物理科学探究回归科学实践本质的教学思考——以闭合电路欧姆定律的探究学习情境开发为例

董光顺 李志坚

（1.云南师范大学附中呈贡校区，云南 昆明 650504；2.昆明市教育科学研究院，云南 昆明 650000）

在科学教育的发展中，初期的科学教育将静态知识视为科学，到了20世纪80年代末，探究是科学的本质的观点开始被学界认同.但受到经验主义哲学的影响，科学教育对于科学探究的理解越来越狭隘，不少课堂将“科学探究”简化、异化为按程序和步骤进行的“实验测量”.直到2011年，美国颁布的《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念与核心概念》（以下简称《K12-框架》）提出了“科学实践”的概念后，2013年4月NRC发布《新一代科学教育标准》进一步将科学教育的首位关键词由“科学探究”更换为“科学实践”.［1］至此，科学本质观经历了“科学作为知识”到“科学作为探究”，再到“科学作为实践”的发展过程.物理作为科学教育的重要组成部分，在此背景下，我们有必要将物理科学探究素养回归到科学实践本质的国际视域下进行理解、探视和培育.

1 科学实践视角下物理科学探究素养的解读

1.1 科学实践的基本概念

《K12-框架》将“科学实践”定义为“科学探究所需要的一系列认知的、社会的和行为的活动.”［2］相关学者在后续研究中做了重要补充：① 科学实践不是一系列要素构成的固定程序，而是科学探究所指向的不同类型的学生活动；［3］② 科学探究的实践本质是以用“动脑”驱动“动手”的理论性探究为主导的活动过程，实践本质要以“动嘴或动笔”的方式体现了科学探究的社会性过程.___________________［4］

1.2 传统科学探究与科学实践

“科学探究”（以下称为“传统科学探究”）一词源于1961年芝加哥大学施瓦布教授在哈佛大学的报告.关于科学探究的最新界定见于2000年由NRC发布的《科学探究与国家科学教育标准—教与学的指南》.该书指出：科学探究表示学生需要发展的，设计和实施科学实验研究的能力，以及应获得的对于科学探究本质的理解.［5］

概念界定的表述中，明确了“传统科学探究”是学生发展需要培养和具备的能力，重视通过观察、测量等手段，收集数据、处理数据并获得实验结果的学习经历.在科学实践视角下，传统的科学探究主要是开展量化实验和经验调查，偏向于学生的行为活动.它与“构建解释”和由主张、批判、论证等社会性交互活动所组成的“评估”，共同构成科学实践的3个关键活动，如图1所示.［6］

图1 《K-12框架》中科学实践的3个关键活动

1.3 物理科学探究与科学实践

2017版的《普通高中物理课程标准》指出：“科学探究”（以下称为“物理科学探究”）是指基于观察和实验提出物理问题、获取证据并作出论证和解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.它由“问题、证据、解释、交流”4个核心要素组成.笔者参照科学实践本质的术语体系，构建了图2所示的物理科学探究框架.

图2 物理科学探究素养中的4个关键活动

物理科学探究素养与《K-12框架》中的科学实践在构成要素和意蕴主张层面保持了一致，物理科学探究在传统科学探究的基础上丰富了实践活动的要素及内涵，“交流”和“解释”两个关键活动，分别从社会和认知层面回应了实践作为科学本质的最新的科学观.在物理科学探究中，基于证据的交流活动就是学生进行科学论证的过程.在证据基础上，以思辨为重要特征的语言交互构成科学探究中的解释活动.

对于“解释”的准确理解需要归置到解释学视角下，学者张彤、薛晓阳在评价哲学家施莱尔马赫和狄尔泰等人的精神科学时写道：“解释从来不是对客观世界一一对应的反映，而是人表达自我、想象和自由的方式.”［7］笔者认为，物理科学探究中的解释特指个体通过体验、推理、协商、洞见、创造等途径，与客观世界对话的方式.对话的结果并不以世界“原样”为唯一，对话的过程就是学习者基于证据进行规律构建和概念内化的过程.

2 科学实践视角下物理科学探究的教学审视

2.1 物理科学探究的再认识

科学探究素养是学生经历科学学习后，需要养成的适应个人终身发展和社会需要的必备品格.它不仅是物理课堂需要努力达成的育人目标，同时还是化学和生物课标明确要求培养的学科核心素养.在物理学科中，科学探究不仅是学生要重点培育并养成的素养，还是学生养成物理观念、发展科学思维、形成科学态度的重要途径.

科学的实践本质并不否认科学认知是个探究的过程，也并不意味着在科学教育中要弱化师生的探究行为.“实践”替代传统“探究”作为科学的本质，用来指导科学教育实施的初衷，在于拓宽科学教育的视域，丰富科学活动的内涵，抵制传统科学探究的模式化和步骤化，并在实验测量的基础上，凸显科学活动的认知属性和社会属性.图2所示的物理科学探究素养框架正是物理教学对科学实践本质的具体回应，可以认为，科学探究素养反映了我国物理学科教学研究者扭转传统科学探究模式化倾向的努力.

2.2 物理科学探究的教学要求

总体要求上，科学实践背景下的科学探究教学，不仅要重视科学实验中的数据测量和数据处理的过程，还要强调学生基于测量结果的数据建模和构建解释的学习体验，并在问题、证据、解释3个关键活动间，建立以思辨和论证为立场的同伴对话机制.此外，在具体的课堂教学中还应该关注以下3个方面的内容.

（1）课堂要以真实问题或任务为中心.问题的生成讲究自主、自然，任务驱动下的探究活动要以获得解决方案为直接导向，在问题解决过程中通过“解释”实现规律和概念的建构.

（2）开展科学实践活动要以真实情境为基础.探究性学习情境的创设目的不仅在于激发学生的学习动机，更要为学生开展认知活动，进行探究学习创设环境.因此，以实验为手段的科学探究要关注情境的创设，更要重视“问题情境-实验情境-学习情境”的有序转移.

（3）确立学生作为科学探究活动的独立主体.传统的科学探究太重视应然结果的获得，实践倾向下的科学探究则更在意学生独立地参与了哪些具体活动.希望教师在实践活动中能够自觉退位，不过度预设、不过界引导，以确保学生像科学家一样独立地经历科学研究中本就存在的迷思和不确定性.

3 科学实践视角下的物理科学探究教学案例——闭合电路欧姆定律的构建

3.1 教材分析

高中物理选择性必修3中的“电能 能量守恒定律”一章，凸显了3个与核心素养相关主题词：“测量”指向科学探究、“守恒”指向物理观念、“可持续发展”指向科学态度与责任.其中“闭合电路欧姆定律”1节是单元教学的核心，它是培养学生科学探究素养的优质素材，我们以此为例进行案例探讨.

在2019年全国推行使用的各版本教材中，“闭合定律欧姆定律”一节所涉及的知识内容和呈现顺序基本一致（如表1所示），但各版本在闭合电路欧姆定律这一关键规律的获得上，采用了3种完全不同的路向.

表1 各版本新教材的知识与呈现顺序

路向1.鲁教版教材从能量视角，通过类比“人工瀑布”引出电动势概念，对比干电池和蓄电池造成的小灯泡亮度变化的差异，推测电池内部存在电阻.最后，通过分析全电路的电势变化（如图3示），导出闭合电路欧姆定律.

图3 “鲁教版”教材中全电路电势升降的插图

路向2.人教版教材从动力学视角，对电荷在电源内部移动时的受力进行分析，引出电动势的概念，并在陈述中直接给出了内阻.然后根据全电路中的能量转化，推导闭合电路欧姆定律.

路向3.粤教版和沪科版教材利用内阻可调的电解液槽（如图4示），测出全电路中内、外电压之和为定值.在此基础上，结合能量转化与守恒的观点，推演电动势和闭合电路欧姆定律.

图4 “沪科版”教材中可调内阻电池结构的插图

3.2 取向分析

4个版本的教材均通过演示灯泡亮暗或路端电压的“异常”变化，创设真实的问题情境引出本节课的学习内容，但在“问题解决”的环节，只有沪科版教材和粤教版教材有明显的实验探究倾向.正如沪科版必修3的教师用书中提到的：沪科版教材十分强调实验探究和理论分析，力图再现闭合电路欧姆定律建立的过程，旨在培养学生的实验能力，并让学生亲历“观察、提出问题、作出猜想、证实猜想”的发现过程.

事实上，在最新修订的《普通高中课程标准》中也明确指出：在实验探究闭合电路欧姆定律等内容的学习中，要努力创设激发学生探究欲望的问题情境，引导学生进行科学探究，培养学生实验设计、分析论证、反思评估等能力.［8］鉴于科学探究素养的特殊地位，在兼顾能量守恒观念培育的基础上，笔者认为本节课的教学设计要尊重闭合电路欧姆定律作为实验定律的学科事实，［9］在科学实践本质取向下，应该将优先发展学生的科学探究素养作为本节课的核心目标.

事实上，在科学实践本质的视角下，沪科版和粤教版教材中的探究活动设计，也存在一些问题.

（1）教材中的科学探究主要是由教师操作的演示实验.实验的主要目的在于促进学生对概念和规律的理解，但在规律构建过程中，学生难以以科学探究的主体角色有效地参与到具体的实践活动中.

（2）教材按照能量守恒的观点指导学生推演闭合电路欧姆定律时，学生可选择的思维活动路向单一，难以组织学生开展证据、解释、论证等具有显著科学实践特征的学习活动.

3.3 科学实践活动片段

实践活动1：问题情境创设与任务生成.

（1）引入情境.教师向学生演示图5（甲）所示的实物电路在依次闭合开关时，灯泡亮度的“异常”变化.

（2）引出问题.让学生结合所学内容思考，灯泡亮度发生变化的可能原因.学生给出了灯丝电阻变化、导线的电阻变化等猜想.

（3）任务生成.用定值电阻代替小灯泡，如图5（乙）所示，排除灯丝电阻变化的因素后，发现电流表的示数变化依然存在相似的结果.生成任务：试推测支路电流发生变化的原因是什么？请尝试进行论证.

图5 问题情境向核心任务转化

设计说明：通过实验创设问题情境，并将问题情境转化为开展科学探究的学习场域，旨在让学生通过科学探究解决问题，在问题解决中发现规律；用定值电阻替代小灯泡，一方面是为了减少探究中需要关注的因素，突出研究主题的同时降低学生探究难度，另一方面是小灯泡的阻值较小，支路增加后，流过电池的电流较大，会影响电池的性能，导致测量数据的偏差较大.

实践活动2：通过测量和调查获取证据.

大部分学生通过充分的推理和交流后，能够将探究活动的重点聚焦在电源内部.但在实际教学中，笔者发现，除非教师过度预设或越界引导，学生很难想到电源存在内阻.大部分学生认为可能是由于电池在使用过程中性能发生了变化而导致供压下降，但很难设计出可行的论证方案.在此学情下，教师利用PPT展示1965年著名物理学家理查德·费曼在康奈尔大学发表有关“数学和物理学关系”系列讲话的照片，呈现观点“一个有趣的方面是如何研究新物理学及测方程变量的方法似乎是一种非常有效的方式”作为提示语.

（1）实验测量.通过讨论，能够将问题归因于电源内部的学习小组，搭建了图6（甲）所示的测量电路，测量了依次闭合开关时干路电流和路端电压的6组数据；归因推理受阻的小组，则根据实验现象从支路入手，搭建了图6（乙）所示的测量电路，测量各个支路的电流和路端电压的数据.

图6 学生进行实验测量的两类电路

（2）数据处理.各小组使用提供的电脑进行数据处理，使用（乙）电路进行测量的学生最先得到的是支路电压随电流线性变化的关系（部分欧姆定律对应的规律）.这个测量结果只说明了定值电阻在依次闭合开关过程中阻值保持不变；使用（甲）电路进行测量的学习小组，则顺利地得到了路端电压随干路电流的变化关系大致是线性的.随后，教师指导使用（乙）电路进行测量的学生将各支路的电流进行求和，也顺利地得到了与（甲）电路相似的数据结果.

设计说明：（1）在推理猜想环节，学生无法形成清晰的预测和论证方案看似遗憾.但事实上，这种情形更符合实际的科学研究工作，这也是不少同学在探究学习中经常要面对的境况.我们不建议教师作进一步的明示和引导，强迫学生给出脱离认知实际的假设，而是希望学生采用“测量变量”这种更为普遍的科学研究思路.（2）为确保学生在开展实践活动时的意识自主和思维自由，笔者并没有强行统一（甲）、（乙）两种测量方案，而是在数据处理时再指导学生将（乙）类电路测得的支路电流求和后转化为干路电流，这样做的好处在于：一方面重现了部分欧姆定律的内容，另一方面开阔数据处理思路的同时实现了不同研究方案之间自然统一.

实践活动3：在数据模型的基础上构建解释.

（1）数据建模.指导学生根据图线趋势作出判断后，利用Excel中的“添加趋势线”和“显示公式”功能，对数据结果进行拟合、建模，获得图7所示的线性关系.得到了依次闭合各支路开关时，路端电压和干路电流之间的“数值关系”（U=b-k I）.

图7 变量间的“数值关系”

（2）构建解释.组织各小组探讨数学关系U=b-k I内隐的物理规律，讨论分3层.

第1层，学生可以用两种思路论证斜率和截距表示的物理量.

思路2.能量守恒视角UI=bI-k I2.

通过交流易知，截距b为电压量，斜率k为电阻量，因实验电路中干路电流对应的电阻来自于电源内部，论证了电源有内阻的科学事实.教师可结合干电池的内部构造，初步介绍欧姆极化、活化极化、浓差极化等造成电池存在内阻的原因.

第2层，弄清数据模型中的常数表示的物理量后，可获得更为隐蔽的物理量关系b=U外+U内.

此处，可以考虑指导学生利用如图8所示的高精度智能电池测试仪，测量本小组干电池的内阻和电动势的数值.各小组将发现拟合出的图像的斜率和截距在数值上与测试仪的示数吻合.

图8 智能电池测试仪

（3）解决问题.组织学生基于所学内容讨论，依次闭合开关时支路电流逐渐变小的主要原因.

设计说明：（1）量纲分析与守恒分析是科学研究中，透过数据模型探析科学规律的有效视角.（2）从数据模型到解释构建的过程需要自然孕育、层层破茧，才有可能确保概念和规律在个体认知网络中自然地、不偏离事实地、完整地生长.

课堂最后，教师可选择性地布置以下任务作为学生进行拓展学习的课题.

素材1.结合本节课的学习，自主设计测量电池内阻和电动势的实验方案；

意图：希望学生对本节课的测量电路进行如图9所示的优化，自主获得教材中测定内阻和电动势的实验方案.

图9 测量干电池内阻和电动势的电路

素材2.调研干电池在持续使用过程中内阻和电动势随时间变化的规律.

意图：建议学生使用电池电动势和内阻测量仪进行测量，巩固调研意识，懂得科学使用电池的方法.

素材3.写一份关于电池研究和发展的调研报告.

意图：了解电池的发展历史和处置废旧电池的环保方式，知道最新的研究进展，最好能形成一定的研究展望.

4 案例的教学反思

4.1 关于本节教材编写的建议

4.2 关于物理科学探究教学的反思

科学实践本质背景下的探究教学要确保学生作为开展实践活动的唯一主体，优先关注具体的学生活动设计，弱化对科学探究程序和步骤的浅层效仿.目标设定上，要从“方法—技能”取向向“思维—素养”取向转化；在活动设计方面，需要将单一的数据测量与处理向由“问题、证据、解释、交流”融合成的、更接近科学研究实际的综合性实践活动发展.在具体的教学实施中，教师需要着力提升：情境创设与开发、提问、启发、课堂组织、引导深度学习等更有助于培育学生核心素养的教学技能水平，创设有益于学生开展探究学习的课堂环境.