物理演示实验探究化结构要素的建构

顾江鸿 李春密

(1. 阜阳师范学院物理与电子工程学院,安徽 阜阳 236037； 2. 北京师范大学物理系,北京 100875)

物理演示实验因具有现象直观、内容新奇、形式多样、取材方便、使用灵活、效果明显等特点,深受学生、教师、物理教育研究者的青睐.我国各版本物理课程标准(或教学大纲)都重视演示实验.2017年版高中物理课程标准把演示实验作为探究,认为“演示实验是师生共同探究物理问题的学习方式”,[1]把演示实验教学视为探究,拓宽了演示实验的教育功能.演示实验为何能进行探究、如何在演示实验中实施探究等是在理论和实践两方面亟待回答的问题.在演示实验探究化研究中,我国物理教育工作者做过不少尝试,如早在上世纪80年代林桐绰[2]就倡议把演示实验改为探索性实验;本世纪新课改后李春密研究团队[3]提出主体性探究式演示实验的教学策略等等.本研究将从实验的内涵、科学哲学有关理论、课程标准的观点分析演示实验探究化的可行性,并尝试把演示实验探究化、建构探究化演示实验结构要素,以期在理论和实践层面重新认识演示实验.

1 演示实验探究化可行性分析

有人认为,实验,特别是演示实验只是教学手段、教学工具,是仅能为建立科学理论提供证据的教具.例如,“演示实验只是一种辅助的教学形式,严格来说,只是一种直观教具”.[4]而探究、探究式教学是个过程,包括提出问题、猜想与假设等环节.探究、探究式教学是个过程,而实验、演示实验是个物品.据此认为实验、演示实验不是探究.在这一观念影响下,有人仅把实验、演示实验作为归纳某一种规律或概念,或者证伪某一种猜想假设提供直观现象的手段、工具而已,作为探究、探究式教学的支撑手段.而在本质上,实验、演示实验也是探究,下面从探究的特征、探究的日常概念、探究的哲学内涵、以及实验工具化的原因进行剖析.

1.1 探究基本特征:探究有程度强弱之分

科学探究既是指科学家研究自然界的过程,也是指学生经历像科学家探究自然界过程一样的学习过程.在教学中,探究是实现学习科学(learning science)、学习理解科学(learning about science)、做科学(dong science)3方面目标的有效方法.[5]在探究式教学的多个要素中,问题、证据、解释、评价、交流等5个方面是探究的基本特征,根据这五个方面学习者自主参与的程度、教师和学习材料指导的程度可以判断教学活动中探究性程度的强弱.[6]

1.2 实验的日常概念:实验本质上是探究

在《现代汉语辞典》(第7版)中,实验作为动词时是指“为了检验某种科学理论或假设而进行某种操作或从事某种活动”.实验作为名词时,是指“实验的工作”.首先,这一解释说明,不论是动词还是名词,实验不仅仅是操作的物品或器材,更重要的是指过程或活动,过程和活动包括验证新假说、形成新理论,和找出新证据、挑战已有科学理论两个阶段.其次,作为活动和过程,实验的结构是多层次的,既包括器材、工具等物化的东西,也包括设计研究方案、进行实验操作、分析现象和数据、论证与评价、交流与合作等过程性要素.因此,日常生活中的实验在本质上就是科学家从事科学研究的过程,即科学家探究的过程,它应当包含探究的要素或环节.

1.3 实验的科学哲学概念:实验是人类能动探究认知对象的实践活动

“实验是人们根据一定的研究目的,利用科学仪器,设备,人为地控制或模拟自然现象,使自然过程或生产过程以纯粹的、典型的形式表现出来,以便在有利的条件下进行观察和研究的一种方法”.[7]实验是直接作用于研究对象,通过变革研究对象来认识自然的科学认识活动.科学实验与生产实践一样,也是人类基本的社会实践形式,是主体积极支配的对象-工具活动.实验活动包括研究者及其活动,进行实验的手段(工具、仪器、实验装置等),和实验研究的客体3部分.实验的这3部分内容包含探究的全部要素或环节.

1.4 课程标准:演示实验是部分探究

美国国家研究理事会科学数学及技术教育中心在通过分析课堂探究的5个基本特征后认为,演示实验也是探究,不过是“部分的探究活动”,[6]在演示实验中学生没有经历提出问题环节,不是完全探究.2017年版高中物理课程标准认为“演示是师生共同探究物理问题的学习方式”,[1]肯定了演示实验是探究,明确了演示实验与探究的关系.但演示实验这一探究活动是师生共同完成的,学生的主体性没有充分展示出来,这一探究不是完全的探究,只是部分的探究.要想在演示实验教学中实现完全的探究,不仅需要在实验演示中让学生经历问题、证据、解释、评价、交流等5个主要环节,还需要调动学生探究的主动性.

1.5 实验工具化背后的哲学原因:忽视“实验有其自己的生命”

有人把实验仅作为教学手段、教学工具,这是把实验工具化.实验被工具化,一方面原因是科学教育目标的“衰减”,把学习科学、学习理解科学、做科学3方面目标“衰减”为科学知识学习目标;另一方面是忽视实验的独立性.加拿大科学哲学家伊恩·哈金(Ian Hacking)[8]在分析大量科学史料后发现,科学史常被描述为科学理论进化史;在传统科学史中理论科学家为主角,而实验科学家常常受到冷落、被忽视.哈金的“新实验主义”(new experimentalism)提出“实验有其自己的生命(experimentation has a life of its own)”,他认为实验并不是依附于理论,它能“创造现象”,有其自身的独立性,有自己的生命.“实验有其自己的生命”提醒我们,物理不仅仅有概念、理论、公式组成的骨架,还应该包含由实验、现象、生活中真实的物理情境构成的有生命的血肉;学习物理不是为了远离生活的考试,而是为了培养时代所需要的实践能力、为了塑造时代所需要的责任担当.物理教学内容不仅仅只是物理概念,物理规律,理论等知识;还包括探究过程,物理方法,科学本质,和物理学发展、当代科技所面对的人文情怀等等.

总之,实验、演示实验符合科学探究的特征,在本质上是探究.如何拓展实验、演示实验的探究功能,使演示实验像探究一样让学生经历提出问题、猜想与假设、设计研究方案、进行实验、收集数据、分析与论证、交流评估与反思等探究式教学的环节.这就需要把演示实验探究化,把演示实验作为过程,向演示活动的两端延伸,恢复演示实验应有的探究要素.

2 演示实验探究化结构要素

实验、演示实验在本质上是探究.用探究定位演示实验,这是对演示实验的重新认识.这就需要用探究的理念反观演示实验,从探究的视角重新设计演示实验教学,把演示实验探究化.演示实验探究化不仅能拓宽演示实验的教育功能,而且能促进演示实验、探究式教学的发展.下面从演示实验探究化的含义、要素、结构、流程等方面对其结构要素进行展示.

2.1 演示实验探究化的含义

演示实验探究化是结合演示实验的特点,根据探究式教学的理念,把演示实验的教学流程、教学结构向探究的起点、终点延伸,向探究式教学改造,寻找具有演示实验特色的探究式教学模式,使演示实验具有探究式教学的主要特征,让学生在概念转变的同时,也经历科学探究的过程.这一改变不仅能重新认识演示实验,发挥演示实验应有的作用;而且能促进演示实验教学在理论和实践层面的提升;还能促进探究式教学的应用和推广.

2.2 探究化演示实验的7个要素

经过多年的研究,美国国家研究理事会2012年发布了《K-12科学教育框架:实践、跨学科概念、核心概念》(A Framework for K-12 Science Education: Pratice, Crosscutting Concepts,and Core Idea)一书;[9]同样在我国,在总结十几年教学实践的基础上,教育部颁布了2017年版高中物理课程标准.[1]根据以上两份文件中科学探究的要素或环节,已有演示实验教学策略中的预测、观察、解释等环节,[10，11]以及基于立德树人,培养以物理理念、科学思维、科学探究、科学态度与责任的物理核心素养新理念,把演示实验探究化的结构要素概括为情境与问题、预测与观察、现象与数据、结果与证据、论证与结论、解释与交流、评估与反思等7个方面.

2.3 探究化演示实验的结构

探究化演示实验的结构要素如图1所示.在图1中最下面是指学生的日常经验、前概念和已有的科学概念,这是学生学习的起点,也是教师进行教学的起点和立足点.最上面是科学事实、科学概念,是教学的终点,是认知领域的目标.在这上下两者之间是学生从前概念到科学概念转变所经历的探究过程.在探究过程的两侧是交流,这表示探究的过程是在师生、生生、小组,或全班充分交流的环境中进行的.

图1 探究化演示实验要素结构图

2.4 探究化演示实验的教学流程

探究化演示实验的大致流程如下：教师根据学生的日常经验、前概念和已有科学知识,设计实验方案、选择或制作教具、设计教学流程.上课时,教师创设物理教学情境,在教学情境中教师引导学生提出问题.教师介绍实验器材和演示的内容,学生根据自己的日常经验和已有的认知预测实验现象,并在小组和全班进行交流.教师演示实验,学生观察,教师引导学生观察记录现象和数据.对实验的现象和数据进行分析.由实验分析得出实验结果,结果与学生已有的其他证据一起通过论证得出实验结论.如果在对探究过程进行评估和反思时发现新的问题,或者证据不足,探究就需回到起点开始新的探究.得出结论后,用新结论对学生的日常经验,前概念进行解释.论证、评估与反思不仅在由结果证据到结论阶段需要,在实验的所有阶段都需要,所以在图1中,论证、评估与反思指向实验的所有要素.

3 演示实验探究化的思考

演示实验探究化是一系统工程,其复杂性一方面体现在探究化演示实验的教学环节多,探究化演示实验涉及到探究和演示实验两个教学方法的所有要素.另一方面体现在在探究化演示实验教学时,需正确理解探究化演示实验的内涵与外延,正确使用探究式教学的策略和方法等等.下面重点从如何看待探究化演示实验、学生前概念、情境创设、结果与结论、论证等几点进行讨论.

3.1 需正视探究化演示实验的局限

探究化演示实验是把演示实验探究化,利用探究来拓展演示实验的教学功能,在不具备学生“动手”的条件下,实现学生“动脑”,让学生经历探究的过程.需正视的是探究化演示实验毕竟是改良版的演示实验,在实际教学中是教师代替学生“动手”;而探究是学生既“动脑”,又“动手”的过程,学生“动手”除了能提高学生的参与性、提高学生的操作思维能力外,还与STEM教育、工程技术教育培养学生实践能力与创新精神有共通之处.因此,在演示实验教学中尽量体现探究的同时,还应该尽量创造条件开展探究式教学.演示实验探究化是在实验器材、班级人数、场地等条件不足的情况下的改良措施,教师可以采用让学生在课后自制学具的方式来弥补学生动手操作的短板.例如,在弹性碰撞教学中教师演示碰撞球装置,课后可以组织学生用玻璃球自制碰撞球,也可以让学生用硬币代替球进行碰撞实验操作和拓展研究.

3.2 教师把握学生前概念的准确度是衡量探究化的标准

演示实验与探究式教学的区别除了学生不能在课堂上亲自“动手”操作器材外,再一点是在演示实验中,研究方案是教师事先设计、教具是教师事先选定的.而在探究式教学中,研究方案是学生自己设计完成的,也就是“动脑”过程.教师只有对学生前概念把握得越细致、越全面,才能更周密地安排演示内容,才能更精准地预设学生可能的预测,才能有效提高学生探究的欲望和效果,才能达到学生“动脑”的效果.如在经典的微小形变放大实验中,[12]当挤压椭圆形玻璃瓶学生看到液柱上升,用铁制品敲击玻璃瓶发声,打消学生怀疑“瓶子是玻璃的”这一疑虑;然后再从长轴挤压玻璃瓶使液柱下降,纠正学生认为形变是由于“热胀冷缩”产生的错误想法.这一经典的演示实验之所以能流传下来,其精髓就在于实验设计者精准把握到学生关于微小形变的前概念.要使教师事先准备的设计比学生需要的设计还准确.这不仅需要教师的教学经验,更需要教师的教学智慧.

3.3 创设“真”物理情境

2017年课程标准提出,物理概念的建立、物理规律的探究、应用知识解决问题应结合实际情境.[13]在探究化演示实验中,情境的设置对问题的提出也非常重要,问题的提出分学生自己提出、教师启发下学生提出、教师提出等不同层次.只有当教师根据学生的前概念,认知水平,利用学生感兴趣的情境设定未知的、矛盾的场景时,学生才可能自己提出问题,使探究引向深层次的“动脑”阶段.在情境创设时,情境需是“真”物理情境,“真情境”才能把学生的情感与认知活动有机结合起来,让物理符号学习与生活连接,让情感伴随认知活动,调动学生的学习主动性,用情感激发学习的内驱力.物理真情境应该与学生生活紧密相联系的,是学生生活中有用的场景.

在一次大学三年级物理学专业《物理教学论》考试中有道题目,要求学生利用电梯设计物理计算题.在答卷中发现很多常识性的错误,如一个同学的题目是这样的,“家住20层的温馨坐电梯下楼.电梯以10m/s2加速度向下,20s后到达底层,求小明家高多少米?”.这道题目从物理的角度分析问题不大,但是从生活常识来看,有很大问题.谁家的电梯以重力加速度下降,这种电梯坐上去就是跳楼自杀呀!如果以题目给出的加速度,电梯20s到达地面,电梯运行了2000 m,2 km高的楼房,这看来是来自外星球的高楼.这说明物理学习已经远离了学生的个人生活,学习物理除了应付考试外,对学生个人而言还能剩下什么?浙江省实施新高考后，选物理的学生骤减,甚至家长、老师劝学生弃选物理,物理教育工作者对此扼腕叹息,但其中的原因在此也可以找到蛛丝马迹.

3.4 正确区分结果与结论

在实验中,结果与结论是不同的,结果是指实验现象与数据的分析,结论是从推理的前提中推论出来的判断.结果是客观,结论有主观的因素.例如,把一张纸对折,裁成大小、形状相同的纸片,把其中一片揉成纸团.让纸团和纸片从相同高度落下,纸团比纸片先落地.纸团比纸片先落地就是实验结果.通过受力分析,得出空气阻碍了纸片的下落;进而得出如果物体不受空气阻力,不同物体下落的速度将是相同的,这是实验的结论.但在实际教学中,特别是在职前教师的实习中,他们经常混淆结果与结论,由实验演示直接得出结论,而忽视论证分析过程.如在覆杯实验中,在演示杯子翻转过来,塑料片没有掉下来以后,实习生就直接说,是大气压力作用在塑料片上.大气压是存在的,但不是仅凭观察现象就能看出来的,还需要由结果到结论的分析论证过程.

3.5 重视探究中的论证

学生的学习过程是概念转变的过程,在学习之前,学生已根据自己的生活经验形成自己的认知结构,能合理地解释自己的生活经验,在课堂上,当教师演示的现象与学生的预测不一致时,学生的认知发生冲突,根据乔治·波斯纳(George Posner)提出的概念转变理论,学生的认知将发生改变.但大量教学实践表明,即使学生的认知发生冲突,学生的认知也未必发生改变.这就需要教师利用社会建构有关策略,组织学生在演示实验教学的不同环节,以个人、小组、全班等不同形式进行论证、交流、评价,这样才能实现概念转变.目前,科学探究中的论证(Agumentation)已引起我国科学教育界的关注,我国学者已把操作性较强的ADI和PCRR两种论证模型介绍到我国,这将推进科学论证在我国的研究与应用.[14]

本研究利用实验的内涵和科学哲学对实验的理解,分析了演示实验探究化的充分性,在此基础上,提出了演示实验探究化观点,探究化演示实验的结构要素和对演示实验探究化实践的思考.演示实验探究化是拓展演示实验教育功能的新路径、规范演示实验流程的新思路,它将提高演示实验的教学效果,促进探究式教学的开展,同时对规范职前教师实验教学能力的培养提供了新的方向.本研究对演示实验探究化在理论层面进行了深入的探讨,并在实践层面进行思考,但仍需在实践中具体化、细化.另外,职前教师、一线教师演示实验探究化能力的培养、培训还需要在实践层面积淀和反思.