物理实验育人的实践探索与理论研究——基于江苏省前黄高级中学物理实验教改的30年探索

蔡卫东 陈扣余

（江苏省前黄高级中学，江苏 常州 213161）

物理实验是根据研究目的，运用科学仪器、设备，人为地控制、创造或纯化某些物理过程，使之按预期的进程发展，同时在尽可能减少干扰的情况下进行定性的或定量的观察和研究，以探求物理现象、物理过程变化规律的一种科学活动.［1］随着课程改革的不断深化，实验教学正在得到逐步加强，但总体来说实验教学仍是比较薄弱.中学物理教学最突出的问题便是忽视实验育人的功能，具体表现为如下两个方面：一是存在着以讲代做、知行分离的现象，过于注重接受性学习与基于符号的逻辑演练；二是实验教学浅层化，实验“照方抓药”，以模仿为主，学生没有进行深入的实验探究，没有开展深度学习，不利于学生高阶思维能力的培养.因此，要切实落实立德树人的根本任务，就必须深化物理实验教学改革，探索物理实验育人的理论价值与实施路径.

1 复归物理实验育人的价值本义

1.1 启智行道：彰显小实验、大智慧的育人价值

物理实验作为物理教育中凸显理科属性与科学本质的重要基础，其内容设置、探究方法与内隐思维等众多方面对于学生科学素养的培养均具有不可替代的作用.多年来我们致力于物理实验教学的改革与创新，深度挖掘和转化物理实验的育人价值，旨在通过小实验来彰显大智慧，并提出了“启智行道”的实验育人理念.“启智行道”为悟万物之理，育创新之能，启学科之智；立科学精神，行伦理道德，修家国情怀.具体而言，“启智”即在物理实验教学中启迪学生智慧.物理实验教学不是仅仅提供学生主动参与、动手操作与亲身体验的机会，促进基于经验的知识建构，领悟概念和规律，更重要的是让学生体验科学探究的过程，掌握科学研究方法，增强转识成智的能力.“行道”即在物理实验教学中探索育人的道路.物理实验教学不应止于引导学生探索知识，更应注重对学生进行科学精神、科学伦理道德及社会责任感等方面的教育.注重学生“学以致用”能力的培养，引导学生像“物理学家”一样思考，将所学知识通过实验研究及科技创新造福人类，提高学生的伦理道德水平和家国情怀的修养.

1.2 真趣思创：重构全面性、进阶式的基本元素

物理实验育人应该达成的基本元素是“真、趣、思、创”.“真”即真学实做.强调学生真正动手做实验，进行积极的学科实践，主动参与知识建构的过程.通过实验探索，学生在操作技能方面有了真的收获，也领悟了科学研究的过程和方法.促进学生从实验走进物理，再从物理走向社会，这样的历程促进了学生核心素养的扎根生长.“趣”即激发兴趣.设计新颖、奇特、生动、惊险和富有悬念的实验唤起学生的直接兴趣；吸引学生主动投入实验探究过程，满足学生的操作欲望；设计组织具有召唤性的小型探索性实验和设计性实验，激发起学生学习的内在动力，使实践经验成为主体的行动.“思”即思维缜密.实验的全过程设计构思，既要从物理原理出发，保证实验成功，又要遵循学生学习的认知规律.让学生通过观察实验发现问题，经历积极的、缜密的思考，提出猜想和假设，并应用所学知识解释物理现象，总结反思得出物理规律.这样来促进学生用物理学科典型的学习方式学习，引导学生像“物理学家”一样学习和思考.“创”即创新创造.实验教学中增加定性探索性实验、模拟设计性实验和定量研究性实验，实验设计从社会生活中的某种需要出发，考察为满足这种需要的事物现存的缺点和不足，进而提出改进和创造的研究课题，培养学生的创新意识和探索能力，以及参与科学决策的民主意识和评价能力.

1.3 系统实践：回溯生本位、促能动的实施原则

为了让学生能够沉浸式、适切性地从小实验中获取大智慧，物理实验育人的实施原则应当注重学生本位，促进其能动实践.详细说来，实施原则主要包括如下3个层面.① 具身性原则：学习经验的积累、操作的体验依赖于学生的具身性学习.具身性强调动手、动脑、动情、动心相结合，通过身体的感觉运动系统与周围环境的互动，让学生亲身经历知识产生的过程，从活动出发，激活学生的深度思维和探究欲望，促成学生真正意义的学习，进而实现学生成长的独立性、选择性、多变性与差异性.② 系统性原则：实验育人过程要形成一个系统，不能仅局限于国家实验课程的教学，应该还包含着具有校本特色的、更具体系性的课程.课程内容做到有梯度、分层次、分阶段，并符合从简单到复杂、从低级到高级循序渐进地认识规律.要对整个实验教学计划进行统筹安排，体现各阶段的培养目标，使不同特点的实验教学内容能环环相扣，有序地向纵深发展，组成一个前后衔接、层次分明、有节奏美感的实验教学体系.③ 社会性原则：在实验教学中，一定要多维度建立科学实验与社会的关联性.通过实践学习，理解社会结构，设身进入社会，探讨社会问题，建立自我与社会的关系.实验要紧密联系社会发展和时代所面临的各种问题，解决日常生活、生产中要解决的问题，发展学生进入社会、进入生活、参与社会的意识、责任和能力，直至形成改造社会的必备品格和关键能力.［2］

2 重塑实验育人体系的实践探索

2.1 全面涵盖物理实验的基本类型

面对差异化的学生和差异化的需求，根据学生的认知发展规律和差异化的培养目标，我们对高中物理实验体系上做出了合理的调整，构建了由基础性实验和拓展性实验组成的分层进阶实验教学体系，以满足不同学生能力和素养培养要求.

基础性实验由演示实验和必做实验构成.演示实验主要是依据高中物理课程教学内容而开发设计的系列实验.我们在学校课程基地建立演示实验中心，每周安排学生亲身动手操作演示实验，指导学生对实验现象进行观察与分析，使学生获得生动的感性认识，增强对核心教学内容的直观理解，促进学生观察能力和思维能力的逐步提升.必做实验是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》规定的21个学生必做实验，着重于学生基本物理实验知识和实验技能的培养、基本仪器的掌握和使用、实验数据的分析和总结、撰写实验报告能力的培养.［3］

拓展性实验由探究性实验、综合性实验和创新性实验构成.拓展性实验目的不在于深化学科知识、掌握先进的仪器和训练操作技能，而在于弥补必修课程在科学方法训练功能上的不足，让学生接触探索、发现、发明的过程和方法，在探索发现的过程中，发展学生理性的、审辩的思想方法，体验科研工作的苦衷和愉悦，培养他们的发现、探究能力.其中，探究性实验有奇妙的上滚现象、肥皂膜上的光学现象、倾斜摆周期的探究等小型实验课题探究，着重培养学生初步的探究能力，初步学会并运用科学的方法解决问题.综合设计性实验有用手机照相功能研究物体的运动、地面与隧道列车快慢的比较研究、传感器在无人驾驶中应用的研究等活动项目，着重培养学生对知识的灵活应用能力，以及发现、分析和解决问题的能力.创新性实验有关于沙粒堆积形成锥形桩的研究、桥梁的设计制作、高斯炮的研究等实验项目，着重培养学生的基本科学研究素养，包括查阅文献、收集资料、设计方案、采集和分析数据、撰写研究报告等内容，全面提升学生的动手实践能力和创造性思维能力，培育学生的兴趣爱好、创新精神和科学素养.

2.2 明晰学生物理实验的学习过程

物理实验是人类认识世界的一种重要的科学实践活动.从学生对物理学习的认知角度来看，物理实验学习的过程如下.

仿操作.学生在观察了教师的实验示范操作后，往往激发了动手做的兴趣.在了解有关实验仪器的用途、主要构造和操作规则，懂得实验的基本原理和操作步骤的基础上，按照教师示范进行仿效，然后再转变成规范动作.这是实验学习的开端.为实现操作行动的有效模仿，必须综合运用各种实验技能和方法，并经教师的及时评价和点拨启发，逐步提升自我评判及独立操作能力.经过多次练习，学生操作技能的学习就从教师指导逐步过渡到独立操作，操作技能逐渐熟练并趋于自动化.

析原理.学生利用适当的工具和各种技术手段敏锐地收集重要信息，以图形、表格、图像等多种方式分析处理数据.运用物理原理、模型和理论从定性和定量两个方面进行科学推理，描述、解释探究结果和预测变化趋势，基于证据得出合理的结论，或运用证据解决实际问题.并对收集到的证据的可靠性进行充分的评估，评价证据是否支持所得出的结论.

慧设计.学生运用所学知识和技能，根据生活经验和解决真实问题的需要，提出可以通过实验手段来加以解决的技术课题.通过现场观察和实地调查，依据已有知识，提出实验思路，制订设计实验方案，并加以探索研究.对实验结论进行科学分析，反思实验方案的合理性，并进行改进与完善.最后撰写出技术设计报告，或展示样品，并以适当形式进行技术交流和分享.

破难题.学生面向STEAM、结构设计、科创大赛等综合性、创新性科研应用项目，对选定的研究课题进行整体问题的拆解与相关所学知识的筛选.与相关科研院所和高校实验室等校外资源对接，在反复磨合中进行研究方案的规划以及实验的实证操作.最后，论证成果对目标的达成度，以科学读写的方式进行论文写作、专利申请或竞赛参与.

以上种种均为了培养学生应对未来社会生活的各项挑战，以及获取破解难题的能力.

2.3 建构“四位一体”的育人途径

在丰富与完善实验课程架构、拓展与创新实验教学方式、构建与协同文化环境、创生与延展学习空间中，我们逐渐形成了“四位一体”实验育人途径.

适性扬才的课程育人.在长期的探索中，以高中物理课程标准为依据，构建了“一体两翼”的课程架构.该课程架构以国家课程校本化处理为主体，注重学生物理学习兴趣与实验基础素养的获得；以科学普及实验课程和科技创造实验课程为两翼.科学普及实验课程用于拓宽学生的科学视野，培养其成为青少年科学普及的推广者.科技创造实验课程则培养学生的科学实践能力，培养其成为青少年科技创新的实践者，为加快建设科技强国夯实人才基础.为了匹配“一体两翼”实验课程的实施，我们逐步凝练生成了包括5E教学模式、IDEAS科学读写教学模式与项目化学习等在内的多种物理实验教学模式.5E教学模式强调学生通过小组合作学习，历经参与（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、精致化（E-laboration）与评价（Evaluation）的过程，促进学生对物理实验的理解及其背后的知识建构.［4］IDEAS科学读写教学模式，即聚焦于科学概念和概念应用，将科学阅读和科学写作融入科学教学的读写模式，其有助于促进学生个体图式的表达、科学的普及推广.项目化学习则是指学生在一段时间内围绕自己感兴趣的、真实有挑战性的问题而开展的完整的、真实的学习活动，从而促进学生真实发生科学实践.

多元系统的活动育人.为培养学生的科学实践意识，提高科学实践技能和科学创新能力，我们开展了项目众多、内容丰富的学科活动.一方面，开展以成果展示类、竞赛挑战类、互动体验类等项目在内的校园科技周活动.其中，成果展示类活动有学生的科学发明制作、科学海报绘制与科幻动漫创作等；竞赛挑战类活动有纸桥承重、水火箭、高空扔鸡蛋等；互动体验类活动则为高校科技前沿大篷车进校园、航模表演、OM创意剧场等.另一方面，结合省市各类竞赛开展校级选拔赛，如全国中小学生金钥匙科技竞赛、青少年科技创新大赛、物理学术辩论赛（IYPT）等.正是在多元系统的学科活动实践体验中，我们学生的物理学习成果屡创新高.如OM社团2015年荣获全国科普创新实验大赛（上海赛区）第4名；2019年，张家晨、朱岚两位同学获得全国青少年创新大赛二等奖，其中朱岚同学申报、获批两项实用新型专利，张家晨同学获江苏省青少年创新大赛培源奖（全省仅3名）.省前中的IYPY社团在2015—2019年均荣获全国高中生物理创新竞赛（CYPT）一等奖，2015—2019年均荣获在澳门举办的华语地区高中生学术辩论赛特等奖，2013—2021年均荣获江苏省高中生物理创新竞赛（JSYPT）一等奖.

具身沉浸的文化育人.实验育人不仅应落实在具体的实践活动中，更需要通过潜移默化的文化熏陶产生.为此，学校建设了具身化、沉浸式的文化育人体系，其中包含物理文化长廊、互动体验区与校友荣誉展览室，让学生能自然而然地感受到物理学实验的魅力.文化长廊的主要内容有：物理学史十大最美丽实验、物理学发展史、物理与艺术等.围绕着文化长廊的每一项内容，学科中心开发了相应的课程或活动.如围绕最美丽的实验，开设引导学生沿着“重走物理学家实验探究之路”的学习活动，让学生了解物理学发展过程，学习物理学家的探究方法、学科思想与科学精神.互动体验区则提供了“手感发电”“磁悬浮”“立体成像”等多种小实验装置，让学生在沉浸式的体验中领悟物理学原理.而学生互动体验区的SPOC学习资源网，更是提供了学生随时随地需要查阅与检索的学科资料，让他们在学习国外中学生实验探究项目的同时，可以和同学、老师及高校导师开展互动交流.校友荣誉展览室里陈列了历届物理学科领域的杰出校友，通过展示历届校友获奖证书、成长历程，以及其对学弟学妹的寄语，构建了一道靓丽的学科风景，进而耳濡目染、润物无声地浸润和滋养了学生的学科情感、科学志向与经验智慧.

空间延展的协同育人.育人不仅发生在课堂上，还可以深入家庭生活、社区街头、企业工厂.因此，长期以来，我们不断延展学生学习空间，构建了家庭、学校、社会三维同构的协同育人机制.［5］一方面，开发出赋予趣味性与操作性强的家庭小实验.由于家庭小实验所用的材料简单易得，且与生活实际联系紧密，因而扩大了学生的知识领域，培养了学生的观察能力、动手操作能力以及创新思维.另一方面，注重培养学生关心公益事业、勇于承担社会责任的高贵品质，经常组织学生志愿者进社区进行科普宣讲，向公众普及科学技术知识、传播科学思想，并弘扬科学精神.为了让学生亲身参与科学实践，积极体验科创发明与科技应用，促进学生在实践体验中提升科学素养，我们加强与常州科教城、武进高新区、石墨烯小镇等高新技术企业交流合作，共建学生“校外实践活动基地”.定期组织学生进入企业工厂，深入车间参观学习，开展职业体验活动，提升了学生对物理学实践应用的理解，以及他们的职业生涯规划意识.积极与清华、北大、南大等著名高校缔结学科联盟，开展高中生走进高校实验室的研学活动，以及聘请高校学科专家辅导有创新潜质的学生开展科学研究和科创实践活动，进一步激发学生创新精神与实践能力.

2.4 协同指向四大特征的多元评价

对实验育人的学生评价应当是一种多元性与发展性并存的评价，旨在提高学生的学科核心素养.学生物理实验学习的评价主要是围绕“真、趣、思、创”四大特征发生与否进行学习目标的测评与反馈，具体从以下四个维度进行评价.

参与度.在真学实做的层面，学校在开齐开足各类实验课程的同时，依据学生的课程参与频次（各类型参与次数与时长）、参与程度（包括动手、动脑、真正做实验、小组合作交流、自我反馈或追问）等进行持续性跟踪评价，并采用回忆型任务给予学生诊断性试题，用以判断其真学实做的程度.

投入度.在兴趣盎然层面，开发表现性量规对学生的投入程度进行考评，其中包括了对自我动手、反思交流与质疑持续等多个维度的考查，采用自我评价、生生评价与师生评价相结合的方式.

缜密度.在思维缜密层面，着重采用表现性评价与作业诊断相结合的方式，评价学生能否根据研究问题和真实情境，构建易于研究的、反映事物本质特征和共性的物理模型；能否理解分析与综合、抽象与概括、比较与分类等科学思维方法，并运用科学方法进行缜密的科学推理；是否具有使用科学证据的意识和能力，能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测等.

独特度.在创造新颖层面，主要依据学生的调查研究、改进设计与发明创造进行作品评价，从作品中考查并追问学生是否善于根据实际情况进行创造性思维，并提出独特的见解；是否善于对实验仪器设备等提出改进意见；是否善于在课外活动中进行小发明、小改革、小制作，写出小科技论文，并独立提出新见解；是否具有基于证据大胆质疑的意识和能力，并能从不同的角度思考问题，追求科技创新等.