實(shí)證研究的魅力

摘要：介紹了一則國(guó)外對(duì)探究性實(shí)驗(yàn)與學(xué)生能力發(fā)展之間關(guān)系的研究案例，分析了國(guó)外科學(xué)教育研究中常見(jiàn)的實(shí)證研究過(guò)程、數(shù)據(jù)處理和研究特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：實(shí)證研究；實(shí)驗(yàn)探究；學(xué)生思維

文章編號(hào)：1005–6629（2013）12–0074–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

課程改革帶來(lái)了教材、教法的一系列變化，現(xiàn)在的化學(xué)教材更加注意學(xué)材化，課堂教學(xué)更關(guān)注探究性，探究性實(shí)驗(yàn)和探究性教學(xué)也成為現(xiàn)代教育教學(xué)中耳熟能詳?shù)脑~了。然而，課堂教學(xué)中先讓學(xué)生思考要研究的問(wèn)題，然后再分組實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)而提出假設(shè)、解釋以及需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題，這樣一種用實(shí)驗(yàn)探究來(lái)引導(dǎo)化學(xué)學(xué)習(xí)的方式是否有其根據(jù)？與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相比，探究性實(shí)驗(yàn)是否更有利于學(xué)生能力的培養(yǎng)？又能夠培養(yǎng)學(xué)生怎樣的能力？對(duì)于這些問(wèn)題，教師有著怎樣的思考與認(rèn)識(shí)呢？

筆者在中國(guó)基礎(chǔ)教育全文數(shù)據(jù)庫(kù)中以“探究實(shí)驗(yàn)”為檢索詞，以“題名、關(guān)鍵詞和摘要”為檢索項(xiàng)，共搜索到28414篇文獻(xiàn)。選擇高中學(xué)段不同學(xué)科教師的16篇文章作為研究對(duì)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這些文章更多重視的是探究性教學(xué)的案例分析。文章往往首先分析自己的教學(xué)案例，一般介紹了課堂教學(xué)中探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、教師的引導(dǎo)思維的問(wèn)題設(shè)計(jì)、學(xué)生在探究過(guò)程中生成性的問(wèn)題以及處理方法和結(jié)果、師生間對(duì)于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步交流與討論。在案例分析的基礎(chǔ)上，文章往往指出探究性實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生的“學(xué)習(xí)興趣和求知欲”，培養(yǎng)了學(xué)生的“實(shí)踐能力”與“創(chuàng)新精神”，提高了學(xué)生“分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力”，有助于學(xué)生初步形成“科學(xué)的態(tài)度和價(jià)值觀”。

這些研究從教師在課堂教學(xué)實(shí)際出發(fā)進(jìn)行研究，將自己積累的教學(xué)知識(shí)、智慧形成了直覺(jué)化的觀念，非常值得肯定。然而，認(rèn)真思考也會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些研究往往主觀性較強(qiáng)，研究結(jié)論的得出缺乏明確有力的證據(jù)鏈條與實(shí)證支撐，未能揭示出探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)生能力發(fā)展之間最直接明了的因果關(guān)系。因此，進(jìn)一步運(yùn)用客觀的研究方法來(lái)檢驗(yàn)探究性實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)以及能力發(fā)展的作用，將實(shí)證研究與教學(xué)事實(shí)、教學(xué)常識(shí)和教育原則相聯(lián)系[1]，這應(yīng)該成為目前國(guó)內(nèi)科學(xué)教育研究值得關(guān)注的問(wèn)題。

他山之石，可以攻玉。以色列教育者的研究“通過(guò)化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)發(fā)展學(xué)生提出更多更有價(jià)值的問(wèn)題的能力”（Developing Students’Ability to Ask More and Better Questions Resulting from Inquiry-Type Chemistry Laboratories）[2]，為上述問(wèn)題提供了一個(gè)有力的證據(jù)和結(jié)果。研究者選擇平行班級(jí)建立實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班，用了兩年時(shí)間開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并分析得出其研究結(jié)論。

1 研究的過(guò)程

研究者希望研究探究性實(shí)驗(yàn)與學(xué)生能力發(fā)展之間的關(guān)系，他們首先針對(duì)“在實(shí)驗(yàn)室和從實(shí)驗(yàn)室中學(xué)習(xí)”（Learning in and from Science Laboratories）這樣一個(gè)主題查閱了大量的文獻(xiàn)資料，重點(diǎn)分析了兩個(gè)層面的內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何促進(jìn)學(xué)生的能力發(fā)展，學(xué)生針對(duì)科學(xué)現(xiàn)象提出問(wèn)題的能力。在此基礎(chǔ)上，研究者確定了兩個(gè)具體的研究目標(biāo)，一是研究高中學(xué)生是否能夠通過(guò)化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)發(fā)展了提出問(wèn)題尤其是探究性問(wèn)題的能力；二是研究高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中形成的提出問(wèn)題的能力能否遷移至其他學(xué)習(xí)情境中。

然后，研究者分析了11到12年級(jí)化學(xué)課程中的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)一個(gè)具體實(shí)驗(yàn)的兩種不同方案的比較，指出常規(guī)的“菜單式”實(shí)驗(yàn)與探究性實(shí)驗(yàn)在實(shí)施過(guò)程中的差異，概括出了探究性實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷的一般步驟。接下來(lái)研究者確定研究對(duì)象為12年級(jí)（年齡為17～18歲）的六個(gè)班級(jí)的高中學(xué)生，其中實(shí)驗(yàn)班共55人，對(duì)照班共56人。研究過(guò)程中兩班學(xué)生使用同樣的化學(xué)教科書，完成同樣的教學(xué)內(nèi)容，只是完成實(shí)驗(yàn)的方式不同。研究的過(guò)程如圖1所示。

在實(shí)施研究的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)班以探究性實(shí)驗(yàn)展開(kāi)學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程較開(kāi)放，學(xué)生經(jīng)歷了產(chǎn)生問(wèn)題、提出假設(shè)、選擇問(wèn)題開(kāi)始探究、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手操作、觀察分析和得出結(jié)論整個(gè)實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程。對(duì)照班則在教學(xué)任務(wù)完成后到實(shí)驗(yàn)室完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)是根據(jù)給定的步驟完成，提供的探究機(jī)會(huì)很少，實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放性不強(qiáng)。除了完成化學(xué)實(shí)驗(yàn)的方式不同，兩個(gè)班學(xué)生其他學(xué)習(xí)條件如教師的專業(yè)水平、學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)情況的定期評(píng)估以及實(shí)驗(yàn)時(shí)間與實(shí)驗(yàn)設(shè)備等都基本相同。兩年來(lái)，兩班學(xué)生分別以不同方式完成了15個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。在學(xué)生參加的化學(xué)測(cè)試中，實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班的成績(jī)基本相同，無(wú)顯著差異。所以研究表明，探究性實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有增加學(xué)生的學(xué)業(yè)成績(jī)。

接下來(lái)，研究者開(kāi)發(fā)了實(shí)踐性測(cè)試和批判性閱讀這兩種測(cè)量工具，用以比較兩班學(xué)生在新實(shí)驗(yàn)情境中和批判性閱讀科普文章時(shí)的科學(xué)思維水平以及提出更多更好問(wèn)題的能力。在實(shí)踐性測(cè)試中，研究者給兩班學(xué)生一個(gè)相同的新實(shí)驗(yàn)情境，讓其完成一個(gè)雖簡(jiǎn)單但陌生的實(shí)驗(yàn)，然后根據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出若干問(wèn)題，以評(píng)估學(xué)生在平時(shí)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)出的能力。在批判性閱讀測(cè)試中，研究者讓兩班學(xué)生閱讀介紹化學(xué)前沿知識(shí)的文獻(xiàn)，然后提出若干問(wèn)題并要求學(xué)生根據(jù)文獻(xiàn)加以回答，以評(píng)估學(xué)生在平時(shí)的探究性實(shí)驗(yàn)中所培養(yǎng)的能力的遷移效果。

對(duì)于探究性實(shí)驗(yàn)與學(xué)生能力發(fā)展之間的關(guān)系，普通的紙筆測(cè)試無(wú)法測(cè)量。研究的關(guān)鍵在于測(cè)量工具的開(kāi)發(fā)與使用，下面對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2 測(cè)量工具

根據(jù)文獻(xiàn)研究，研究者認(rèn)為，探究性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)展學(xué)生提出問(wèn)題的能力，這種能力既體現(xiàn)在提出問(wèn)題的數(shù)量上，也體現(xiàn)在提出問(wèn)題的質(zhì)量上；同時(shí)，學(xué)習(xí)者從探究性實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中發(fā)展而來(lái)的能力能夠遷移至其他的學(xué)習(xí)環(huán)境中。為此，研究者開(kāi)發(fā)了實(shí)踐性測(cè)試與批判性閱讀兩個(gè)測(cè)量工具。

2.1 實(shí)踐性測(cè)試

實(shí)踐性測(cè)試要求學(xué)生將兩種未知粉末（檸檬酸若干和小蘇打10 g）放于塑料袋中，混合兩種固體。再向小試管中加入10 mL水，也將其放入塑料袋中（不能使固體與水接觸）。然后在塑料袋中插入溫度計(jì)，扎緊袋口，倒置試管，使水與固體混合。實(shí)驗(yàn)由3人合作完成，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生觀察到袋子鼓起，混合后體系的溫度降低。研究者要求學(xué)生觀察并記錄這些現(xiàn)象，并根據(jù)記錄做出自己的分析和假設(shè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成一份問(wèn)卷，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出自己的問(wèn)題，對(duì)可能的原因進(jìn)行假設(shè)與猜想，最后選出一個(gè)自己認(rèn)為最值得研究的問(wèn)題。下面是學(xué)生需要完成的問(wèn)卷：

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄你所觀察到的現(xiàn)象。完成實(shí)驗(yàn)后，回答下列問(wèn)題：

（1）做完實(shí)驗(yàn)后，你產(chǎn)生了哪些問(wèn)題？

（2）選擇一個(gè)問(wèn)題幫助你繼續(xù)探究。

（3）你為什么選擇了這個(gè)問(wèn)題？

（4）你認(rèn)為該問(wèn)題的答案可能是什么？

（5）設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明你的假設(shè)是正確的，將每個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟寫清楚。

2.2 批判性閱讀

在批判性閱讀測(cè)試中，研究者選擇了一篇與應(yīng)用技術(shù)相關(guān)的化學(xué)邊緣領(lǐng)域的文獻(xiàn)，然后按照高中學(xué)生的閱讀能力和化學(xué)知識(shí)背景進(jìn)行簡(jiǎn)化。研究者認(rèn)為學(xué)生對(duì)這樣的文章較感興趣，愿意閱讀并配合實(shí)驗(yàn)，能夠增加測(cè)試結(jié)果的信度。在學(xué)生閱讀完畢后需要回答八個(gè)問(wèn)題，而其中實(shí)際有效并最終統(tǒng)計(jì)的只是最后兩個(gè)問(wèn)題，這樣學(xué)生并不清楚研究者的意圖，避免其在答題時(shí)更多考慮教師可能預(yù)期的結(jié)果，增加了研究的可信度。研究者選擇并改寫后的文獻(xiàn)如下：

一氧化氮分子既出現(xiàn)于神經(jīng)系統(tǒng)，又能夠防止感染、調(diào)節(jié)血壓，還是控制血液流向不同器官的“門衛(wèi)”。人的一生中體內(nèi)都存在一氧化氮，但其存在壽命極短，僅有幾秒鐘。因而，在低濃度下直接監(jiān)測(cè)一氧化氮非常困難?？茖W(xué)家發(fā)明了一種新的電子傳感器，用于在室溫下監(jiān)測(cè)生物體內(nèi)的一氧化氮。它的工作程序是這樣的：監(jiān)測(cè)器的表面涂有某種有機(jī)物，該有機(jī)物與半導(dǎo)體材料鎵砷合金相連，當(dāng)一氧化氮附著于監(jiān)測(cè)器的表面時(shí)，有機(jī)物與一氧化氮結(jié)合，使合金表面產(chǎn)生變化，引起半導(dǎo)體材料中電流的變化，從而被監(jiān)測(cè)器感知。

……

（1）根據(jù)文中描述，說(shuō)明什么是電阻器，什么是半導(dǎo)體。

（2）概括出文章的主要內(nèi)容。

（3）研究者通過(guò)測(cè)量哪個(gè)物理量完成對(duì)一氧化氮的監(jiān)測(cè)？

（4）若將一氧化氮通入溶液，圖像會(huì)發(fā)生什么變化？

（5）圖中何處表示實(shí)驗(yàn)的結(jié)果？

（6）文中哪些科學(xué)概念是你不熟悉的？

（7）寫出你讀完文章所產(chǎn)生的所有疑問(wèn)。

（8）在上述你列舉的問(wèn)題中，如果讓你進(jìn)一步展開(kāi)研究，你最想研究的是哪一個(gè)？

3 數(shù)據(jù)處理和結(jié)論

研究者對(duì)實(shí)踐性測(cè)試和批判性閱讀的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，采用了定量分析和定性分析的方法。定量分析是統(tǒng)計(jì)每個(gè)學(xué)生提出問(wèn)題的數(shù)目，以及在這些問(wèn)題中屬于高水平層次的有多少，低水平層次的有多少。而定性分析則研究學(xué)生選擇用以進(jìn)一步探究的問(wèn)題的層次性。對(duì)學(xué)生所提出的問(wèn)題所屬層次性的評(píng)估，是由四位教育專家及經(jīng)驗(yàn)豐富的教師組成專家組進(jìn)行。少數(shù)問(wèn)題專家組無(wú)法達(dá)成共識(shí)究竟屬于哪一層次，則不計(jì)入統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。研究者用列表法和圖示法表示其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

3.1 實(shí)踐性測(cè)試的結(jié)果與分析

實(shí)踐性測(cè)試中研究者發(fā)現(xiàn)，在低層次問(wèn)題的數(shù)量上，兩班學(xué)生無(wú)明顯差別；而在高層次問(wèn)題上，兩班學(xué)生的差別則極為顯著。實(shí)驗(yàn)班共提出了123個(gè)高層次問(wèn)題，而對(duì)照班僅提出了18個(gè)。高層次問(wèn)題上的差異證明了研究假設(shè)，在分析低層次問(wèn)題數(shù)量無(wú)明顯差異的原因時(shí)，研究者認(rèn)為可能是由于問(wèn)卷要求學(xué)生列舉出腦中出現(xiàn)的所有問(wèn)題。

對(duì)于“提出準(zhǔn)備進(jìn)一步探究的問(wèn)題”的分析發(fā)現(xiàn)，兩班學(xué)生的差別也非常顯著。對(duì)照班學(xué)生中有相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生沒(méi)有回答，即使做出回答，答案中也有很多是不適合進(jìn)一步探究的低層次問(wèn)題。例如：袋子為什么會(huì)鼓起來(lái)？白色固體是什么？而實(shí)驗(yàn)班學(xué)生往往能夠選擇具有一兩個(gè)變量值得深入探究的問(wèn)題。例如：兩種固體的用量對(duì)最終溫度的變化有何影響？用其他液體代替水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生怎樣的效果？

研究者同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，兩班學(xué)生對(duì)待任務(wù)的態(tài)度也有較大差異。實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生花費(fèi)了更多的精力和時(shí)間，幾乎所有學(xué)生填寫了所有項(xiàng)目。相比之下，在“進(jìn)一步探究的問(wèn)題”、“提出假設(shè)”和“設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)”這些問(wèn)題上，對(duì)照班中有一些學(xué)生沒(méi)有填寫。

3.2 批判性閱讀的結(jié)果與分析

在批判性閱讀測(cè)試中，針對(duì)“寫出你讀完文章所產(chǎn)生的所有疑問(wèn)”這一要求，實(shí)驗(yàn)班共提出196個(gè)問(wèn)題。研究者對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行分類后發(fā)現(xiàn)，共有117種不同的問(wèn)題。在這117種問(wèn)題中，又有88.3%屬于高層次問(wèn)題。例如：在其他溫度下該實(shí)驗(yàn)效果如何？該裝置能否用以測(cè)量高濃度的一氧化氮？如何才能使裝置進(jìn)入到人體內(nèi)？該裝置能否用來(lái)監(jiān)測(cè)其他氣體？相比之下，對(duì)照班共提出了27個(gè)問(wèn)題，研究者對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)共有23種不同問(wèn)題，其中64%為低層次問(wèn)題，例如：該裝置是監(jiān)測(cè)什么氣體的？電流是如何被記錄下來(lái)的？

因此，在批判性閱讀測(cè)試中，兩班學(xué)生在提出問(wèn)題的數(shù)量與質(zhì)量上也表現(xiàn)出了顯著差異，實(shí)驗(yàn)班提出的問(wèn)題數(shù)量和質(zhì)量均優(yōu)于對(duì)照班。

3.3 研究結(jié)論

根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析，研究者得出結(jié)論：探究性實(shí)驗(yàn)發(fā)展了學(xué)生研究問(wèn)題的能力和習(xí)慣，鍛煉和提高了學(xué)生的思維與實(shí)踐能力，這些能力能夠遷移至其他學(xué)習(xí)環(huán)境中。研究者認(rèn)為，出現(xiàn)這種差異的原因在于，實(shí)驗(yàn)班平時(shí)經(jīng)歷了探究性實(shí)驗(yàn)過(guò)程，從而學(xué)會(huì)了科學(xué)研究的一般思路與方法。

4 啟發(fā)與反思

探究性學(xué)習(xí)與探究性實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)今教育領(lǐng)域耳熟能詳?shù)脑~語(yǔ)，無(wú)論是教育專家還是一線教師，都認(rèn)為探究性實(shí)驗(yàn)更能培養(yǎng)學(xué)生的能力，都提倡教師應(yīng)該用探究的方式在課堂上呈現(xiàn)化學(xué)知識(shí)，學(xué)生也應(yīng)該用探究的方式學(xué)習(xí)化學(xué)內(nèi)容。然而，探究性學(xué)習(xí)究竟發(fā)展了學(xué)生怎樣的能力？學(xué)生的科學(xué)研究能力是否通過(guò)探究性實(shí)驗(yàn)得到提高？要研究這樣的問(wèn)題并不容易。縱觀該研究的整個(gè)過(guò)程，研究者在文獻(xiàn)綜述的基礎(chǔ)上提出研究假設(shè)，將學(xué)生思維能力具體化為“提出更多更有價(jià)值的問(wèn)題”，將學(xué)生的科學(xué)研究能力定量化，成為可以用來(lái)統(tǒng)計(jì)與分析的結(jié)果。設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量工具，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性和定量的分析，通過(guò)實(shí)證研究探討了一個(gè)具體的教育教學(xué)問(wèn)題。

實(shí)證的意識(shí)、規(guī)范的思路、科學(xué)的方法，這個(gè)研究給了廣大教師很好的啟示。教育教學(xué)理論的證實(shí)與豐富需要實(shí)證研究的支撐，希望更多教師在自己的教育教學(xué)實(shí)踐研究中學(xué)習(xí)與借鑒這樣的研究方法，用實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)為各種有效教學(xué)的原則以及具體的教學(xué)方案和教學(xué)實(shí)踐提供更加有力的證據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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