探究性与验证性辨析：改变实验教学视点

艾伦 李立文

1 首都师范大学 北京 100048 2 北京师范大学 北京 100875

探究性与验证性辨析：改变实验教学视点

艾伦1李立文2

1 首都师范大学 北京 100048 2 北京师范大学 北京 100875

从新课程标准的3项教学目标出发，分析以获取知识为目标的实验教学具有验证性特点，是通过对定理定律等结论的实验验证来巩固所学知识；以提高能力为目标的实验教学具有探究性特点，是通过对过程与方法的实验探究来提高各种能力。而数字化实验在探究性实验教学中起着很重要的作用。并且提出“提倡探究性实验，反对‘唯验证’性实验”的观点。

探究性实验；验证性实验；数字化实验

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）实验教学（inquiry-based experiment teaching）是指采用科学探究的方法进行的实验教学活动。其特征是学习者在教师的指导下，通过相互协作，自行建立研究目标，自行设计实验过程，自行掌握和发现相应的原理与结论。其目的是使学生建立科学研究思想，掌握科学研究方法，提高科学研究能力。

探究式教学的概念早在20世纪50年代就由美国教育家杜威提出，以后颁布的《美国国家科学教育标准》中对探究性学习进行了系统的界定和解释[1]。在我国，此次课改的高中新课程标准中则进一步提出探究性实验教学的理念。2009年教育部制定《中小学实验室规程》，该规程的执笔者蔡耘处长（教育部基础教育司条件装备处）在对规程的解读宣讲时曾多次强调探究性实验教学对培养学生创新能力的重要作用。而在教育部于2010年2月颁布的《中小学理科实验室装备规范》中，则将科学探究实验室正式列入实验室系列。至此，探究性实验教学就成为基础教育教学（特别是理科教学）中和实验室建设中追求的主要目标。很多人认为要提倡探究性实验，就必须反对验证性实验。笔者在此提出的观点是：提倡探究性实验与进行验证性实验并不矛盾，不应该反对验证性实验，而是反对“唯验证”性实验。

1 探究性实验教学探究什么

新课程标准中提出3项教学目标，即人们耳熟能详的“知识与技能；过程与方法；情感态度价值观”（其中的技能应理解为能力）。从这3项教学目标出发对实验教学进行分析，可以将实验教学分为两大类：1）以获取知识为目标的实验教学（通过对定理定律等结论的实验验证，巩固所学知识）；2）以提高能力为目标的实验教学（通过对过程与方法的实验探究，提高各种能力）。同时，又可以将以提高能力为目标的实验教学再进一步细化为3种类型：①通过对获得定理定律等结论的其他方法的探究，提高综合设计能力；②通过对冷僻问题结论与方法的探究，提高分析能力；③利用实验条件去实现一个创作或完成一个产品、作品，而提高综合设计能力。其中，对获得定理定律等结论的其他方法的实验探究和对冷僻问题结论与方法的实验探究，在下文中都有实例进行详细说明。而利用实验条件去实现一个创作或完成一个产品、作品的实验探究，正是现行高中新课程中技术类课程（通用技术、信息技术）所要实现的教学目标，此处不再赘述。

在中学阶段希望学生能够有巨大发现和建立科学理论是不太现实的。这是除了众所周知的原因——中学生还不具有足够的知识、能力和经验以外，更重要的是科学结论的得出通常采用分析归纳的方法（当然也有提出假设后从一点出发，采取综合演绎的证明方法），其成果具有唯一性[2]，而重复别人的研究将不具有创新性。这不同于采用演绎的方法去综合、设计一个产品，其成果具有多样性，只要成果有差异，对学生来说就是创新。另外，现在基础教育阶段的教学方法大多采用的是演绎法，基本都是从一个已知的定理定律出发，演绎或推论出去而验证该结论的正确性（即定理定律具体应用）。配合这种教学的实验就是验证性实验。为了巩固所学知识，完成3项教学目标的知识目标，验证性实验是必备的，是不可忽视的。所以，所谓探究性实验教学，就应该是指以提高能力为目标的实验教学中对实验过程与方法的探究和创新。探究性实验教学探究什么？重点探究的是过程与方法。

2 经典定律过程与方法实验探究例

利用单摆的简谐振动测量重力加速度是中学（甚至一些高校）必设的物理课程的实验。这种方法精确、可靠，是多少年来的经典实验教学内容和方法。如果在过程与方法上进行探究和创新，可以按照以下思路进行考虑。用单摆测量重力加速度的方法依据重力加速度g与单摆做简谐运动时一些物理量（周期T和摆长L）的关系，即由通过测量振动周期T和摆长L就可计算出重力加速度g的实验值。但是，重力加速度还在许多运动规律中出现。例如：在自由落体运动中，物体下落的垂直距离h与下落时间t和重力加速度g的关系满足只要能够测量出物体下落的垂直距离h与下落时间t，也就能够计算出重力加速度g的实验值。再例如：做垂直圆周运动的物体，当其运动到最高点（图1中A点）时，满足圆周运动向心力与其重力正好相等的条件其中r为圆周半径，v为物体在A点的线速度（切线方向的即时速度）。此时，如果能够测量圆周半径r与运动速度v，也就可计算出重力加速度g的实验值。用这种思路去启发学生，让他们摆脱经典实验教学思想的束缚，去探究全新的实验过程，去创新独特的实验方法。虽然科学结论仍然是被验证的，但是过程、方法却是与众不同的。学生在这个过程中锻炼和提升了实验及其仪器设备的综合设计能力。

3 冷僻问题结论与方法实验探究例

一些冷僻问题或人们不是特别关注的地方，给学生对科学结论的探究留下一定的自由空间。举一个日常生活中的例子：在购买家庭电热水器时，生产厂家和经验告诉人们，为了节约电能，人口少的家庭买小容量热水器，而人口多的家庭买大容量的。厂家提供的电热水器选择经验值开列在表1中。

表1 电热水器选择经验值

实际测量某热水器自然冷却的水温变化（不进行加热），发现它遵循的规律如图2所示曲线。其中横坐标是时间，单位为小时（0～48小时）；纵坐标是温度，单位为摄氏度（0～90 ℃）；测试条件是室温25 ℃。观察该曲线，发现在高温段曲线变化率比较大，温度每降低10 ℃（从85 ℃降低到75 ℃）大约用2小时；而在低温段曲线变化率很小，温度每降低10 ℃（从40 ℃减低到30 ℃）大约用30小时。这是由于两段对外界的温度梯度不同所至。如果该电热水器温度控制机构的控制精度为1 ℃，则在高温段平均每10分钟左右就要通电加热一次，而在低温段则平均需要3小时才通电加热一次。因为被加热的水量是相同的，温升差（1 ℃）也是相同的，可以认为每次加热的用电量一样。但是，因为每小时加热的次数不同，显然如果让热水器工作在低温段是比较经济的。另外，人们洗澡和洗脸使用热水的温度一般在40～45 ℃范围内，当热水流出时冷水会自动进入热水器进行水量补充，而使热水器内水温下降。如果选用尽量大容量的热水器，补充进来的冷水数量相对于原储水量很小，则对温度的影响就不会太大。同时，容量越大的热水器其保温性能比小热水器好，所以得出结论：1）为了节约电能，无论家庭人口多少，都要选择容量尽量大的热水器，即容量与家庭人口无关；2）将热水器的预置温度调整到45～50 ℃之间，使其工作在低温段以节约电能；3）热水器平时不要断电而总是保持加电状态，因为大容量热水器第一次加热时需要的电量相对较多。

这是一个突破日常经验，通过采集数据和细致分析而探究出科学结论的实例。在教学中启发学生，让他们抱着怀疑日常经验的态度去发现一些问题，提出假设，设计实验过程，分析实验结果，得出科学结论。在这样一系列活动中，培养学生的创新性思维和科学探究的方法，是进行探究性实验教学的一个有效途径。

4 数字化实验在探究性实验教学中的作用

数字化实验是指采用各种传感器技术，利用计算机进行数据采集，对采集的数据进行自动化处理以及通过计算机网络完成通信等数字化设备实现的实验。数字化实验出现后引起较大的争议，人们对它褒贬不一。用新型的数字化实验全部取代传统的验证性实验是不可行的，因为传统的实验方法中记载着前人进行科学研究的思路；况且，传统的手动数据收集和数据处理工作对培养学生细心观察、认真思考和科学分析能力都是十分重要的手段。

但是，对于一些过程与方法探究的实验来说，数字化实验则为其提供了广阔的天地。前文中利用垂直圆周运动的半径r和物体在最高点线速度v求重力加速度g的实验方法就对数字化实验设备具有较强的依赖性。具体实现时可使用图3所示的装置。为了得到尽量精确的数据，可在图中装置的C点上下各安装一个连接力传感器的触针或簧片，同时在C点的侧面安装好速度传感器。调整小球A沿滑道下落时的起点位置，使两个力传感器指示的力相等，此时测得的速度就是需要的最高点线速度v。再用卡尺测量装置圆周部分的直径和小球的外径，以确定圆周运动的半径r。最后，根据得到的数据计算重力加速度g。这样的实验如果没有数字化设备的支持是很难实现的。所以可以认为，数字化实验设备是探究性实验室的理想装备。科学合理地配备数字化实验，避免盲目采购，充分发挥数字化设备的效能，是教育装备人必须认真思考的课题和坚定执行的任务。

5 提倡探究性实验而避免“唯验证”性实验

前文谈到，针对新课标提出的3项教学目标，以获取知识为目标的实验教学被称为验证性实验教学，这种实验教学是通过对定理定律等结论的实验验证而使学生巩固所学知识。同时指出，为了实现3项目标的知识目标，这种实验教学模式是必要的。但是，如果仅仅采用这样一种实验教学模式，而忽视或拒绝以提高能力为目标的实验教学（通过对过程与方法的实验探究，提高各种能力），就成为“唯验证”性实验教学，这是笔者所反对的。所以应该提倡探究性实验而反对“唯验证”性实验，避免盲目地反对一切必要的验证性实验。这是完成新课标提出的3项教学目标，实现素质教育，最终达到培养创新型人才这一总体目标的要求[3]。

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

[2]奥尔德罗伊德.知识的拱门:科学哲学和科学方法论历史导论[M].北京:商务印书馆,2008

[3]艾伦.新课标中的三项教学目标[J].中国教育技术装备,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