高中物理教材实验的探究水平与过程技能研究——以2019年人教版、沪科教版、粤教版必修部分为例

邱文婷 张军朋

（华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510006）

理解科学探究，具有科学探究能力是科学素养的重要组成成分.深化学生对科学探究的认识，俨然成为全球基础教育科学课程改革的一个核心问题.21世纪以来，中国、澳大利亚、美国、加拿大、芬兰等多个国家的课程目标普遍注重发展学生的科学探究能力.例如，我国在2003年高中物理课程改革中，就明确提出在物理教学过程中要注重科学探究，提倡探究式教学.在教育部2017年颁布的高中物理课程标准中，更是将探究教学置于重要地位，明确将科学探究作为物理学科4大核心素养之一，彰显科学探究对于发展学生科学素养的重要地位.

实验作为科学最显著的特点，绝大多数国家课程文件中都将实验作为核心的探究活动.［1］教材中也配套有丰富的实验资源帮助学生构建物理知识，从中提高实验能力和科学探究能力.而教材作为课程内容呈现的主要载体，在一定程度上决定了课程教学中能否落实课程标准对科学探究的要求.［2］其中人教版、沪科教版和粤教版是我国使用量较大的3版教材，对教师和学生有着较大的影响力.因此，本文将聚焦2019年版人教版、沪科教版和粤教版高中物理教材必修部分的实验内容，采用内容分析法分析3版教材中实验的探究环节水平与科学过程技能，期望为教师合理利用教材实验开展探究式教学提供启示.

1 研究设计

1.1 研究对象

本研究主要关注教材正文部分实验.人教版主要分布在“实验”和“演示”两个栏目；沪科教版主要分布在“实验探究”和“学生必做实验”两个栏目；粤教版主要分布在“观察与思考”和“实验与探究”两个栏目.

1.2 分析框架

研究主要分为两个维度，维度一关注教材中实验的科学探究水平，维度二关注教材中实验的科学过程技能的使用频率.

1.2.1 科学探究水平

科学探究水平主要是指科学探究的开放性水平.施瓦布（Schwab）依据“提出问题-设计方案—得出结论”3个阶段将科学探究划分为3个水平，水平1为限定探究水平，即仅结论向学生开放；水平2为引导探究水平，即方案和结论向学生开放；水平3为自主探究水平，即所有三阶段均向学生开放.［3］赫伦（Herron）在此基础上补充水平0，即问题、方案和结论均给出.然而，施瓦布等人的探究水平体系主要关注探究任务整体的探究水平，对不同环节的探究水平缺乏关注，难以包容多样化的探究活动.因此，张新宇等根据教师（教材）与学生在探究活动环节中的角色地位，将探究活动环节划分为“目的确定、方案设计、方案实施、结论形成、反思交流”，每一环节包含“缺失、限定、引导、自主”四个水平.［4］本研究将采用张新宇等的探究水平体系，构建教材科学探究水平分析框架，如表1所示.

表1 教材科学探究水平分析框架

1.2.2 科学过程技能

美国科学促进协会（AmericanAssociationfor theAdvancementofScience）提出了12个经典科学过程技能作为科学探究的评价项目，包括观察、推理、分类、测量、交流、预测、控制变量、操作性定义、作出假设、解释数据、提出问题和构建模型.结合《普通高中物理课程标准》（2017版）、以往的相关研究以及物理学科特点，确定观察、推理、测量、交流、控制变量、操作性定义、作出假设、解释数据、提出问题和构建模型10个科学过程技能.根据思维方式和操作技能的复杂程度，将其划分为基础科学过程技能和综合科学过程技能，［5］如表2所示.

表2 科学过程技能及其分类

1.3 编码方法

依据上述分析框架，对3版教材中的所有实验进行编码.为了确保统计分析的可靠性和一致性，两位研究者单独地对教材中的实验类栏目进行编码.接着，利用SPSS对两者的统计结果进行分析，探究水平和科学过程技能两个维度的一致性系数分别为0.830和0.852，表明研究结果具有良好的内部一致性和可靠性.随后，两位研究者陈述各自对于统计的考量，并对持有不同见解处进行讨论协商.

下面以人教版必修1第58页的实验为例，说明编码的具体过程（图1）.

图1 教材实验的编码示例

依据上述分析框架可知，在探究的水平上，该实验“目的确定”和“方案设计”环节为水平1、“方案实施”和“得出结论”环节为水平2、“交流评价”环节为水平0；在科学过程技能上，该实验涉及“观察”、“测量”和“解释数据”3项科学过程技能.

2 3版教材实验的分析

2.1 科学探究水平

3版教材实验在各环节探究水平的频率分布如图2所示.

图2 3版教材实验各环节的探究水平分布

对于“目的确定”环节，人教版和沪科教版均处于水平1，粤教版绝大多数处于水平1，少数为水平2.可见，3版教材的实验大都为研究问题确定的实验，这可能与教材作为静态阅读文本具有一定的局限性有关，只有确定了实验目的才能推动后续实验的呈现.粤教版部分实验仅提供了情景素材，未直接给出实验目的，为学生形成探究目的提供了机会.仔细分析发现粤教版教材处于水平2的3个实验均来源于“观察与思考”栏目，例如超重和失重一课设置的体重计实验，虽然该实验本身未指明实验目的，但在实验前后正文中分别出现“人的体重会发生变化吗？”等文字对学生判断探究目的具有引导作用.

对于“方案设计”环节，3版教材均水平1分布最多，人教版仍有32%实验分布于水平2，是其他两版教材的3倍以上.可见，虽然教材有关注对实验方案设计的引导性，但仅是人教版表现较好，直接向学生提供实验设计方案仍是3版教材呈现实验的主要形式.值得关注的是，沪科教版有17.14%的实验处于水平3，是其他两版教材的5倍以上.可见，沪科教版较为关注学生设计实验的自主性.例如“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验，人教版和粤教版教材均给出完整的实验方案，而沪科教版则要求学生“写出所需实验器材和实验步骤”，并根据自己的实验方案完成实验，为学生自主设计方案提供了机会.

对于“方案实施”环节，3版教材主要分布在水平2，随后依次为水平1和水平3.可见，教材为实施方案提供了充足的外部支持，在实验的观察与测量上极具引导性，表明教材关注学生本身对探究过程的观察、现象记录和数据表征，强调对学生信息获取能力的培养.［6］

对于“结论形成”环节，3版教材较多分布于水平2，随后为水平1，少数分布于水平0和水平3.可见，教材以提供分析实验现象和数据等思路引导学生形成结论为主，但是仍有不少实验直接给出实验结论，甚至部分实验缺失“结论形成”环节.仔细分析教材中那些缺失“结论形成”环节的实验，一类是练习使用某类仪器的实验，例如“练习使用打点计时器”，这类实验旨在让学生掌握实验仪器的使用，自然无需形成结论；另一类是涉及“观察”的实验，例如沪科版中“观察弹簧测力计示数的变化”实验，教材在要求学生观察实验现象后便无下文.实验结论是基于实验结果得出的推理和解释，根据实验现象和实验数据得出结论是科学的特征之一，能够区分“观察”和“推论”同时也是科学本质的内涵之一.［2］“结论形成”环节的缺乏或者教材直接给出实验结论，可能会让学生混淆“实验结论”和“实验结果”，影响学生科学本质观的形成.

对于“反思交流”环节，人教版和粤教版水平0分布最多，其次为水平2；沪科教版则水平2分布最多，随后为水平0.可见，3版教材的实验均存在缺失反思交流的情况，沪科版在反思交流环节表现较好，一半以上的实验均有提供反思性或总结性问题引导学生进行反思评价，仔细分析反思内容主要围绕误差分析展开，例如“探究加速度与力、质量的定量关系”实验要求学生“讨论和评价数据点离直线有相当距离的原因”.

2.2 科学过程技能

3版教材的科学过程技能的分析结果如表3所示.

表3 3版教材实验的科学过程技能的使用频数与使用频率

续表

人教版、沪科教版和粤教版3版教材的科学过程技能的使用频率的平均值依次为32.40%、33.71%和26.72%，可见沪科教版使用科学过程技能的平均频率最多，人教版其次，粤教版相对较少.

在基础科学过程技能方面，人教版使用“测量”、“观察”和“交流”的频率较高，使用“推理”的机会相对较低；沪科教版使用4项基础科学过程技能的频率均较高；粤教版使用“测量”和“观察”的频率较高，使用“交流”和“推理”的机会较低.“测量”和“观察”作为获取证据的基本途径，在3版教材中都有着较高的使用，体现了3版教材均注重对学生证据获取能力的培养.“交流”作为一种表述自己研究成果、信息和想法的途径，能够正确表述和阐明研究问题、程序、证据和结果是一种必备的科学素养.结果表明教材为学生在探究过程中进行交流与表达提供较为充足的机会，体现了教材重视学生在探究活动中的主动积极的作用.

在综合科学过程技能方面，3版教材应用各项综合科学过程技能的频率不平衡，应用“解释数据”、“操作性定义”和“控制变量”的频率较高，随后为“作出假设”，几乎没有应用“提出问题”和“构建模型”.实验中运用“作出假设”、“解释数据”和“构建模型”这3项过程技能，需要具备推理、创造性思维和解决问题这些高阶思维能力.［5］“解释数据”的较高使用表明当前教材中的实验关注学生对知识间相互联系的理解，强调学生在对实验信息的分析过程中形成逻辑性的知识体系.例如在“验证机械能守恒”实验中，3版教材都采用了研究自由下落物体的机械能方案，并要求学生能够通过测量和处理数据获得各计时点的动能和重力势能，并通过分析各点的动能和重力势能来验证机械能守恒.然而，除了“解释数据”，“作出假设”和“构建模型”两项科学过程技能在教材中使用频率均较低，尤其是“构建模型”几乎没有体现，可见教材中的实验并没有为发展高阶思维提供充足的机会.此外，“提出问题”是开放式探究的标志，也是发展批判性思维和科学思维的有力手段，教材中的实验都是有着明确问题和目的的，因此3版教材 “提出问题”使用频率均为0.

3 结论和建议

3.1 正确辨识教材实验的探究水平，依据学生认知水平开展实验教学

结果表明现教材实验的探究水平整体以引导性水平为主，各环节的探究水平具体表现为：“结论形成”和“反思交流”环节存在缺失、5个探究环节都存在控制性水平和引导性水平，仅有“方案设计”、“方案实施”和“结论形成”存在自主性水平.不难发现，这可能与教材的导向功能以及各环节的特点有关.例如，“目的确定”、“方案设计”和“方案实施”是实验中必不可少的，故所有的实验都会存在这3个环节.而部分实验如“练习使用打点计时器”等只是为了学生掌握某些实验器材的使用，无需形成结论，故“结论形成”会存在缺失.“方案设计”、“方案实施”和“结论形成”适合体现学生主动经历探究的过程，因此可以设置为自主性水平.

然而，教学实践活动是多样化、多水平的探究体系，既不必完全按照教材实施，也不需要过分强调高水平的探究，而是应当根据学生的具体认知水平来进行探究活动设计.首先，对于课中建立新知的探究活动，可以依据新知与学生已有认知的差距来确定探究水平，如若差距较大则以低水平探究为主，如若差距较小则可以高水平探究为主.例如，对于“探究弹簧弹力与伸长量”实验，学生在初中时已经学过相关知识，因此该实验可以让学生自主开展.其次，对于课后开放性活动，此时学生经过新课的学习，已经掌握了基本的知识，且具备一定的问题解决能力，此时可突出学生的主体地位，以高水平探究为主.

3.2 关注教材对科学过程技能的呈现，平衡实验中科学过程技能的运用

研究发现教材实验使用基础科学过程技能的频率较为平衡，且整体使用频率较高；使用综合科学过程技能的频率较低且并不平衡，“作出假设”应用较少，且缺少“提出问题”和“构建模型”.

科学探究能力是一种具有复杂结构的高层次能力，它建立在多方位的知识和技能基础之上，［7］各项科学过程技能得以平衡的训练是发展高层次科学探究能力的必要条件.因此，教师应当全面了解教材对科学过程技能的呈现，并在开展探究教学时应有意识地平衡科学过程技能的培养，而非仅仅关注和重复使用某些科学过程技能，如“测量”、“控制变量”、“推理”等.其次，高阶思维技能和科学过程技能之间存在着一定的交叉，科学探究中应用“作出假设”、“解释数据”和“构建模型”三项科学过程技能，需要具备高阶思维中科学推理以及创造性思维和解决问题的能力.［5，8］因此，教师还需要注重发展涉及高阶思维能力的科学过程技能，从而为发展学生的高阶思维能力提供机会.

3.3 考虑实验的逐渐开放性，合理协调教师的指导程度

探究活动的开放性指在某些相关主题内容中，教材或教师的主导作用减弱而学生自主探究的权限增加；或是随着年级的增长，学生自主控制探究环节的权限增大.可见，实验探究活动的构成要素主要包括教材/教师的指导，内容/年级，以及探究活动的完整性，且随着内容/年级的逐渐增长，探究活动中教师的指导力度应当逐渐减弱，学生参与探究活动的水平逐渐增大，训练的科学过程技能也应当愈发复杂，［9］如图3所示.

图3 探究活动的开放性

因此，教师应当根据学生年级适当调整指导程度，合理设计学生自主参与探究活动的完整性.例如，对于必修1中“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验，属于高一年级学生的学习内容，因此在开展此实验时，教师可以给予学生较多的指导，引导学生基于已学知识和生活现象提出研究的问题，并对此作出猜想和假设，加速度的大小与力和质量的大小有关，随后指引学生设计实验、记录和处理实验数据，形成结论并进行讨论和交流.而对于必修3中“测量金属丝的电阻率”实验，属于高二年级学生的学习内容，且基于初中的学习，学生已经基本掌握电学实验的方法，因此教师可以适当降低指导力度，提高学生自主参与探究活动的完整性.