科学探究导向下利用“反转实验设计”评价学业质量水平*

郑凯倪，郝 睿

(宁夏大学物理与电子电气工程学院，宁夏 银川 750021)

1 引言

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）提出“物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任”的物理学科核心素养，并依此研制了学业质量标准，明确学习任务及其应达到的水平，使育人目的更加突显，也更体现了立德树人根本任务的落实[1]。《课程标准》依据学科核心素养的四个维度划分成五个水平，同时明确各水平的质量描述。如何落实学科核心素养的培育，如何检测学生的学业质量水平等新问题有待解决。我国著名教育家陶行知主张“教学做合一”，强调教与学都要以“做”为中心。《课程标准》明确把培养学生的创新精神提到了首要地位。本文尝试从科学探究的角度出发，将学业质量水平与学生自主设计实验有效结合，使教师可以准确跟进学生理解知识的程度，并根据评价结果给予针对性地引导。

2 落实学业质量标准及意义

《课程标准》依据物理学科核心素养四维度，根据问题情境的复杂程度、知识和技能的结构化程度、思维方式或价值观念的综合程度等划分为五个水平。学业质量是学生在完成高中物理课程学习后的学业成就表现，学业质量标准则是学业质量的具体描述，同时是学生达到物理学科核心素养的具体体现[3]。标准是评价的基础，教师利用学业质量标准不仅强化过程性评价，还能及时掌握学生的学习程度，促使学生深度学习，在学生提高物理学科核心素养的同时给予科学有效的引导[4]。

3 “反转实验设计”的可行性

高中物理是一门以实验为基础的学科。物理实验可以将枯燥的知识点学习转化为动手活动，提高学生学习物理的积极性，帮助学生理解知识，培养深入学习物理的好习惯[5]。创新是人类生存之本，是社会进步之源，万众创新是新时代的主旋律。学生设计实验方案是培养学生创新能力最直接的有效途径之一。在设计实验方案的过程中，可以促使学生的科学探究能力不断提升，丰富学习方式的多样化。

3.1 “反转实验设计”的内涵

“反转实验设计”顾名思义，就是让学生运用课堂所学知识，在已有的知识经验基础下，创新实验设计，制定可行的实施方案。通过设计，学生可以体验科学探究过程，从而进行深度的自主学习；通过人人动手，人人动脑参与设计实验，借助“玩中学”的模式激发学生科学探究的兴趣，提高创新意识，培养科学家精神。既重视全体学生的发展，人人参与，又注重科学探究，增强学生的实践能力和创新能力[6]。

3.2 “反转实验设计”的特点

3.2.1 主动性

设计实验方案不限形式，灵活开放。真正以学生为主体，引导学生自主探究，大胆创新。主动把生活实际、生产技术与科学理论相结合，提出问题，合理假设，自主寻找解决问题的方案。在创新实验的过程中，学生通过主动思考问题和实施方案，可以做到手脑并用，在培养自主学习能力的同时，提高动手能力。

3.2.2 体验性

在实验设计过程中，学生根据已有的知识经验、方法技能，与生活实际相联系，使物理教学更加贴近生活，并在其中体验创新乐趣。通过主动参与实验创新活动，积极与他人交流合作，体验科学探究过程的艰辛与喜悦，激发学习研究物理的好奇心和求知欲，提高创新和实践能力。

3.2.3 有效性

“反转实验设计”坚持问题导向的主要原则，在学生已有的知识经验基础上，通过理论联系实际，以创新实验的方法，让学生正确认识科学的本质，使学生积极参与到课堂教学中，使物理实验不再仅限于教材的参考实验。

3.3 “反转实验设计”的原则

3.3.1 可行性

教师选择的实验要科学可行，实验的可行性是学生实验创新成功的关键。选择的实验要求取材简单，制作方便，安全可靠，学生可以根据已有的认知水平，通过已有的知识，制定实验方案，大胆创新。

3.3.2 趣味性

杨振宁曾说：“成功的秘诀在于兴趣”。要想使学生积极主动参与到实验设计中，实验的趣味性是必不可少的要素。教师选择的实验，要能够激发学生的研究欲望，学生才会主动参与到创新实验中。

3.3.3 开放性

培养学生的创新精神，开放性是成功的基础。给予学生思维发散的空间，学生的发散性思维是创新点的源泉，这就要求教师在引导学生设计实验时，在基于实验原理的前提下，不提出过多的限制要求。使学生在开放的课题下，发散思维，主动交流合作，做到真正的“大胆创新”。。

4 结合“反转实验设计”与学业质量水平，设计“鱼形”评价

4.1 课前准备

教师为检测学生的学习程度及学科核心素养中科学探究的已形成水平，设计“反转实验设计”课堂，评估学生现阶段的学业水平。反转实验的关键是，教师要明确此时的身份是引导者，而不是主导者。学生要根据已有的知识经验，独立设计实验方案并就地取材制作实验仪器。教师引导学生发现问题，在探究过程中，学生独立自主进行实验设计，撰写实验方案，选择或制作实验仪器。教师只需观察学生的动态，同时给予适当的引导，做好监督工作，防止危险意外的发生。在科学探究过程中，学生的思维不再局限，手脑并用，自主探究能力得到提高，创新意识得到有效培养。

4.2 课上探究评价

课堂以学生交流展示设计实验的形式，对自己设计的实验做演示与汇报。教师根据学生的设计实验思路、设计实验过程、实验展示、撰写的实验设计方案，表达交流与反思，评价学生的创新实验，了解学生达到的水平，及时得到学生学习程度的反馈。

图1是关于科学探究的“鱼形”评价形式流程图。借助“鱼形”诊断，教师可掌握学生的科学探究水平，以便推进后期的针对性教学，引导学生深度学习。教师通过“引导——评价——引导”的闭环教学，使得学生的思维得以解放。基于评价的针对性引导不仅可以增强学生的科学探究意识，培养创新精神，提高自主学习的能力，还可以更好地体现以学生为主体、教师为主导的教育理念。

图1 关于科学探究的“鱼形”评价形式

《课程标准》中关于科学探究的学业质量水平分为五个水平四个方面，不仅五个水平是层层递进依次加深的，而且不同水平的相同方面也是层层递进且依次加深的关系。“鱼形”评价涵盖了五个水平的方方面面，实现内容的全覆盖，教师可准确掌握学生的情况。

结合“反转实验”课堂新模式，学生用自制的实验仪器展示其实验设计，教师依据科学探究标准的“鱼形”评价形式，根据学生实验创新过程，实验方案的撰写以及交流表达，对学生的现阶段学习做水平定位并对其进行针对性引导，实现“引导——评价——引导”的闭环教学。

如在通电导线在磁场中的运动一节“反转实验”课堂上，学生已学习了安培力的基本物理知识，在探究安培力大小与什么因素有关时，通过教师的引导，学生设计了如图2所示的实验装置。

图2 学生设计实验装置

通过学生的演示讲解，教师结合“鱼形”评价，做出定位。提出物理问题是科学探究学业质量水平2中的第一个方面：若是，就证明学生达到了水平2的第一个方面，那么就可进行下一水平中的相同方面再做判断，若否，就证明学生没有达到水平2的第一个方面，则返回水平1再对学生进行相同水平其他方面的判断。据此，可以把提出物理问题作为评价的起点。此学生提出了“安培力大小与什么因素有关？”的物理问题并且做出了“安培力与电流大小有关”的初步假设，证明学生已经达到了水平3，并且此假设是学生根据安培力公式做出的有依据的假设，证明学生达到了水平4。但是在判断学生是否达到水平5时，教师发现学生并没有从不同的角度提出物理问题并做出科学假设，说明学生没有达到水平5，此时再判断学生的其它方面。学生制订了科学的探究方案，并且选用不同型号的电池，采集在不同电流下线圈转速的快慢，通过分析数据得出“在磁场一定时，通电线圈中电流越大，线圈转速越快，安培力越大”的结论，并撰写了完整的实验报告。但是学生的方案缺乏新意，且只用了一种方法分析数据，实验报告缺乏规范性，因此此学生没有达到水平5，但是满足水平4的各个方面。评价流程如图3所示。

图3 评价流程

教师此时评价出学生的水平处于水平4的阶段。教师可依据的学生的实验进行针对性的引导。安培力大小还与什么因素有关，引导学生再探究安培力与磁场的大小有关，并在学生设计的实验基础上，引导学生通过更换磁铁来改变磁场从而收集数据，并指导学生撰写规范的实验报告。通过以上“引导——评价——引导”的闭环教学，学生可以达到更高的学业质量水平。

5.结束语

综上所述，高中物理实验是培养学生创新思维的有效途径。基于学业质量评价的“反转实验设计”是实验组织的新形式。基于评价的针对性引导教学，可以不断唤醒学生的创新意识和探究兴趣。该过程不仅为学生提供了创新思维的发散空间，还能促使学生多角度思考问题，多动手实现创新的灵感和想法，并在学习过程中，感悟科学家精神，提高创新能力。

创新是民族发展之魂。作为新时代的教师，在培养学生创新能力的同时，要加强自身的创新意识，只有创新型的教师才能培养创新型人才。积极改革传统课堂，充分利用课堂有效推动创新思维的培养，解放学生思维，提高物理实验课堂质量，是物理教师的责任担当。