“三重”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)策略 培養(yǎng)科學(xué)探究能力
——以“用油膜法估測油酸分子直徑”為例

賴佳穎 王鐵樺

(復(fù)旦大學(xué)附屬中學(xué),上海 200433)

“科學(xué)探究”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，在物理教學(xué)中，它既是一種學(xué)習(xí)方式，也是一種關(guān)鍵能力.廣義的科學(xué)探究是指探究者通過主動參與，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的過程，重要的是帶著問題去思考、活動、學(xué)習(xí).[1]與理論探究相比，實(shí)驗(yàn)探究在高中階段占據(jù)更重要的教學(xué)地位，郭玉英教授認(rèn)為基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究是當(dāng)代物理教學(xué)的核心實(shí)踐活動.[2]《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(下文簡稱《課標(biāo)》)中也提出“實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐體驗(yàn)性最強(qiáng)的物理學(xué)習(xí)方式，是其他任何方式都無法代替的”.[3]那么如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)在落實(shí)科學(xué)探究能力的培養(yǎng)上具有可操作性，是當(dāng)前教育教學(xué)改革中的關(guān)鍵問題.

“科學(xué)探究”主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素，它們既是科學(xué)探究的重要環(huán)節(jié)，也是探究能力的組成部分，如果將它細(xì)分還可以分為提出問題、形成猜想與假設(shè)、制訂方案、獲取與處理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論和交流反思的能力等.[3]要增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)落實(shí)科學(xué)探究能力培養(yǎng)的指向性，可采用挖掘?qū)嶒?yàn)的特征、發(fā)揮實(shí)驗(yàn)特色、突出探究經(jīng)歷、感悟科學(xué)過程等方式將科學(xué)探究各方面的能力滲透在教學(xué)環(huán)節(jié)中，推進(jìn)各種類型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革.

“三重”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)策略正是通過重析實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)、重塑實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)構(gòu)、重構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，給出提升科學(xué)探究能力在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的有效教學(xué)建議.本文將通過測量型實(shí)驗(yàn)——用油膜法估測油酸分子直徑，分析“三重”實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略的要點(diǎn)與實(shí)施.“用油膜法估測油酸分子直徑”是選擇性必修中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)的最后一個(gè)測量性實(shí)驗(yàn)，通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)生能在宏觀認(rèn)知和微觀結(jié)構(gòu)中建立連接，實(shí)驗(yàn)方案中也涉及一些科學(xué)研究方法.

1 重析實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，指向多元與系統(tǒng)

要點(diǎn)1：實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)類型、特征等，突出科學(xué)探究各要素的多元與組合培養(yǎng).

科學(xué)探究的要素包括于科學(xué)探究的全過程中，教學(xué)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)類型限制了學(xué)生在單個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時(shí)經(jīng)歷全部要素，因此教師需要對科學(xué)探究的各要素特點(diǎn)進(jìn)行提煉，通過挖掘每個(gè)實(shí)驗(yàn)的類型及特點(diǎn)，在單個(gè)實(shí)驗(yàn)中突出科學(xué)探究的不同要素，最終通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)跨單元、跨學(xué)年地系統(tǒng)化目標(biāo)設(shè)定，達(dá)成科學(xué)探究能力的全面提升.例如測量性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)可偏重方案制訂與數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，觀察性實(shí)驗(yàn)可關(guān)注現(xiàn)象描述與問題提出的環(huán)節(jié)，探究性實(shí)驗(yàn)可重點(diǎn)關(guān)注問題提出與猜想形成的環(huán)節(jié)……

“用油膜法估測油酸分子直徑”作為一個(gè)測量性實(shí)驗(yàn)，本課在設(shè)計(jì)之初，教師可將科學(xué)探究的重點(diǎn)落在方案設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理上.在選定了重點(diǎn)培養(yǎng)的要素后，教師在制訂教學(xué)目標(biāo)時(shí)便可有所針對，接下來是為教學(xué)目標(biāo)尋找更具體的行為標(biāo)準(zhǔn)，這將指導(dǎo)教學(xué)環(huán)節(jié)的開展.

要點(diǎn)2：實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)設(shè)定應(yīng)結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，體現(xiàn)科學(xué)探究能力的逐層提升.

隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不斷深入，學(xué)生的科學(xué)探究能力將得到提升和發(fā)展，因此設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)還需要考慮學(xué)生在科學(xué)探究各要素中的表現(xiàn)情況，并對其進(jìn)行規(guī)劃和統(tǒng)籌，在課標(biāo)的指引下體現(xiàn)能力的發(fā)展性和連貫性，提高教學(xué)效率.

“用油膜法估測油酸分子直徑”實(shí)驗(yàn)作為選擇性必修中最后一個(gè)測量性實(shí)驗(yàn)，在前序的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生經(jīng)歷了許多同類型的實(shí)驗(yàn)，提升了方案設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的能力.在結(jié)合學(xué)情基礎(chǔ)上，希望學(xué)生通過本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)能在“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理”兩方面向?qū)W業(yè)質(zhì)量水平4發(fā)展，因此依據(jù)《課標(biāo)》明確了學(xué)習(xí)結(jié)果的具體行為表現(xiàn)，這將使教學(xué)目標(biāo)的設(shè)置更加具體和具有可操作性，詳見表1.

表1 “用油膜法估測油酸分子直徑”的科學(xué)探究要素及學(xué)業(yè)質(zhì)量目標(biāo)水平

值得注意的是，學(xué)生的學(xué)業(yè)質(zhì)量表現(xiàn)從水平3提升到水平4并不是一蹴而就的，這需要累積與促進(jìn)，才能在每個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)完成時(shí)逐步接近這一表現(xiàn)，設(shè)定每堂實(shí)驗(yàn)課的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平既需要憑借教師的經(jīng)驗(yàn)，也要參照上一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)后的評價(jià)結(jié)果.

要點(diǎn)3：教學(xué)目標(biāo)設(shè)定應(yīng)突出主線“為何做實(shí)驗(yàn)—怎么做實(shí)驗(yàn)—如何評價(jià)實(shí)驗(yàn)”，使教學(xué)目標(biāo)設(shè)定緊密圍繞核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

在設(shè)計(jì)具體課堂教學(xué)目標(biāo)時(shí)，除了要通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)科學(xué)探究能力外，還要落實(shí)概念和規(guī)律，培育科學(xué)責(zé)任與態(tài)度，因此教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵是能緊扣實(shí)驗(yàn)教學(xué)、邏輯清晰、范圍全面.

圍繞主線設(shè)定教學(xué)目標(biāo)可以提高目標(biāo)設(shè)定的可操作性和針對性.思考“為何做實(shí)驗(yàn)”是為了凸顯實(shí)驗(yàn)的價(jià)值和意義，提升物理觀念，挖掘本實(shí)驗(yàn)在認(rèn)識事物、掌握規(guī)律、探索自然中起到的作用，有助于學(xué)生建立與原有的物理概念和規(guī)律間的關(guān)聯(lián)，完善物理大廈的認(rèn)知結(jié)構(gòu)；對“怎么做實(shí)驗(yàn)”的思考是為了將科學(xué)思維及科學(xué)探究落根于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，挖掘物理實(shí)驗(yàn)中的思維方式、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理方法和實(shí)驗(yàn)器材的使用方法等，設(shè)計(jì)“體驗(yàn)”“感悟”和“認(rèn)識”的教學(xué)環(huán)節(jié)，這將比通過課本上“告知”既定的實(shí)驗(yàn)方案和步驟更有助于認(rèn)知方式和探索手段的形成；最后對于“如何評價(jià)實(shí)驗(yàn)”的考慮是為了鼓勵(lì)學(xué)生參與評價(jià)、形成協(xié)作意識，評價(jià)就是交流、反思、論證的過程，該過程是學(xué)生改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過程、分析誤差的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是“內(nèi)化”和“升華”的必經(jīng)之路，還是學(xué)生體會科學(xué)精神的重要板塊.

本實(shí)驗(yàn)圍繞上述3個(gè)主線設(shè)定如表2所示的教學(xué)目標(biāo).

表2 本課依據(jù)主線設(shè)定的具體教學(xué)目標(biāo)

2 重塑實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)構(gòu)，引向親歷與感悟

要點(diǎn)1：實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動應(yīng)切實(shí)圍繞實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化科學(xué)探究的親歷過程.

本節(jié)課的教學(xué)流程一般為“提出任務(wù)—講授實(shí)驗(yàn)方案—學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)—得出結(jié)論”，學(xué)生的學(xué)習(xí)主要是理解并執(zhí)行.為了能夠達(dá)成先前設(shè)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，增加實(shí)驗(yàn)探究過程的感悟和體會，本課在原有的教學(xué)結(jié)構(gòu)上做出了調(diào)整，教學(xué)流程圖如圖1所示.

圖1 教學(xué)流程圖

本課設(shè)計(jì)了2個(gè)突出重點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)的活動環(huán)節(jié)，分別是活動Ⅱ、活動Ⅴ.

活動Ⅱ?yàn)闇y量黃豆直徑的活動.在開始分子直徑測量前，設(shè)計(jì)測量黃豆直徑的活動，既可以讓學(xué)生通過聯(lián)想、觀察，對分子模型、單分子油膜層形成感性認(rèn)識，也能夠回顧和總結(jié)間接測量法和累積法.在實(shí)際教學(xué)中，教師讓學(xué)生給出測量黃豆直徑的方法，學(xué)生會各抒己見，有的提到使用游標(biāo)卡尺，有的使用量筒等，通過討論后發(fā)現(xiàn)當(dāng)黃豆直徑不斷減小時(shí)，很多測量方法(工具)將無法使用，最終總結(jié)得到間接測量微觀量的方法.這一活動設(shè)計(jì)，與教學(xué)目標(biāo)的重點(diǎn)——方案設(shè)計(jì)相呼應(yīng)，讓實(shí)驗(yàn)方案在逐漸修改中不斷完善，也讓實(shí)驗(yàn)方法從學(xué)生的潛在意識中逐步得到提煉與顯現(xiàn)，在這個(gè)過程中學(xué)生還能感受模型構(gòu)建的重要性，并對估測和間接測量有了更進(jìn)一步的認(rèn)識.

活動Ⅵ為討論分析實(shí)驗(yàn)誤差.這一環(huán)節(jié)是針對學(xué)生發(fā)現(xiàn)的問題組織討論，修正不足，重新獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)中，大部分小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在3.0×10-10m～1.0×10-9m，個(gè)別數(shù)據(jù)明顯偏大.這時(shí)教師除了引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注分子直徑的數(shù)量級外，還讓學(xué)生通過闡述實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果，對比自己與其他組的實(shí)驗(yàn)結(jié)論及數(shù)據(jù)差異.最終，不少學(xué)生“意外”發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中呈現(xiàn)的鋸齒狀的油膜與光滑圓弧狀的油膜可能會使結(jié)果存在較大不同，如圖2所示.接著教師可因材施教，進(jìn)一步解釋或讓學(xué)生們交流討論方案，并鼓勵(lì)學(xué)生利用現(xiàn)代技術(shù)(后文介紹)快速獲得一組新的數(shù)據(jù)，這能鞏固實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)成果，同時(shí)提升學(xué)生的交流論證能力.

圖2 不同形狀的油膜邊界

要點(diǎn)2：實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)梳理其中的問題邏輯，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性.

教師在課堂教學(xué)中應(yīng)通過問題邏輯的設(shè)置，幫助學(xué)生構(gòu)建知識、認(rèn)知事物，提升科學(xué)探究能力.為了突出實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在討論黃豆直徑的測量方法后，教師拋出了主要問題——如何使用黃豆直徑的測量方法類比測量分子直徑，顯然從這一問題開始到最終形成完整、可行的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生還需要有很大的跨越.所以，當(dāng)主要問題提出時(shí)，隱藏的問題邏輯也逐步顯現(xiàn).

問題1：如何讓油酸分子像黃豆一樣呈現(xiàn)在容器中？(油酸不溶于水，且比水輕)

問題2：將一滴油酸滴在水面上你看到什么？(油酸無法散開形成單分子油膜層)

問題3：如何讓油酸分子展開成平面，減小體積占比呢？(油酸要稀釋，溶于酒精)

問題4：如何確定一滴酒精油酸溶液的體積？(可以使用累積法)

問題5：有什么辦法能觀察到油膜的邊界？(撒上一些容易被油酸推開的物質(zhì))

隨著實(shí)驗(yàn)方案不斷推進(jìn)而被提出的一連串問題，可以讓實(shí)驗(yàn)方案變得更加完整，也讓學(xué)生體會到方案細(xì)化的過程.問題的提出和解決的過程，是學(xué)生不斷反思和總結(jié)的過程，所以這些問題既不能太開放，讓學(xué)生思維跨度過大，也不能太小，用是非問答框住學(xué)生各類可能的疑惑，這需要教師在教學(xué)前了解學(xué)情，并不斷調(diào)整.

3 重構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，導(dǎo)向自主與創(chuàng)新

要點(diǎn)1：課堂的學(xué)習(xí)空間設(shè)置應(yīng)兼顧認(rèn)知規(guī)律發(fā)展，觸發(fā)學(xué)生主動參與科學(xué)探究.

學(xué)習(xí)是在恰當(dāng)?shù)耐獠織l件支持下發(fā)生的，[4]學(xué)習(xí)空間的設(shè)計(jì)是需要適合于學(xué)生認(rèn)知發(fā)展，支持學(xué)習(xí)活動的開展的.高中生對宏觀的事物認(rèn)知較為完善，對微觀世界的認(rèn)識不足，但有探索自然的好奇心，有善于觀察及較為扎實(shí)的數(shù)理分析能力，能快速學(xué)習(xí)新的信息并為實(shí)驗(yàn)所用，且愿意與他人分享等特點(diǎn)，因此在創(chuàng)造學(xué)習(xí)空間時(shí)，需要以滿足認(rèn)知需求，刺激學(xué)生認(rèn)知發(fā)生為衡量標(biāo)準(zhǔn).

本課在設(shè)計(jì)時(shí)采用環(huán)繞式的桌椅布局，減小了學(xué)生的空間距離，加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)時(shí)的外部互動；本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室的專屬環(huán)境中開展，便捷的設(shè)施與豐富的實(shí)驗(yàn)器材，提升了學(xué)生的環(huán)境感受，以上兩項(xiàng)措施，從學(xué)習(xí)場所的角度營造了合適的學(xué)習(xí)空間.

不僅如此，本節(jié)課中為了更好落實(shí)教學(xué)活動，為學(xué)生準(zhǔn)備了真實(shí)的黃豆、測量工具、油酸瓶使用的說明書等，從學(xué)習(xí)工具的角度，提供了學(xué)生探索的空間和感性的認(rèn)知基礎(chǔ)；教師還為學(xué)生提供了基于信息技術(shù)的油膜面積測量方法(見下文)，便于學(xué)生快速開展第2次實(shí)驗(yàn)，從而了解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大差異的原因.

最后，在教學(xué)中教師為學(xué)生提供了常見的葉片在不同放大倍率下的照片，讓學(xué)生感受宏觀表象與微觀結(jié)構(gòu)間的差異，形成強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突，激發(fā)科學(xué)探究的意識；教師還提供了包括德國卡爾斯魯厄大學(xué)與阿伏伽德羅常數(shù)相關(guān)的材料作為閱讀材料，設(shè)計(jì)了多處師生、生生對話的環(huán)節(jié)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的互動性，推進(jìn)了學(xué)生探究過程的認(rèn)知發(fā)展.

要點(diǎn)2：課堂中的信息技術(shù)平臺應(yīng)輔助學(xué)習(xí)需求，簡化科學(xué)探究過程.

《課標(biāo)》中數(shù)次提及使用信息技術(shù)推進(jìn)科學(xué)探究能力培養(yǎng)，而適合物理教學(xué)的技術(shù)平臺有很多，例如Phyphox可以利用手機(jī)傳感器測量各種物理量，Comsol仿真模擬軟件還能夠打破數(shù)學(xué)壁壘模擬復(fù)雜物理過程.

課堂中若出現(xiàn)圖2(b)所示的油膜形狀，重新實(shí)驗(yàn)并測量則勢必消耗不少時(shí)間.因此在第2輪實(shí)驗(yàn)中，教師可以引入新的面積測量方法.本課采用的是各PDF編輯軟件自帶的面積測量工具，以WPS軟件為例，其任務(wù)欄“批注”中有“測量工具—面積”這一選項(xiàng)，課堂中只需要將油膜邊界畫在透明方格紙上并拍照轉(zhuǎn)成PDF，如示意圖3(a)，便可采用編輯軟件快速將油膜面積測出如圖3(b)，為了建立參考還可以測量方格紙的一個(gè)方格面積如圖3(c)，簡單按實(shí)際比例計(jì)算便可獲得油膜面積.

圖3 使用PDF編輯軟件測量油膜面積

采用這一軟件并不只是為了減小實(shí)驗(yàn)誤差(面積差別不大不影響分子尺寸的數(shù)量級)，更為了簡化探究過程，讓學(xué)生感受兩次實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)差別，驗(yàn)證猜想，改善實(shí)驗(yàn)過程.

綜上，“三重”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)策略能夠?qū)崿F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中科學(xué)探究能力的跨單元、跨學(xué)年的逐層提升，強(qiáng)化教學(xué)目標(biāo)的可操作性，增加教學(xué)環(huán)節(jié)的探究意義，重視實(shí)驗(yàn)環(huán)境的育人價(jià)值，促進(jìn)教學(xué)評一致性，這將為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)營造新的形態(tài)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)在科學(xué)探究能力中的育人作用.