基于SWH探究策略的物理实验教学探索

熊华晖

(首都医科大学生物医学工程学院物理教研室 北京 100069)

张颖之

(首都师范大学生命科学学院 北京 100048)

严华刚

(首都医科大学生物医学工程学院物理教研室 北京 100069)

科学研究表明，主动的学习者是成功的学习者，而探究性学习作为主动学习的有效方式之一，受到国际教育研究者的重视．我国也明确提出在各级教育中倡导探究性学习，这既是受国际教育研究趋势的影响，更是因为探究性学习在人才培养上具有独特优势和巨大潜力．《美国国家科学教育标准》中对探究有这样一段描述：探究是指学生们用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动[1]．探究教学的原则是“让学生自己得出概念，而不是把概念灌输给学生”．从探究的界定以及探究教学的原则可以发现，探究更看重知识的获取过程而不仅是知识本身．对知识的获取更强调是通过引导、讨论、积极思维来自我建构，而不是仅依赖于听讲和记忆．研究表明学生在进行探究活动的过程中，技能得到很好的发展，思维能力和创新能力得到有效锻炼，对科学本质的理解和科学社会等深层次内容有更多的思考和领悟[2]．而这些内容都是运用传统教学方法难以实现的．

然而在实际课堂教学中，探究性学习的发展还很不足，实验教学也多以“菜谱式”步骤(cookbook-like procedure)进行，学生专注于实验步骤与仪器操作甚过对科学原理的思考．由于缺少自主设计、独立思考和小组讨论研究的机会，学生难以将实验目的、过程、结果和现象之间建立联系，而仅仅是被动完成操作步骤，按部就班地完成实验所布置的任务；学生在学习过程中始终处于被动接受知识的地位，缺少对学习内容积极主动的思考．这使得实验教学流于表面和形式，显然不符合创新人才培养的需要．

如何进行有效的实验探究，从而促进科学的学习呢？这些问题一直受到科学教育界的关注．启发式科学写作(Science Writing Heuristic, SWH)探究教学策略就是在这样的背景下提出和发展起来的，它由美国学者Keys和Hand等人研究开发[3]，把实验报告写作置于实验探究的背景下，结合小组合作形式展开，强调让学生更加细致地思考整个实验活动，考虑证据是如何支持结论的，清楚问题—证据—结论之间的逻辑关系．科学教育研究者尝试在各学科实验教学中应用SWH策略[4～6]，已有的研究表明这个策略在发展学生的概念理解以及探究能力方面具有明显的效果．

1 SWH探究策略概述

启发式科学写作(SWH)探究策略包括了两个模版：教师模版和学生模版．教师模版(见图1)提供了一系列可供教师选择的教学活动，以促进学生有意义学习，包括：考查学生课前理解，针对主题提出问题，参与实验活动，让学生思考数据的意义，让学生交流分享解释，个人反思和写作等．教学活动的选择和编排由教学情境、学生情况、教师个人风格决定．

图1 SWH完整教师模版(可选择组合)

学生模版(见图2)为学生提供了实验活动和思维认知两方面的支持，同时也构成了实验报告的主体内容．包括：起始问题、实验、观察、观点、证据、阅读、反思等，教师可根据实际情况进行选择组合．

图2 SWH完整学生模版(可选择组合)

2 SWH教学策略在物理实验教学中的运用和实践

我们尝试将上述SWH探究策略运用于物理实验教学中，探索新型的实验教学模式和实验报告记录方式．

2.1 教学案例内容分析

“超声波声速测量”物理实验已面向我校本科2年级学生开设多年．实验内容为：指导学生使用双踪示波器，应用驻波法和相位法两种方法测量超声波在空气中的传播速度．

为了更好地体现SWH探究策略的理念，我们对这部分的传统实验内容作了一定调整.

(1)加入“测量超声波在水中的传播速度”环节，这是便于学生能对超声波在不同传播介质(空气，水)中对速度进行比较，从而能够更深入地探讨和理解声波在介质中传播方式、不同介质物理性质对声速的影响，在此基础上联系到超声波声速在医疗方面的独特应用．

(2)仅选择使用相位法测超声波声速．驻波法和相位法都可以用来测超声波声速，但使用相位法更利于观测波形，测量结果也较驻波法更为准确．为了清晰展示波形、节省操作时间，为学生讨论交流环节的充分进行留出空间，我们没有让学生用两种方法测量超声波声速，而只使用了相位法测超声波声速．

2.2 教学对象和学情分析

本实验教学对象是医学类本科学生，实验课与理论课《医学物理》同步进行．在进行实验课时，学生已经从理论课中学习了机械振动中涉及声音传播的基本知识，但有关声音的产生，以及如何在介质中具体的传播形式等知识并未在理论课中涉及，这些内容将在实验课中得到拓展和深化．教师将力图引导学生深入理解声波在介质中的传播行为，期冀学生在掌握具体操作的基础上，获得声波传播物理行为的整体概念，以及对科学实验研究更为全面的认识．除此以外，我们还注意到将知识与学生感兴趣的实际运用相联系，在此表现为将“超声波声速测量”与医疗实践应用相联系．

2.3 教学目标

实验教学的传统目标主要定位在实验操作的知识和技能层面．运用SWH探究策略的实验教学期望能从三维立体层面使学生得到提高．

(1)知识目标.了解超声在压电陶瓷装置中的产生过程，以及声电和电声的相互转换过程；理解超声波在介质中的传播过程以及介质物理性质对声速的影响；定性解释声速在不同介质中的差异．

(2)能力目标.正确使用双踪示波器；应用相位法测量超声波声速；增进科学推理和解释能力；锻炼交流表达和合作能力．

(3)情感态度与价值观.激发好奇心和求知欲；养成严谨的科学态度；培养科学的思维习惯和理解力．

2.4 基于教学案例比较传统教学思路和SWH教学思路

以“超声波声速测量”实验教学为例，从教师和学生行为两个方面，对传统教学和运用SWH探究策略进行教学的各个环节进行了比较，如表1.

表1 传统教学思路和SWH教学思路的比较

2.5 实验报告和学生反馈

传统的实验报告一般包括如下内容：实验目的、实验器材、实验原理、实验内容、数据记录及处理．我们根据SWH教学策略对传统实验报告进行了改编，要求学生完成的报告内容包括：提出实验问题、设计实验步骤、数据记录及处理、得出实验结论、证据、反思、探讨．其中“探讨”包括：在做实验时碰到什么困难，你是如何解决的？你认为你的结论是否可信，并说明原因．在本次实验中你有哪些收获？

从学生课堂表现来看，学生参与热情很高，在动手实验的过程中勤于动脑、乐于交流，师生互动良好，取得了很好的教学效果，达成了教学目标；从实验报告完成情况来看，绝大多数学生都按照要求完成报告，特别是在结论的证据、反思和探讨部分较为深入地剖析了实验操作过程和自己的思维过程．

另外，我们还让学生填写了主观反馈意见，让学生报告本次授课方式与以前的差别，以及他们更喜欢哪种方式及原因．从回收的情况来看，绝大多数同学都认为这种授课方式比以往更好，学生提到的优势主要体现在如下5个方面.

(1)学习方式变被动为主动，思考问题的方式发生转变，能够激发学生的思维；

(2)不同于以往单调枯燥、按部就班的实验操作，SWH实验教学方法更加灵活、具有趣味，能够调动学生的积极性和兴趣；

(3)益于理解深层次的本质原理，留在头脑中的印象更为深刻；

(4)通过全班性的合作探讨，很好地锻炼了学生的表达与交流能力；

(5)引导学生体会了实验探究过程，学生从中锻炼了探索问题和解决问题的能力．

3 总结和反思

课堂教学的顺利进行和学生的良好反馈体现了SWH探究策略运用于物理实验教学的可行性和有效性．作为一种整合指导型探究过程与交互式小组活动的有效策略，SWH帮助教师实现了由传统实验教学向探究实验教学的转变．

值得注意的是，SWH教学模版并不是单一、固定不变的，而应随着特定的实验活动进行变化，要符合实验内容和学生情况的需求．这就要求教师在设计SWH实验教学活动时，不是机械地套用模版，而是要把握它的核心思想，即构建一个教师指导下的以学生为中心、互动的小组实验探究活动，强调激励学生不断地思考，引导学生建立“问题—假设—实验设计—数据—结论”的逻辑思维范式．教师要切记整个实验是以学生为中心的，不要在实验前直接将答案告诉学生，而是用合适的导向性问题引导学生自己得到答案，这正是激发学生主动学习的机会，对自己和学生都要有一些耐心．

为了有效帮助教师进行基于SWH探究策略的实验教学，表2分别列出了教师是否符合SWH策略的课堂教学行为，通过对比这些行为，教师能迅速把握SWH探究策略的关键要点，为教师进行SWH实验教学指明清晰的路径．

表2 是否符合SWH策略的课堂教学行为

参考文献

1 美国国家研究理事会. 美国国家科学教育标准.北京：科学技术文献出版社，1999.28～32

2 Cakir,M.Constructivist Approaches to Learning in Science and Their Implication for Science Pedagogy:A Literature Review.Lnternational Journal of Environmental and Science Education,2008,3(4):193～206

3 Hand,B.，Keys,C.Inquiry Investigation:A New Approach to Laboratory Reports.The Science Teacher,1999, 66 (4):27～29

4 Rudd,J.,Greenbowe,T.J.，Hand,B.M.Using the Science Writing Heuristic to Move Toward an Inquiry-Based Laboratory Curriculum:An Example from Physical Equilibrium.Journal of Chemical Education,2001,78:1680～1686

5 Rudd,J.,Greenbowe,T.J.，Hand,B.M.Reshaping the General Chemistry Laboratory Report Using the Science Writing Heuristic.Journal of College Science Teaching,2001,31:230～234

6 Poock,J.R.,Burke,K.A.,Greenbowe,T.J.，Hand,B.M.Using the Science Writing Heuristic in the General Chemistry Laboratory to Improve Students' Academic Performance.Journal of Chemical Education,2007,84:1371～1379