國外實驗教學(xué)效果研究及其啟示

李春密　顧江鴻

作者簡介：李春密，教育學(xué)博士，北京師范大學(xué)物理系教授，博士生導(dǎo)師。長期從事物理教育的研究工作，主要研究方向為學(xué)科能力發(fā)展研究、物理實驗教學(xué)研究、物理教學(xué)評價研究等。主持國家社會科學(xué)基金“十二五”規(guī)劃教育學(xué)重點課題“中小學(xué)理科教材國際比較研究（初中物理）”、教育部人文社會科學(xué)“十五”規(guī)劃項目“中學(xué)生物理實驗?zāi)芰Φ陌l(fā)展研究”、北京市哲學(xué)社會科學(xué)“十一五”規(guī)劃項目“新型物理教師過程性績效評價體系研究——以教師對課后作業(yè)的處理為主體內(nèi)容的教師評價”等多項課題，參與研究課題20余項。獨立或與人合作完成《中學(xué)物理實驗技能訓(xùn)練》、義務(wù)教育課程標準實驗教科書《物理》等教材或著作16本。在《教師教育研究》、《課程·教材·教法》、《教育科學(xué)研究》、《學(xué)科教育》、《物理實驗》、《物理教師》等雜志上發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇。主講本科生課程：物理實驗技能與教學(xué)技能訓(xùn)練、物理教育心理學(xué)、普通物理等，研究生課程：物理實驗設(shè)計與研究、物理教學(xué)論等。擔(dān)任中國教育學(xué)會物理教學(xué)專業(yè)委員會秘書長，全國高等院校物理演示實驗教學(xué)研究會副理事長兼秘書長，全國高等物理教育研究會副理事長等職務(wù)。曾獲北京市教學(xué)成果一等獎，河北省教育科學(xué)研究優(yōu)秀成果二等獎，北京師范大學(xué)第六屆勵耘優(yōu)秀青年教師二等獎，北京師范大學(xué)教學(xué)名師，自主開發(fā)和研制4項教學(xué)儀器獲全國高校物理演示實驗教學(xué)儀器評比一等獎。

摘要：從上世紀七十年代末、八十年代初開始，國際科學(xué)教育界掀起質(zhì)疑實驗教育功能的浪潮，大量研究表明實驗的教學(xué)效果與教學(xué)目標之間有一定差距。這一浪潮不僅摸準了實驗教學(xué)的癥結(jié)，而且為實驗教學(xué)開出了良方。這些研究成果也對我國的實驗教學(xué)和實驗教學(xué)研究具有借鑒作用。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；實驗功能；教學(xué)效果；實驗研究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2013）5（S）-0001-5

在建構(gòu)主義理論的影響下，從上世紀70年代末、八十年代初開始，國外研究逐漸顯示實驗的教學(xué)效果與教育功能之間存在一定的差距，由此引發(fā)了科學(xué)教育界對實驗教育功能與實驗教學(xué)效果之間的不匹配及其產(chǎn)生原因和對策的研究，這一研究主題成為30年來實驗研究的熱點問題。這一浪潮對實驗教學(xué)和實驗教學(xué)研究產(chǎn)生了重要影響。當(dāng)然，這一浪潮的目的并不是動搖或削弱實驗的地位和作用，更不是把實驗從科學(xué)教育中清理出去，而是為了重新評估實驗的教學(xué)功能，找出影響實驗效果的因素，為提高實驗教學(xué)效果獻計獻策。在國內(nèi)，對國外這一浪潮鮮有介紹，俗話說“他山之石，可以攻玉”，為了借鑒國外先進實驗教學(xué)經(jīng)驗，介紹他人最新的研究成果，為了提高我國實驗教學(xué)的水平，解決我國課程改革中實驗教學(xué)所遇到的問題，下面從實驗教育功能研究、實驗教學(xué)效果研究和對我們的啟示三部分進行介紹。

1.實驗教育功能研究

自從科學(xué)教育進入學(xué)校以來，對實驗教學(xué)就存在著兩種對立的觀點。一種觀點認為實驗是科學(xué)教育中理所當(dāng)然的事情。實驗對于科學(xué)教育就像廚具對于廚房一樣是不可或缺的。另一種觀點認為“花那么多的時間、人力和物力用在實驗上值嗎？”在科學(xué)教育發(fā)展過程中，由于科學(xué)教育工作者的不懈努力，實驗已成為科學(xué)教育的特色和必要的組成部分。為了回答“實驗在科學(xué)教育中的作用是什么？”，人們總結(jié)了系統(tǒng)而豐富的實驗功能。

1962年J.F.Kerr在總結(jié)實驗研究成果的基礎(chǔ)上，把實驗的功能總結(jié)為20項。1966年他把這些功能概括為10項，并對各項內(nèi)容進行了準確界定。這10項內(nèi)容是：①培養(yǎng)觀察和記錄能力，②培養(yǎng)科學(xué)思維習(xí)慣，③訓(xùn)練操作能力，④訓(xùn)練解決問題能力，⑤滿足實驗考試要求，⑥幫助理解理論知識，⑦證實科學(xué)事實和科學(xué)理論，⑧發(fā)現(xiàn)科學(xué)事實和科學(xué)理論，⑨激發(fā)和保持學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，⑩感受科學(xué)現(xiàn)象的真實性。J.F.Kerr認為各項之間并不是孤立的，而是相互聯(lián)系的，根據(jù)各項之間的內(nèi)在聯(lián)系，他繪制了實驗功能關(guān)系圖，有連線的項目之間表示它們之間有聯(lián)系，如圖1所示。J.F.Kerr的工作具有一定的代表性，他對實驗功能的界定和分析不僅對當(dāng)時的科學(xué)教育具有指導(dǎo)作用，而且對我們現(xiàn)在理解實驗教學(xué)也具有借鑒價值。

由于社會的進步和科學(xué)教育研究的不斷深入，實驗的功能也在隨著科學(xué)教育理論的發(fā)展而不斷豐富，如隨著STS、探究和科學(xué)本質(zhì)觀在教學(xué)中的出現(xiàn)，這些內(nèi)容在教育功能中也反映出來，如何通過教學(xué)實現(xiàn)新的實驗功能已成為實踐中需要解決的問題。

2.實驗教學(xué)效果研究

D.Hodson通過分析認為傳統(tǒng)的實驗教學(xué)是基于以下幾點假設(shè)之上的：科學(xué)開始于觀察；科學(xué)觀察是可信的、無偏見的；從觀察得出客觀、無價值傾向的數(shù)據(jù)：從這些數(shù)據(jù)中通過總結(jié)可以得出事實和規(guī)律：從這些數(shù)據(jù)中通過歸納可以得出以原理和理論為形式的解釋；通過進一步的觀察和實驗可以直接和明確地證實理論。以上這種研究方法是基于“客觀、中立的觀察觀”之上的歸納方法。十八世紀休謨提出的“歸納問題”早已是困擾歸納方法的難題，在上世紀六十年代，美國科學(xué)哲學(xué)家漢森提出了“觀察滲透理論”哲學(xué)觀點，這一觀點不僅對哲學(xué)產(chǎn)生了重大影響。而且也動搖了傳統(tǒng)科學(xué)教育的哲學(xué)基礎(chǔ)。與此同時，從上世紀七十年代開始，對學(xué)生認知結(jié)構(gòu)的研究不斷揭示了學(xué)生前概念的頑固性和科學(xué)教育效率低下這一現(xiàn)實。在這一大背景下，從七十年代末、八十年代初人們開始對實驗教學(xué)效果、對實驗的教育功能提出質(zhì)疑，其中有代表性的研究見表1。

從表1中可以看出，研究人員大多來自美國、澳大利亞、加拿大、以色列、英國等科學(xué)教育研究較發(fā)達的國家。研究方法有教學(xué)實驗、課堂觀察、師生訪談、文獻綜述和思辯研究等。在這些研究中，除了一篇研究認為實驗對學(xué)生的學(xué)習(xí)有積極作用外，其余的觀點或研究的基礎(chǔ)都是實驗的功能與教學(xué)效果不匹配。具體的表現(xiàn)是：學(xué)生不能觀察到教師想讓學(xué)生觀察的現(xiàn)象：演示實驗反而強化了學(xué)生原有的錯誤認知：在實驗中。學(xué)生按照“菜譜式”的實驗步驟，尋找答案；學(xué)生在實驗活動時只操作儀器。而沒有“操作”思維等等。

影響實驗的教學(xué)效果，造成實驗的教育功能與實驗的實際教學(xué)效果不匹配的原因包括哲學(xué)基礎(chǔ)、課程設(shè)計、教學(xué)行為、教師素質(zhì)、教學(xué)資源等方面。由于哲學(xué)基礎(chǔ)直接影響其它因素。因此實驗所依據(jù)的哲學(xué)理論落后是其中最主要的原因。傳統(tǒng)的實驗受“觀察的客觀、中立”觀影響，這一觀點認為，觀察是客觀的、中立的，任何人所看到現(xiàn)象都是一樣的，并都能從現(xiàn)象中歸納出規(guī)律和理論。這種哲學(xué)觀忽視了學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)之前就對相關(guān)的現(xiàn)象有自己的認識，而這些認識將影響他們的觀察結(jié)果。同時由于他們沒有教師所具有的理論知識，不能從背景中篩選出教師釋放的“信號”。在課程上，認為實驗是無所不能的，這種觀點影響實驗教學(xué)功能的界定和教材的編寫。在教學(xué)上，缺少對學(xué)生實驗技能的評價，教師沒有對學(xué)生的實驗描述和解釋進行及時的反饋，也降低了學(xué)生的興趣和動機。在教師素質(zhì)上，教師缺乏實驗指導(dǎo)能力，不能準確把握成功實驗教學(xué)的評判標準，這些都影響了實驗教學(xué)效果。另外，缺乏適合學(xué)生概念轉(zhuǎn)變的實驗教學(xué)資源也是其中的原因。

從表1和以上的分析可以看出，改進實驗教學(xué)效果的措施包括以下方面：在哲學(xué)上，要拋棄歸納實證的哲學(xué)，采用哲學(xué)界和科學(xué)教育界廣泛接受的科學(xué)哲學(xué)認識論。在課程上，要根據(jù)實驗的具體貢獻來確定實驗的功能。在教學(xué)中，要把實驗的教學(xué)目標落在實處；通過利用預(yù)測一觀察一解釋演示策略把實驗與學(xué)生的前概念聯(lián)系起來，使學(xué)生原有的認知與所學(xué)的科學(xué)對話；通過討論使實驗與學(xué)生個人原有認知、同伴的觀點發(fā)生共鳴，最終實現(xiàn)學(xué)生概念的改變，等等。

3.啟示

3.1從社會建構(gòu)理論和科學(xué)本質(zhì)觀的角度重新審視實驗教學(xué)

傳統(tǒng)實驗教學(xué)是建立在歸納方法基礎(chǔ)之上的，不僅科學(xué)研究的過程是歸納的過程，而且學(xué)生學(xué)習(xí)的過程也是歸納的過程。由于這種理論與科學(xué)研究的過程和學(xué)生個體的學(xué)習(xí)過程不一致，因此導(dǎo)致了實驗功能與實驗教學(xué)效果之間的不匹配。早在1990年D.Hodson就呼吁“歸納模型早已被科學(xué)哲學(xué)家拋棄，現(xiàn)在科學(xué)教育工作者也應(yīng)該拋棄它”。應(yīng)該用社會建構(gòu)觀和科學(xué)本質(zhì)觀對我國的實驗教學(xué)進行反思。在課程、教材、教學(xué)過程、實驗評價等實驗教育的方方面面對歸納方法進行清理，而樹立更能反映科學(xué)探究和學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律的哲學(xué)觀。

3.2關(guān)注實驗教學(xué)效果

雖然我國實驗教學(xué)具有自己的特色，但是中外實驗教學(xué)肯定有共同點，國外實驗教育功能與教學(xué)效果之間存在差距，在我國也應(yīng)該具有同樣類似的現(xiàn)象。因此，應(yīng)該開展對我國實驗教學(xué)效果的研究，找出實驗教育功能與實驗教學(xué)效果不匹配的原因，為提高我國實驗教學(xué)水平尋找對策。在研究中可以借鑒國外的先進經(jīng)驗，例如Miller的實驗教學(xué)評價模型，他通過比較實驗教學(xué)目標、實驗教學(xué)設(shè)計、課堂上學(xué)生的實際活動和學(xué)生實際學(xué)到的內(nèi)容，來評價實驗教學(xué)效果。這一模型不僅為確定教學(xué)效果提供理論支持，而且能為一線教師落實實驗教學(xué)目標提供實踐工具。

3.3用新理論指導(dǎo)學(xué)生實驗學(xué)習(xí)

在我國，對實驗制作和改進等硬件方面的研究較多，而對實驗的教學(xué)和教學(xué)過程等軟件方面的研究卻不多。國外的實驗研究浪潮告訴我們應(yīng)該關(guān)注實驗教學(xué)的細節(jié)，不僅關(guān)注教師的教，而且更應(yīng)該關(guān)注學(xué)生的學(xué)，把這些細節(jié)放大，從中勘察學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的特點及影響學(xué)習(xí)的因素。例如：在演示實驗教學(xué)中，教師的教學(xué)目標是什么？教師計劃如何實現(xiàn)這些目標？在教學(xué)時教師實際行為是怎樣的？學(xué)生的學(xué)習(xí)活動與教師的教學(xué)設(shè)計有何差別？學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果與教師的預(yù)期有何差別？哪些因素影響實驗教學(xué)效果？如何提高實驗的教學(xué)效果？教師和學(xué)生的實驗觀現(xiàn)狀是什么？哪些因素影響教師和學(xué)生的實驗觀？如此等等。

在以上的研究中，可以借鑒國外的先進經(jīng)驗，例如參與理論從行為、動機和情感三個方面分析學(xué)生在實驗教學(xué)中的參與程度，能幫助理解學(xué)生雖然喜愛實驗，但是實驗教學(xué)效果并不好這一事實。其原因是學(xué)生在演示實驗中，雖然在“凝視”實驗，但不是“觀察”實驗，更不是“看到”實驗。再如，把學(xué)生的學(xué)習(xí)分為可觀察領(lǐng)域和思維領(lǐng)域，把教師的教學(xué)目標和教學(xué)意圖區(qū)分開來等等，這些新的理論都可以開闊我們的視野。

3.4針對學(xué)生的前概念設(shè)計和選擇實驗及其教學(xué)方式

學(xué)生不是空著腦袋走進教室，等待教師向里面“灌”知識；學(xué)生也不是白板，等待教師在上面刻畫知識的痕跡；學(xué)生是自主建構(gòu)的主體，在走進教室之前，他們已經(jīng)形成了個人自洽的日常概念體系。在課堂上，只有當(dāng)學(xué)生的日常知識與所教的科學(xué)知識發(fā)生對話時，學(xué)生的日常概念才可能向科學(xué)概念轉(zhuǎn)變；只有當(dāng)學(xué)生與同伴之間相互交流時，學(xué)生才可能體會科學(xué)的本質(zhì)。因此如何利用實驗創(chuàng)設(shè)這樣的教學(xué)情景是需要研究的問題。首先，根據(jù)學(xué)生前概念設(shè)計和選擇有針對性的實驗。其次利用有效的教學(xué)策略實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。例如：利用預(yù)測一觀察一解釋演示策略可以使學(xué)生產(chǎn)生認知沖突，進而達到概念轉(zhuǎn)變。再如，通過討論，既可以使學(xué)生對實驗的描述和解釋得到反饋，與同伴的觀點相互比較。又可以使學(xué)生所學(xué)的內(nèi)容與原先的知識、日常經(jīng)驗相聯(lián)系。

3.5培養(yǎng)勝任實驗教學(xué)的教師

國外研究顯示教學(xué)人員不能完全勝任實驗教學(xué)也是導(dǎo)致實驗教育功能和實驗教學(xué)效果不匹配的原因之一，這就為教師的培訓(xùn)提出了新的挑戰(zhàn)。常規(guī)的教師培訓(xùn)，特別是教師的職前培訓(xùn)主要是熟悉實驗器材硬件方面的內(nèi)容。單有這些還不夠，在以后的教學(xué)中，除了訓(xùn)練師范生對儀器的熟悉和操作能力外，還應(yīng)該培養(yǎng)他們正確的哲學(xué)觀和科學(xué)本質(zhì)觀，使他們具有有效實驗教學(xué)能力、實驗教學(xué)評價能力和開發(fā)適合學(xué)生認知發(fā)展的實驗資源的能力。

（欄目編輯 廖伯琴）