)準(zhǔn)(或教學(xué)大綱)都重視演示實驗.2017年版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)把演示實驗作為探究,認(rèn)為“演示實驗是師生共同探究物理問題的學(xué)習(xí)方式”,[1]把演示實驗教學(xué)視為探究,拓寬了演示實驗的教育功能.演示實驗為何能進(jìn)行探究、如何在演示實驗中實施探究等是在理論和實踐兩方面亟待回答的問題.在演示實驗探究化研究中,我國物理教育工作者做過不少嘗試,如早在上世紀(jì)80年代林桐綽[2]就倡議把演示實驗改為探索性實驗;本世紀(jì)新課改后李春密研究團(tuán)隊[3]提出主體性探究式演示實驗的教學(xué)策略等等.本研究將從實驗的內(nèi)涵、科學(xué)哲學(xué)有關(guān)理論、課程標(biāo)準(zhǔn)的觀點分析演示實驗探究化的可行性,并嘗試把演示實驗探究化、建構(gòu)探究化演示實驗結(jié)構(gòu)要素,以期在理論和實踐層面重新認(rèn)識演示實驗.

1 演示實驗探究化可行性分析

有人認(rèn)為,實驗,特別是演示實驗只是教學(xué)手段、教學(xué)工具,是僅能為建立科學(xué)理論提供證據(jù)的教具.例如,“演示實驗只是一種輔助的教學(xué)形式,嚴(yán)格來說,只是一種直觀教具”.[4]而探究、探究式教學(xué)是個過程,包括提出問題、猜想與假設(shè)等環(huán)節(jié).探究、探究式教學(xué)是個過程,而實驗、演示實驗是個物品.據(jù)此認(rèn)為實驗、演示實驗不是探究.在這一觀念影響下,有人僅把實驗、演示實驗作為歸納某一種規(guī)律或概念,或者證偽某一種猜想假設(shè)提供直觀現(xiàn)象的手段、工具而已,作為探究、探究式教學(xué)的支撐手段.而在本質(zhì)上,實驗、演示實驗也是探究,下面從探究的特征、探究的日常概念、探究的哲學(xué)內(nèi)涵、以及實驗工具化的原因進(jìn)行剖析.

1.1 探究基本特征:探究有程度強弱之分

科學(xué)探究既是指科學(xué)家研究自然界的過程,也是指學(xué)生經(jīng)歷像科學(xué)家探究自然界過程一樣的學(xué)習(xí)過程.在教學(xué)中,探究是實現(xiàn)學(xué)習(xí)科學(xué)(learning science)、學(xué)習(xí)理解科學(xué)(learning about science)、做科學(xué)(dong science)3方面目標(biāo)的有效方法.[5]在探究式教學(xué)的多個要素中,問題、證據(jù)、解釋、評價、交流等5個方面是探究的基本特征,根據(jù)這五個方面學(xué)習(xí)者自主參與的程度、教師和學(xué)習(xí)材料指導(dǎo)的程度可以判斷教學(xué)活動中探究性程度的強弱.[6]

1.2 實驗的日常概念:實驗本質(zhì)上是探究

在《現(xiàn)代漢語辭典》(第7版)中,實驗作為動詞時是指“為了檢驗?zāi)撤N科學(xué)理論或假設(shè)而進(jìn)行某種操作或從事某種活動”.實驗作為名詞時,是指“實驗的工作”.首先,這一解釋說明,不論是動詞還是名詞,實驗不僅僅是操作的物品或器材,更重要的是指過程或活動,過程和活動包括驗證新假說、形成新理論,和找出新證據(jù)、挑戰(zhàn)已有科學(xué)理論兩個階段.其次,作為活動和過程,實驗的結(jié)構(gòu)是多層次的,既包括器材、工具等物化的東西,也包括設(shè)計研究方案、進(jìn)行實驗操作、分析現(xiàn)象和數(shù)據(jù)、論證與評價、交流與合作等過程性要素.因此,日常生活中的實驗在本質(zhì)上就是科學(xué)家從事科學(xué)研究的過程,即科學(xué)家探究的過程,它應(yīng)當(dāng)包含探究的要素或環(huán)節(jié).

1.3 實驗的科學(xué)哲學(xué)概念:實驗是人類能動探究認(rèn)知對象的實踐活動

“實驗是人們根據(jù)一定的研究目的,利用科學(xué)儀器,設(shè)備,人為地控制或模擬自然現(xiàn)象,使自然過程或生產(chǎn)過程以純粹的、典型的形式表現(xiàn)出來,以便在有利的條件下進(jìn)行觀察和研究的一種方法”.[7]實驗是直接作用于研究對象,通過變革研究對象來認(rèn)識自然的科學(xué)認(rèn)識活動.科學(xué)實驗與生產(chǎn)實踐一樣,也是人類基本的社會實踐形式,是主體積極支配的對象-工具活動.實驗活動包括研究者及其活動,進(jìn)行實驗的手段(工具、儀器、實驗裝置等),和實驗研究的客體3部分.實驗的這3部分內(nèi)容包含探究的全部要素或環(huán)節(jié).

1.4 課程標(biāo)準(zhǔn):演示實驗是部分探究

美國國家研究理事會科學(xué)數(shù)學(xué)及技術(shù)教育中心在通過分析課堂探究的5個基本特征后認(rèn)為,演示實驗也是探究,不過是“部分的探究活動”,[6]在演示實驗中學(xué)生沒有經(jīng)歷提出問題環(huán)節(jié),不是完全探究.2017年版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為“演示是師生共同探究物理問題的學(xué)習(xí)方式”,[1]肯定了演示實驗是探究,明確了演示實驗與探究的關(guān)系.但演示實驗這一探究活動是師生共同完成的,學(xué)生的主體性沒有充分展示出來,這一探究不是完全的探究,只是部分的探究.要想在演示實驗教學(xué)中實現(xiàn)完全的探究,不僅需要在實驗演示中讓學(xué)生經(jīng)歷問題、證據(jù)、解釋、評價、交流等5個主要環(huán)節(jié),還需要調(diào)動學(xué)生探究的主動性.

1.5 實驗工具化背后的哲學(xué)原因:忽視“實驗有其自己的生命”

有人把實驗僅作為教學(xué)手段、教學(xué)工具,這是把實驗工具化.實驗被工具化,一方面原因是科學(xué)教育目標(biāo)的“衰減”,把學(xué)習(xí)科學(xué)、學(xué)習(xí)理解科學(xué)、做科學(xué)3方面目標(biāo)“衰減”為科學(xué)知識學(xué)習(xí)目標(biāo);另一方面是忽視實驗的獨立性.加拿大科學(xué)哲學(xué)家伊恩·哈金(Ian Hacking)[8]在分析大量科學(xué)史料后發(fā)現(xiàn),科學(xué)史常被描述為科學(xué)理論進(jìn)化史;在傳統(tǒng)科學(xué)史中理論科學(xué)家為主角,而實驗科學(xué)家常常受到冷落、被忽視.哈金的“新實驗主義”(new experimentalism)提出“實驗有其自己的生命(experimentation has a life of its own)”,他認(rèn)為實驗并不是依附于理論,它能“創(chuàng)造現(xiàn)象”,有其自身的獨立性,有自己的生命.“實驗有其自己的生命”提醒我們,物理不僅僅有概念、理論、公式組成的骨架,還應(yīng)該包含由實驗、現(xiàn)象、生活中真實的物理情境構(gòu)成的有生命的血肉;學(xué)習(xí)物理不是為了遠(yuǎn)離生活的考試,而是為了培養(yǎng)時代所需要的實踐能力、為了塑造時代所需要的責(zé)任擔(dān)當(dāng).物理教學(xué)內(nèi)容不僅僅只是物理概念,物理規(guī)律,理論等知識;還包括探究過程,物理方法,科學(xué)本質(zhì),和物理學(xué)發(fā)展、當(dāng)代科技所面對的人文情懷等等.

總之,實驗、演示實驗符合科學(xué)探究的特征,在本質(zhì)上是探究.如何拓展實驗、演示實驗的探究功能,使演示實驗像探究一樣讓學(xué)生經(jīng)歷提出問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計研究方案、進(jìn)行實驗、收集數(shù)據(jù)、分析與論證、交流評估與反思等探究式教學(xué)的環(huán)節(jié).這就需要把演示實驗探究化,把演示實驗作為過程,向演示活動的兩端延伸,恢復(fù)演示實驗應(yīng)有的探究要素.

2 演示實驗探究化結(jié)構(gòu)要素

實驗、演示實驗在本質(zhì)上是探究.用探究定位演示實驗,這是對演示實驗的重新認(rèn)識.這就需要用探究的理念反觀演示實驗,從探究的視角重新設(shè)計演示實驗教學(xué),把演示實驗探究化.演示實驗探究化不僅能拓寬演示實驗的教育功能,而且能促進(jìn)演示實驗、探究式教學(xué)的發(fā)展.下面從演示實驗探究化的含義、要素、結(jié)構(gòu)、流程等方面對其結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行展示.

2.1 演示實驗探究化的含義

演示實驗探究化是結(jié)合演示實驗的特點,根據(jù)探究式教學(xué)的理念,把演示實驗的教學(xué)流程、教學(xué)結(jié)構(gòu)向探究的起點、終點延伸,向探究式教學(xué)改造,尋找具有演示實驗特色的探究式教學(xué)模式,使演示實驗具有探究式教學(xué)的主要特征,讓學(xué)生在概念轉(zhuǎn)變的同時,也經(jīng)歷科學(xué)探究的過程.這一改變不僅能重新認(rèn)識演示實驗,發(fā)揮演示實驗應(yīng)有的作用;而且能促進(jìn)演示實驗教學(xué)在理論和實踐層面的提升;還能促進(jìn)探究式教學(xué)的應(yīng)用和推廣.

2.2 探究化演示實驗的7個要素

經(jīng)過多年的研究,美國國家研究理事會2012年發(fā)布了《K-12科學(xué)教育框架:實踐、跨學(xué)科概念、核心概念》(A Framework for K-12 Science Education: Pratice, Crosscutting Concepts,and Core Idea)一書;[9]同樣在我國,在總結(jié)十幾年教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上,教育部頒布了2017年版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn).[1]根據(jù)以上兩份文件中科學(xué)探究的要素或環(huán)節(jié),已有演示實驗教學(xué)策略中的預(yù)測、觀察、解釋等環(huán)節(jié),[10，11]以及基于立德樹人,培養(yǎng)以物理理念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的物理核心素養(yǎng)新理念,把演示實驗探究化的結(jié)構(gòu)要素概括為情境與問題、預(yù)測與觀察、現(xiàn)象與數(shù)據(jù)、結(jié)果與證據(jù)、論證與結(jié)論、解釋與交流、評估與反思等7個方面.

2.3 探究化演示實驗的結(jié)構(gòu)

探究化演示實驗的結(jié)構(gòu)要素如圖1所示.在圖1中最下面是指學(xué)生的日常經(jīng)驗、前概念和已有的科學(xué)概念,這是學(xué)生學(xué)習(xí)的起點,也是教師進(jìn)行教學(xué)的起點和立足點.最上面是科學(xué)事實、科學(xué)概念,是教學(xué)的終點,是認(rèn)知領(lǐng)域的目標(biāo).在這上下兩者之間是學(xué)生從前概念到科學(xué)概念轉(zhuǎn)變所經(jīng)歷的探究過程.在探究過程的兩側(cè)是交流,這表示探究的過程是在師生、生生、小組,或全班充分交流的環(huán)境中進(jìn)行的.

圖1 探究化演示實驗要素結(jié)構(gòu)圖

2.4 探究化演示實驗的教學(xué)流程

探究化演示實驗的大致流程如下：教師根據(jù)學(xué)生的日常經(jīng)驗、前概念和已有科學(xué)知識,設(shè)計實驗方案、選擇或制作教具、設(shè)計教學(xué)流程.上課時,教師創(chuàng)設(shè)物理教學(xué)情境,在教學(xué)情境中教師引導(dǎo)學(xué)生提出問題.教師介紹實驗器材和演示的內(nèi)容,學(xué)生根據(jù)自己的日常經(jīng)驗和已有的認(rèn)知預(yù)測實驗現(xiàn)象,并在小組和全班進(jìn)行交流.教師演示實驗,學(xué)生觀察,教師引導(dǎo)學(xué)生觀察記錄現(xiàn)象和數(shù)據(jù).對實驗的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.由實驗分析得出實驗結(jié)果,結(jié)果與學(xué)生已有的其他證據(jù)一起通過論證得出實驗結(jié)論.如果在對探究過程進(jìn)行評估和反思時發(fā)現(xiàn)新的問題,或者證據(jù)不足,探究就需回到起點開始新的探究.得出結(jié)論后,用新結(jié)論對學(xué)生的日常經(jīng)驗,前概念進(jìn)行解釋.論證、評估與反思不僅在由結(jié)果證據(jù)到結(jié)論階段需要,在實驗的所有階段都需要,所以在圖1中,論證、評估與反思指向?qū)嶒灥乃幸?

3 演示實驗探究化的思考

演示實驗探究化是一系統(tǒng)工程,其復(fù)雜性一方面體現(xiàn)在探究化演示實驗的教學(xué)環(huán)節(jié)多,探究化演示實驗涉及到探究和演示實驗兩個教學(xué)方法的所有要素.另一方面體現(xiàn)在在探究化演示實驗教學(xué)時,需正確理解探究化演示實驗的內(nèi)涵與外延,正確使用探究式教學(xué)的策略和方法等等.下面重點從如何看待探究化演示實驗、學(xué)生前概念、情境創(chuàng)設(shè)、結(jié)果與結(jié)論、論證等幾點進(jìn)行討論.

3.1 需正視探究化演示實驗的局限

探究化演示實驗是把演示實驗探究化,利用探究來拓展演示實驗的教學(xué)功能,在不具備學(xué)生“動手”的條件下,實現(xiàn)學(xué)生“動腦”,讓學(xué)生經(jīng)歷探究的過程.需正視的是探究化演示實驗畢竟是改良版的演示實驗,在實際教學(xué)中是教師代替學(xué)生“動手”;而探究是學(xué)生既“動腦”,又“動手”的過程,學(xué)生“動手”除了能提高學(xué)生的參與性、提高學(xué)生的操作思維能力外,還與STEM教育、工程技術(shù)教育培養(yǎng)學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新精神有共通之處.因此,在演示實驗教學(xué)中盡量體現(xiàn)探究的同時,還應(yīng)該盡量創(chuàng)造條件開展探究式教學(xué).演示實驗探究化是在實驗器材、班級人數(shù)、場地等條件不足的情況下的改良措施,教師可以采用讓學(xué)生在課后自制學(xué)具的方式來彌補學(xué)生動手操作的短板.例如,在彈性碰撞教學(xué)中教師演示碰撞球裝置,課后可以組織學(xué)生用玻璃球自制碰撞球,也可以讓學(xué)生用硬幣代替球進(jìn)行碰撞實驗操作和拓展研究.

3.2 教師把握學(xué)生前概念的準(zhǔn)確度是衡量探究化的標(biāo)準(zhǔn)

演示實驗與探究式教學(xué)的區(qū)別除了學(xué)生不能在課堂上親自“動手”操作器材外,再一點是在演示實驗中,研究方案是教師事先設(shè)計、教具是教師事先選定的.而在探究式教學(xué)中,研究方案是學(xué)生自己設(shè)計完成的,也就是“動腦”過程.教師只有對學(xué)生前概念把握得越細(xì)致、越全面,才能更周密地安排演示內(nèi)容,才能更精準(zhǔn)地預(yù)設(shè)學(xué)生可能的預(yù)測,才能有效提高學(xué)生探究的欲望和效果,才能達(dá)到學(xué)生“動腦”的效果.如在經(jīng)典的微小形變放大實驗中,[12]當(dāng)擠壓橢圓形玻璃瓶學(xué)生看到液柱上升,用鐵制品敲擊玻璃瓶發(fā)聲,打消學(xué)生懷疑“瓶子是玻璃的”這一疑慮;然后再從長軸擠壓玻璃瓶使液柱下降,糾正學(xué)生認(rèn)為形變是由于“熱脹冷縮”產(chǎn)生的錯誤想法.這一經(jīng)典的演示實驗之所以能流傳下來,其精髓就在于實驗設(shè)計者精準(zhǔn)把握到學(xué)生關(guān)于微小形變的前概念.要使教師事先準(zhǔn)備的設(shè)計比學(xué)生需要的設(shè)計還準(zhǔn)確.這不僅需要教師的教學(xué)經(jīng)驗,更需要教師的教學(xué)智慧.

3.3 創(chuàng)設(shè)“真”物理情境

2017年課程標(biāo)準(zhǔn)提出,物理概念的建立、物理規(guī)律的探究、應(yīng)用知識解決問題應(yīng)結(jié)合實際情境.[13]在探究化演示實驗中,情境的設(shè)置對問題的提出也非常重要,問題的提出分學(xué)生自己提出、教師啟發(fā)下學(xué)生提出、教師提出等不同層次.只有當(dāng)教師根據(jù)學(xué)生的前概念,認(rèn)知水平,利用學(xué)生感興趣的情境設(shè)定未知的、矛盾的場景時,學(xué)生才可能自己提出問題,使探究引向深層次的“動腦”階段.在情境創(chuàng)設(shè)時,情境需是“真”物理情境,“真情境”才能把學(xué)生的情感與認(rèn)知活動有機結(jié)合起來,讓物理符號學(xué)習(xí)與生活連接,讓情感伴隨認(rèn)知活動,調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性,用情感激發(fā)學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力.物理真情境應(yīng)該與學(xué)生生活緊密相聯(lián)系的,是學(xué)生生活中有用的場景.

在一次大學(xué)三年級物理學(xué)專業(yè)《物理教學(xué)論》考試中有道題目,要求學(xué)生利用電梯設(shè)計物理計算題.在答卷中發(fā)現(xiàn)很多常識性的錯誤,如一個同學(xué)的題目是這樣的,“家住20層的溫馨坐電梯下樓.電梯以10m/s2加速度向下,20s后到達(dá)底層,求小明家高多少米?”.這道題目從物理的角度分析問題不大,但是從生活常識來看,有很大問題.誰家的電梯以重力加速度下降,這種電梯坐上去就是跳樓自殺呀!如果以題目給出的加速度,電梯20s到達(dá)地面,電梯運行了2000 m,2 km高的樓房,這看來是來自外星球的高樓.這說明物理學(xué)習(xí)已經(jīng)遠(yuǎn)離了學(xué)生的個人生活,學(xué)習(xí)物理除了應(yīng)付考試外,對學(xué)生個人而言還能剩下什么?浙江省實施新高考后，選物理的學(xué)生驟減,甚至家長、老師勸學(xué)生棄選物理,物理教育工作者對此扼腕嘆息,但其中的原因在此也可以找到蛛絲馬跡.

3.4 正確區(qū)分結(jié)果與結(jié)論

在實驗中,結(jié)果與結(jié)論是不同的,結(jié)果是指實驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)的分析,結(jié)論是從推理的前提中推論出來的判斷.結(jié)果是客觀,結(jié)論有主觀的因素.例如,把一張紙對折,裁成大小、形狀相同的紙片,把其中一片揉成紙團(tuán).讓紙團(tuán)和紙片從相同高度落下,紙團(tuán)比紙片先落地.紙團(tuán)比紙片先落地就是實驗結(jié)果.通過受力分析,得出空氣阻礙了紙片的下落;進(jìn)而得出如果物體不受空氣阻力,不同物體下落的速度將是相同的,這是實驗的結(jié)論.但在實際教學(xué)中,特別是在職前教師的實習(xí)中,他們經(jīng)?；煜Y(jié)果與結(jié)論,由實驗演示直接得出結(jié)論,而忽視論證分析過程.如在覆杯實驗中,在演示杯子翻轉(zhuǎn)過來,塑料片沒有掉下來以后,實習(xí)生就直接說,是大氣壓力作用在塑料片上.大氣壓是存在的,但不是僅憑觀察現(xiàn)象就能看出來的,還需要由結(jié)果到結(jié)論的分析論證過程.

3.5 重視探究中的論證

學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是概念轉(zhuǎn)變的過程,在學(xué)習(xí)之前,學(xué)生已根據(jù)自己的生活經(jīng)驗形成自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu),能合理地解釋自己的生活經(jīng)驗,在課堂上,當(dāng)教師演示的現(xiàn)象與學(xué)生的預(yù)測不一致時,學(xué)生的認(rèn)知發(fā)生沖突,根據(jù)喬治·波斯納(George Posner)提出的概念轉(zhuǎn)變理論,學(xué)生的認(rèn)知將發(fā)生改變.但大量教學(xué)實踐表明,即使學(xué)生的認(rèn)知發(fā)生沖突,學(xué)生的認(rèn)知也未必發(fā)生改變.這就需要教師利用社會建構(gòu)有關(guān)策略,組織學(xué)生在演示實驗教學(xué)的不同環(huán)節(jié),以個人、小組、全班等不同形式進(jìn)行論證、交流、評價,這樣才能實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變.目前,科學(xué)探究中的論證(Agumentation)已引起我國科學(xué)教育界的關(guān)注,我國學(xué)者已把操作性較強的ADI和PCRR兩種論證模型介紹到我國,這將推進(jìn)科學(xué)論證在我國的研究與應(yīng)用.[14]

本研究利用實驗的內(nèi)涵和科學(xué)哲學(xué)對實驗的理解,分析了演示實驗探究化的充分性,在此基礎(chǔ)上,提出了演示實驗探究化觀點,探究化演示實驗的結(jié)構(gòu)要素和對演示實驗探究化實踐的思考.演示實驗探究化是拓展演示實驗教育功能的新路徑、規(guī)范演示實驗流程的新思路,它將提高演示實驗的教學(xué)效果,促進(jìn)探究式教學(xué)的開展,同時對規(guī)范職前教師實驗教學(xué)能力的培養(yǎng)提供了新的方向.本研究對演示實驗探究化在理論層面進(jìn)行了深入的探討,并在實踐層面進(jìn)行思考,但仍需在實踐中具體化、細(xì)化.另外,職前教師、一線教師演示實驗探究化能力的培養(yǎng)、培訓(xùn)還需要在實踐層面積淀和反思.