從“實(shí)驗(yàn)”到“學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”的演繹

葉耀 湯金波

摘要：從“實(shí)驗(yàn)”到“學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”是一個(gè)演繹的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，是實(shí)驗(yàn)教育發(fā)展過(guò)程中的四級(jí)臺(tái)階，是實(shí)驗(yàn)教育發(fā)展的一種極大可能，其根本目的在于“學(xué)生的成長(zhǎng)和發(fā)展”。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn) 創(chuàng)新 自主 學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

隨著相關(guān)研究文章的發(fā)表，“學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”已然成為初中物理教育界的熱詞，但很多人仍然對(duì)“實(shí)驗(yàn)”前三個(gè)條件定語(yǔ)“學(xué)生”“自主”“創(chuàng)新”的理解不是很深刻。我們認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，是實(shí)驗(yàn)教育發(fā)展過(guò)程中的四級(jí)臺(tái)階，是實(shí)驗(yàn)教育發(fā)展的一種極大可能，其根本目的在于“學(xué)生的成長(zhǎng)和發(fā)展”。下面，談?wù)勎覀儗?duì)從“實(shí)驗(yàn)”到“學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”演繹過(guò)程的解讀。

一、實(shí)驗(yàn)

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，這是一直以來(lái)人們的一種習(xí)慣說(shuō)法。實(shí)際上，這句話也對(duì)也不對(duì)，至少應(yīng)該說(shuō)是不完整的說(shuō)法。物理現(xiàn)象是客觀的存在，物理學(xué)作為一門專門揭示物理現(xiàn)象背后規(guī)律的學(xué)科，自然就離不開(kāi)觀察（定性）和測(cè)量（定量）。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們的視野得以拓展，手段得以進(jìn)步，所以應(yīng)該說(shuō)“物理學(xué)是一門測(cè)量的科學(xué)”。無(wú)論演示實(shí)驗(yàn)、模擬實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)，都是為測(cè)量提供載體。這樣的測(cè)量，可以由儀器來(lái)完成，但最終依然是人的感悟（觀察與體悟）——因?yàn)?，即使是儀器，也不過(guò)是人“感悟”的工具延伸。

那么，為什么人們又說(shuō)物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)呢？這是針對(duì)建立物理概念（規(guī)律、方法、思想等）而言的。建立概念是物理教育（包括一切教育）的根本任務(wù)，因?yàn)楦拍钍撬季S的基本單位，概念的集群構(gòu)成了思維的格柵。著名物理教育家阿倫斯在論及物理概念時(shí)指出，“必須先弄清概念的操作性定義（operational definition）。這是因?yàn)?，科學(xué)概念不是被‘發(fā)現(xiàn)的，而是人們通過(guò)大腦思維，對(duì)事物抽象的結(jié)果。因此，對(duì)概念的理解并不取決于名稱（或術(shù)語(yǔ)）本身，而取決于對(duì)概念的操作性定義的正確理解和運(yùn)用”。他同時(shí)指出，“概念應(yīng)該是使用它的人自己去定義，去用自己的話講概念、描述概念和解釋概念，將概念與日常經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)”。丹麥教育大學(xué)教授克努茲·伊列雷斯認(rèn)為，“學(xué)習(xí)總是嵌入一個(gè)社會(huì)性的情境中的，這個(gè)情境提供沖動(dòng)，設(shè)定能夠以及如何學(xué)習(xí)什么的框架……這些情境賦予了學(xué)習(xí)在基礎(chǔ)性條件上的本質(zhì)差異”。這樣說(shuō)來(lái)，實(shí)驗(yàn)之于物理教育其實(shí)是一個(gè)“操作性定義”的過(guò)程，提供的是一個(gè)“充滿著情感、意志、精神、興趣”的情境。這樣的情境是學(xué)習(xí)得以發(fā)生的重要保障。

二、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

皮亞杰認(rèn)為，教育的首要目標(biāo)在于造就能夠創(chuàng)新、創(chuàng)造、發(fā)明、發(fā)現(xiàn)的人，而不是簡(jiǎn)單重復(fù)前人已經(jīng)做過(guò)的事情。深度學(xué)習(xí)提倡者認(rèn)為，深度學(xué)習(xí)是一個(gè)知識(shí)遷移的過(guò)程，有助于學(xué)習(xí)者提高解決問(wèn)題并做出決策的能力。這一切都告訴我們：學(xué)習(xí)是為了創(chuàng)新。

物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的作用不可估量。其實(shí)，經(jīng)典實(shí)驗(yàn)本身就是一個(gè)創(chuàng)新的過(guò)程。比如，19世紀(jì)初期，歐姆研究電流與電阻、電壓的關(guān)系時(shí)，沒(méi)有電流表和電壓表，也沒(méi)有電阻的概念，就連伏打電堆的電動(dòng)勢(shì)也不穩(wěn)定。歐姆把奧斯特關(guān)于電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和庫(kù)倫扭秤方法巧妙地結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)出了電流扭力秤，用它比較準(zhǔn)確地測(cè)量了電流強(qiáng)度;用鉍銅溫差電偶為電源，以保證電源電動(dòng)勢(shì)的穩(wěn)定，最終得到了蘊(yùn)含物理至美的歐姆定律表達(dá)式。

教育中的物理實(shí)驗(yàn)要求“展示最本質(zhì)的現(xiàn)象”給學(xué)生。以今天的技術(shù)去展示昨天的經(jīng)典，這是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的原始動(dòng)力之一。比如，20世紀(jì)80年代，黃恕伯老師借助收錄機(jī)完成了“聲音的多普勒效應(yīng)”演示實(shí)驗(yàn)，讓人們“聽(tīng)”到了多普勒效應(yīng)。而到了今天，只要你同時(shí)擁有兩臺(tái)4G手機(jī)，將一臺(tái)手機(jī)作為聲源播放高頻信號(hào)，另一臺(tái)手機(jī)作為示波器接收高頻信號(hào)，當(dāng)其中一臺(tái)手機(jī)遠(yuǎn)離另一臺(tái)手機(jī)時(shí)，作為示波器的手機(jī)屏上就能夠“看到”聲音的多普勒效應(yīng)。

我們可以這樣認(rèn)為，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是技術(shù)給物理實(shí)驗(yàn)教育提供的“翅膀”，正是不斷創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)推動(dòng)著物理學(xué)的不斷發(fā)展。

三、自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

很多教師不理解“自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”中的“自主”一詞。其實(shí)，自主無(wú)非就是“自己做主”，即“一切為了學(xué)生的成長(zhǎng)和發(fā)展”而“自己做主”。

腦科學(xué)學(xué)習(xí)理論告訴我們，源自需求的學(xué)習(xí)是最容易發(fā)生的學(xué)習(xí)。從學(xué)習(xí)信息論角度來(lái)看，學(xué)習(xí)有信息輸入、信息加工、信息儲(chǔ)存和信息輸出四個(gè)部分，研究者將后三個(gè)部分稱為“深度學(xué)習(xí)”。而自主的學(xué)習(xí)有利于信息的加工、儲(chǔ)存、輸出，也就是說(shuō)，深度學(xué)習(xí)的發(fā)生依賴于“自主”。

建立概念是物理教育（包括一切教育）的根本任務(wù)。而物理概念的建立是因人而異的，需要“基于來(lái)自觀察和實(shí)驗(yàn)的證據(jù)”。每個(gè)學(xué)生的“前概念”不同，因此就有了自主的需求。放到物理教學(xué)的現(xiàn)實(shí)背景中，“自主”還來(lái)源于以下三個(gè)方面：

1.有異于教材實(shí)驗(yàn)的自主。

教材所安排的實(shí)驗(yàn)，是教材編寫者的一個(gè)選擇，往往并不是唯一。受個(gè)體視野、時(shí)代發(fā)展等條件的限制，這樣的選擇也大有改變的空間。比如，蘇科版初中物理教材中的“比熱容”內(nèi)容，用的是沙與水同步升溫的比較實(shí)驗(yàn)，它不如“用底面積、質(zhì)量相同的銅、鐵、鋁，在初始溫度相同時(shí)，放到冰塊上降溫”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰。

2.決定于教學(xué)需要的自主。

比如，對(duì)光的反射實(shí)驗(yàn)，有經(jīng)驗(yàn)的教師都知道，初中階段，再難的反射光路圖的考試題目，無(wú)非就是將光路圖加以“旋轉(zhuǎn)”“翻轉(zhuǎn)”等操作而已。顯然，這只是因?yàn)轭}目中的實(shí)驗(yàn)在二維平面上，而人為地設(shè)置了一個(gè)要求學(xué)生“從二維到三維”的思維障礙。學(xué)生不會(huì)旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)，是題目中實(shí)驗(yàn)的“二維”展現(xiàn)帶來(lái)的，也就是說(shuō)，是因?yàn)闆](méi)有展現(xiàn)最本質(zhì)的現(xiàn)象給學(xué)生而造成的。而現(xiàn)如今，有了高亮度激光筆，我們完全可以這種“三維”呈現(xiàn)出來(lái)，達(dá)成立體的“真實(shí)”。

3.基于學(xué)習(xí)主動(dòng)性的自主。

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，真正的學(xué)習(xí)是兒童主動(dòng)的、自發(fā)的學(xué)習(xí)。學(xué)生是在與周圍環(huán)境相互作用的過(guò)程中，逐步建構(gòu)起關(guān)于外部世界的認(rèn)識(shí)，從而使自身認(rèn)知結(jié)構(gòu)得到發(fā)展的?；蛘哒f(shuō)，學(xué)生獲得知識(shí)并不是由教師直接傳授的，而是在一定的社會(huì)文化背景下自我建構(gòu)的。在自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，材料需要在現(xiàn)實(shí)生活中尋找，方法需要根據(jù)材料改進(jìn)，還可能會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題需要加以解決。而這一切，只有在自主的前提下，才能發(fā)生。

至此，我們似乎發(fā)現(xiàn)了“自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”中“自主”的含義：自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)不是教材要求的實(shí)驗(yàn)，而是依據(jù)學(xué)生的需要及現(xiàn)有設(shè)備條件設(shè)計(jì)并進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

四、學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

“實(shí)驗(yàn)”“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”“自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”這三個(gè)名稱，常常被教師所把持，涌現(xiàn)了一大批“實(shí)驗(yàn)高手教師”。我們認(rèn)為，這不是教育的“好事”。只有在這三個(gè)名稱的前面冠以“學(xué)生”，才是完美的“實(shí)驗(yàn)教育”。

教育應(yīng)該是成就人、培養(yǎng)人、讓人感受、體悟生命意義和價(jià)值的教學(xué)活動(dòng)。教學(xué)為了學(xué)生的發(fā)展，要讓學(xué)生具備自主發(fā)展的意識(shí)與能力，要發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。韋鈺院士指出，教育的根本任務(wù)就是學(xué)生大腦結(jié)構(gòu)的重塑，教師的任務(wù)早已經(jīng)不是教給了學(xué)生什么，而是學(xué)生學(xué)到了什么，更在于學(xué)生的大腦經(jīng)歷了一個(gè)怎樣的“重塑”過(guò)程。因此，在“自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”前面加上“學(xué)生”，不是一種“噱頭”，而是教育發(fā)展的一種極大可能。

五、學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的未來(lái)展望

我們一直認(rèn)為，學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)并非初中物理教學(xué)所特有的，而應(yīng)該是所有科學(xué)學(xué)科教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，因?yàn)閷W(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是科學(xué)教育的一種極佳選擇。這里的“科學(xué)教育”有兩層含義：一是指“科學(xué)學(xué)科的教育”，包括物理、化學(xué)、生物、地理等自然科學(xué)學(xué)科;二是指“科學(xué)地進(jìn)行教育”，即“教育要以腦科學(xué)的研究成果為依據(jù)”，即“學(xué)習(xí)最終的目的在于‘重塑人的大腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)”。而學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)正是達(dá)成這樣一種教育目的優(yōu)秀載體。

當(dāng)深度學(xué)習(xí)逐漸走進(jìn)課堂的時(shí)候，當(dāng)學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)逐漸走進(jìn)課堂的時(shí)候，人們終于發(fā)現(xiàn)：運(yùn)用“學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行深度學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生不僅獲得了知識(shí)，而且清楚地知道了在真實(shí)世界和實(shí)際情況中如何運(yùn)用這些知識(shí)。這樣，知識(shí)會(huì)在學(xué)生頭腦中保持得更為持久——深度學(xué)習(xí)之“深度”的一個(gè)重要表征就是“能夠使知識(shí)保持長(zhǎng)久，并能運(yùn)用”。

我們還認(rèn)為，學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與目前所倡導(dǎo)的STEM（STEAM）教育理念是一致的。落實(shí)學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，是在學(xué)科教育，特別是物理教育中踐行STEM教育理念的最佳落地點(diǎn)。融合了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)思維的學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，能使學(xué)生經(jīng)歷設(shè)計(jì)與制作，體驗(yàn)知識(shí)獲得的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)知識(shí)的本質(zhì)，學(xué)會(huì)模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)方法，學(xué)會(huì)與人交流、溝通、合作的意義，在深刻理解物理概念（規(guī)律、方法、思想等）的同時(shí)，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和實(shí)驗(yàn)志趣。

當(dāng)然，我們也清楚地知道，學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)并不是物理教育的唯一，我們要做的是將學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與整個(gè)物理教育有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成基于學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的物理課堂教育模式。

本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃規(guī)劃立項(xiàng)課題“唐文治教育思想引領(lǐng)下學(xué)校‘雙融文化建設(shè)的實(shí)踐研究”（編號(hào)：Ec/2018/18）、全國(guó)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度教育部重點(diǎn)課題“基于STEAM教育理念的初中物理深度學(xué)習(xí)的實(shí)踐研究”（編號(hào)：DHA180410）的階段性研究成果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳敏華.阿倫斯物理教學(xué)方法簡(jiǎn)介——紀(jì)念阿倫斯逝世10周年[J].物理教師，2011（7）.

[2] 溫·哈倫.科學(xué)教育的原則和大概念[M].韋鈺，譯.北京：科學(xué)普及出版社，2011.

[3] 吳永軍.關(guān)于深度學(xué)習(xí)的再認(rèn)識(shí)[J].課程·教材·教法，2019（2）.

[4] 葉耀，柏毅.STEM項(xiàng)目課程化的探索與思考[J].基礎(chǔ)教育參考，2018（19）.