国外中小学实验教学的经验和启示

余欢欢 | 首都师范大学教师教育学院

黄宇 | 北京师范大学国际与比较教育研究院

实验教学在英文语境中被称为“laboratory experience”，即在实验室或其他环境条件下，让学生利用工具、数据技术、模型和科学理论，直接与物质世界（或从物质世界提取的数据）互动而开展的教学活动。中小学实验教学是我国课程方案和课程标准规定的重要教学内容，实验教学的有效开展有利于点燃学生的科学热情与创新火种，为培养科学创新人才奠定基础。

早在19世纪末现代科学发展初期，国外中小学便开始重视和研究实验教学。1894年，美国国家教育协会发表了一份极富影响力的报告，强调“实验教学极其必要”，号召众多高等院校开设暑期实验课程班，为中学培养足够的师资以便系统地开展实验教学。1896年，杜威在芝加哥大学成立了实验学校，大力推行实验教学；1910年，杜威提出“情境、问题、假设、推论、验证”的“思想五步法”，为实验教学奠定了方法论基础；1916 年，美国《普通科学季刊》（后改为《科学教育》）发表了杜威的《科学教育的教学方法》（Method in science teaching）演讲稿，自此掀起了实验教学的热潮。20世纪 80 年代以来，国际科技竞争日益激烈，“实验探究”作为 STEM 教育的重要方法，再次受到世界各国的高度重视。

国外中小学实验教学的模式

国外中小学的实验教学模式一般有解说式、探究式、发现式及问题解决式，实验教学的场所、内容、主题和评价方式丰富多样，涵盖物质科学、生命科学、地球科学等多个学科领域。无论采用何种模式，教学基本遵循以下几个环节进行——

教学准备环节：在这一环节，教师的首要任务是根据具体的实验教学内容确立实验教学的目标，包括：激发并保持对科学的兴趣、态度、满足感、开放性和好奇心；培养创造性思维和解决问题的能力；促进科学思维发展和科学方法训练，如做出合理的假设；深化对概念的理解；培养实践能力，如设计和执行调查、观察、记录数据、分析和解释结果等。实验教学不仅要教给学生如何使用各种仪器设备，让学生学会实验的方法，还要让学生通过实践真正认识到科学的本质，学会用实验去证明或推翻理论。例如，一项葡萄酒酿造实验的教学，目的不仅是完成葡萄酒的制作流程，更重要的是让学生了解葡萄酒发酵的原理，发现化学与生活密切相关，激发学生对化学的兴趣。美国大部分学校实验教学的教材并非统一的正式出版物，而是教师的自编讲义，主要追求的是创新性、时代性、特色性，而非完整性、系统性、规范性，这也使实验教学的内容与科学技术发展前沿以及学生当下的实际生活联系紧密。此外，在这一环节，教师还要为学生准备实验所需的实验材料与设备。

教学设计和实施环节：这一环节主要包括四个步骤——实验规划和设计、实验表现、实验分析和解释、实验应用，过程中应注意保持学生的主体性。教学方式大体分为看图文材料、看实拍视频、看实物演示、看虚拟演示、做实物实验、做虚拟实验、做虚拟仿真实验七大类，学生可以综合运用观察、观测、模拟、体验、设计、编程、制作、加工、饲养、种植、参观、调查等多种活动方式，提升实验质量和效果。例如，德国一所学校的五年级学生运用实验探究营养对粉虱幼虫生长的影响，在实物实验的基础上综合运用了观察、设计、饲养等方式，为了验证“营养是影响粉虱虫发育的关键因素”这一设想，学生用含酵母的面粉和不含酵母的面粉做了对比实验——教师为学生准备了两个塑料盒、200克面粉、5克酵母和两只10天大的粉虱幼虫，学生在其中一个盒子中加入100克面粉，另一个盒子中加入100克面粉和5克酵母，并在每个盒子中放置了一块湿润的棉絮以确保湿度。在实验开始之前，学生们记录了幼虫的初始体重，此后每两周记录一次体重的增加量；在分析和解释步骤，每个学生为各自饲养的两只幼虫绘制了体重变化图，并在班级中展示，教师也会帮助学生制作粉虱幼虫体重增长平均值的变化表和变化图，让学生能够直观地看到实验结果。尽管到此实验结果已经能够验证假设，但实验教学并未结束，教师会进一步引导学生展开讨论，例如：为什么要在实验中尽可能使用完全一致的实验材料？如果幼虫的个体不一样会怎么样？不同的个体喂养行为会对实验产生什么影响？如果出现一些新情况应当如何调整实验？通过讨论，让学生认识到每一个实验都是有条件的，必须认真考虑实验的局限性。

教学评估环节：教师要使用适当的评估方式来评估学生的表现、进步和成就，包括以传统的实验室报告和纸笔测试为代表的考查，以一次或多次实际操作为代表的考查，以教师、指导者或同侪品评为代表的考查，或者以上方式的组合，不同的评估方式将作为过程性评价工具贯穿整个实验教学。例如，在美国坦布尔高中开展的一次地震实验中，教师在实验后布置了相关作业，要求学生查阅资料，将最近10次地震的时间、地点和震级以表格的形式列出来，然后在班级展示交流；实验课结束之后，教师还布置了制作防震屋的作业，根据尺寸、材料、美观性、抗震程度等要素制定了评价表，对学生的操作性进行考查。为了考查学生在实验过程中的参与度、积极性、合作能力等社会性表现，国外的实验教学会重点强调过程性记录，将出勤情况、实验参与“痕迹”、互动情况等作为课程评分的一部分。

国外中小学实验教学的特点

第一，注重教学过程中学生的社会性发展。实验教学的课堂环境更有利于师生的交流、互动和情感发展，在“非正式”的教学氛围下，师生和生生有更多的互动机会，有利于学生探究和协作学习，激发其学习兴趣。从事科学研究不仅需要技能，也需要认知性和社会性知识，以及相应的态度和价值观，这是学生科学素养的重要组成部分，需要在系统的科学实践活动中逐渐养成。应当说，实验教学给学生提供了更大的思考空间，促进学生自主学习，培养学生的沟通、协作和其他社会情感能力。

第二，注重基础实验知识和基本实验技能的学习。国外中小学实验教学的内容更偏重于实验技能的掌握，更多是动手操作和演示类的实验，对原理和理论的涉及较少。例如，美国某中学开展的中学物理钟摆运动实验，教师摇动钟摆使其运动，学生一边观察一边记录不同质量钟摆摆动的周期，讨论自变量与因变量之间的关系，并不讲授钟摆平衡的原理。相比之下，国内实验教学内容的理论深度、广度和难度要更高。此外，国外的实验教学往往把理论和实验合并授课，实验的比重更大；而国内常常把理论和实验分开设置，分别授课和考核。显然，合并授课的方式可以使理论和实验两部分的教学内容和教学进度更容易衔接，也更容易让学生建立起理论与实践的联系。

第三，注重用多种方式来评估实验教学。教师不应局限于传统的纸笔测验，而要综合运用持续性观察、学生档案袋、平时测验、课后作业、小组活动记录等多种方式来记录和评定学生的学习情况。纸笔测试的确能够考查学生对整个实验课所涉及知识的掌握程度，但无法考查实验教学最看重的实践能力；操作考试能直接考查学生的动手实践能力，但是组织过程烦琐，评分标准不易把握，因此，只有将多种评价方式结合，才能对实验教学进行客观准确的评价。

第四，注重新技术在实验教学中的应用。如今，非传统实验教学方式被越来越多地用于实验教学中，国外许多研究都证明了现代技术手段可以增强学生的认知过程，例如操纵变量、可视化数据或科学现象，以及改善概念的理解，还有助于培养学生的可视化技能、绘图技能、操作技能、推理技能和探究技能。随着信息技术和互联网技术的发展，未来依托于手机软件、直播课程、虚拟现实等手段开展的实验教学还将在人才培养中发挥更大作用。当然，经验也表明，新技术的应用也对师资提出了新的要求，需要进一步提升实验学科师资的胜任力。