科學(xué)教育視域下的自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)

摘 要：為了提供一種科學(xué)教育的有效途徑，提出和使用了“自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”這一概念，并界定了其內(nèi)涵和價(jià)值。在科學(xué)教學(xué)中進(jìn)行了自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索，從而歸納出自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的程序、自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新樣態(tài)、自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主題式教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：科學(xué)教育；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)；自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2023年5月，教育部等十八部門頒布了《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見(jiàn)》，以清晰的結(jié)構(gòu)明確了新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育的目標(biāo)與任務(wù)。這將極大推動(dòng)我國(guó)科學(xué)教育的發(fā)展?？茖W(xué)教育不僅在于傳播科學(xué)知識(shí)，更在于提升全民科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)高端科技人才，實(shí)現(xiàn)科技強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。因此，國(guó)務(wù)院總理李強(qiáng)在2024年政府工作報(bào)告中也提出：“深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略，強(qiáng)化高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)支撐?！睂⒖茖W(xué)教育放在了教育強(qiáng)國(guó)的重要戰(zhàn)略地位上。但對(duì)于科學(xué)教育來(lái)說(shuō)，目前最重要的是在現(xiàn)有的課程框架下，研究如何使提供一種可操作的有效教學(xué)路徑，使科學(xué)教育落實(shí)到具體的課堂教學(xué)中。

科學(xué)教育是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的教育。為此，深入地探究和認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)涵和功能，并通過(guò)引入“自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”教學(xué)，改變師生的教與學(xué)方式，強(qiáng)化科學(xué)教育，使學(xué)生獲得必備的科學(xué)知識(shí)、科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)精神，從而提高課堂教學(xué)的成效，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成。

一、自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵

人類在探索未知世界、追求真理的過(guò)程中，有許多經(jīng)典的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)完全超越了具體實(shí)踐的本身，蘊(yùn)藏著帶有普遍指導(dǎo)意義的科學(xué)思想和方法。從我們的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅是簡(jiǎn)單的知識(shí)傳授的輔助手段，而且蘊(yùn)含著深邃的科學(xué)思想、科學(xué)思維、科學(xué)方法的載體，也是人類智慧的結(jié)晶、科學(xué)美的熏陶、文化的傳承等。在這樣的認(rèn)識(shí)下，我們提出和使用了“自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”一詞，并在物理教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐和認(rèn)識(shí)。

（一）自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的界定

“自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”概念是從發(fā)明的先進(jìn)性、新穎性、適用性角度提出的，是相對(duì)已有實(shí)驗(yàn)而言?！白詣?chuàng)性實(shí)驗(yàn)”界定為在教學(xué)中對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理教育的由一切素材構(gòu)成的，為解決具體問(wèn)題而自主創(chuàng)新的個(gè)性化物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

“我們要關(guān)注和重視兒童在生活中感興趣和需要解決的問(wèn)題，并把它們作為科學(xué)教育內(nèi)容的重要來(lái)源，從兒童身邊選擇易于獲得的和有教育價(jià)值的事物，作為他們的操作材料”[1]。因此，我們狹義地認(rèn)為，“自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”是以常見(jiàn)的生活用品為課程資源（包括低成本的生活資源；高科技的激光筆、手機(jī)；價(jià)格高的微波爐、攝像機(jī)、多媒體；賴以生存的大自然；具有生命的人體等），運(yùn)用創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技術(shù)，為師生教與學(xué)所需要，能呈現(xiàn)和體驗(yàn)知識(shí)的產(chǎn)生、發(fā)展、結(jié)果的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（思維產(chǎn)物），實(shí)驗(yàn)裝置（實(shí)物產(chǎn)品），與已有實(shí)驗(yàn)和數(shù)字技術(shù)組合（組合創(chuàng)新）的一種自主創(chuàng)新的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。如金屬球用蠟燭火焰熏黑后放入水中，黑色的小球就會(huì)變成銀色，用來(lái)展示光的全反射現(xiàn)象。

當(dāng)以往的“自制教具”“非常規(guī)實(shí)驗(yàn)”“差異性實(shí)驗(yàn)”“改進(jìn)實(shí)驗(yàn)”“實(shí)物小發(fā)明”“小制作”“低成本實(shí)驗(yàn)”“微型實(shí)驗(yàn)”等各種名稱的實(shí)驗(yàn)，具有科學(xué)創(chuàng)新內(nèi)涵和屬性時(shí)，我們就稱為“自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”。這樣界定的好處是我們便于從各種繁雜的實(shí)驗(yàn)名稱和形式中剝離開(kāi)來(lái)，從而把自主創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)形式重視起來(lái)，有助于進(jìn)行深入的研究和實(shí)踐，從而全面認(rèn)識(shí)和挖掘其潛在的教學(xué)功能，并能開(kāi)拓新的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和方法。

（二）自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的特征

自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)不是彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)器材不足的權(quán)宜之計(jì)，也不是呈現(xiàn)知識(shí)的附屬品，而是創(chuàng)造性、個(gè)性化、實(shí)踐性的教學(xué)之需，也是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)、突破教學(xué)難點(diǎn)、突出教學(xué)重點(diǎn)的有效手段[2]，還是學(xué)生在“玩中學(xué)，學(xué)中思，思中悟，悟中用”的快樂(lè)學(xué)習(xí)方式。自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)與課本里的實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)室中按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)配備的實(shí)驗(yàn)器材相比，它具有如下特征。

（1）創(chuàng)新性

自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)比現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)有大幅度改進(jìn)或具有個(gè)體獨(dú)特智慧，體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上新穎、構(gòu)思上巧妙、現(xiàn)象上明顯，甚至創(chuàng)新彌補(bǔ)了課本中的“空白”。如筆者自制教具“液體電阻實(shí)驗(yàn)演示裝置”就彌補(bǔ)了現(xiàn)行初高中課本中，沒(méi)有用液體材料做電阻實(shí)驗(yàn)的空白[3]。

（2）廣泛性

可以說(shuō)只要是為師生教學(xué)所需要的一切資源都是自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)可利用的教學(xué)資源。自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)制作中涉及跨學(xué)科的知識(shí)、個(gè)體制作技能、工藝流程講究、操作技巧等，這些是課本中并不包含的知識(shí)和技能。如市場(chǎng)上的變色油漆，用于制作顯示電流流過(guò)滑動(dòng)變阻器電阻線部分。還有能記憶的金屬絲等高科技材料等。

（3）綜合性

一個(gè)最簡(jiǎn)單的生活用品（開(kāi)發(fā)為自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)），也存在著深刻的物理知識(shí)，甚至一個(gè)自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)中隱含著若干個(gè)物理知識(shí)。這是因?yàn)槊恳粋€(gè)物理概念都是其他物理量的函數(shù)。如一個(gè)玩具遙控電動(dòng)車承載著力、光、電、波等多個(gè)物理知識(shí)點(diǎn)。

（4）潛實(shí)用性

是指根據(jù)教學(xué)需要將同一生活用品，可加工成不同用途的自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)。普通的透明塑料飲料瓶不經(jīng)加工就可演示10多個(gè)實(shí)驗(yàn)。如將碘盛入塑料飲料瓶中擰緊瓶蓋，并浸入熱水中。因?yàn)轱嬃掀坎慌卤ǎ瑹崴疁囟扔中∮诘獾娜埸c(diǎn)，而且塑料飲料瓶的空間大，又是熱的不良導(dǎo)體，所以，沒(méi)有進(jìn)入熱水的部分，升華的碘蒸氣又很快在飲料瓶上凝華成為針狀的碘晶體。

（5）親和性

大多數(shù)自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)是利用學(xué)生熟悉的生活用品開(kāi)發(fā)的課程資源，從而讓學(xué)生感受到物理就在我們身邊。自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)有趣、有用、好玩的并不深?yuàn)W，且有親切感容易被接受并能促進(jìn)學(xué)生積極思考。將生活中的金屬罐裝滅蚊噴劑，在未噴射前讓學(xué)生摸一摸金屬罐體，感受其溫度的高低，然后向蚊子出入的窗戶上噴射幾次，再讓學(xué)生用手觸摸金屬罐溫度時(shí)，學(xué)生感覺(jué)到金屬罐特別涼，從而說(shuō)明液體汽化時(shí)吸熱，降低溫度。

（6）同質(zhì)性

許多自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)與已有的實(shí)驗(yàn)器材，從課程實(shí)驗(yàn)條件的角度看存在天壤之別，但從素材性課程資源來(lái)看本質(zhì)是相同的，因?yàn)樗鼈冊(cè)诮逃齼r(jià)值上是同質(zhì)的。如演示多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，需要很大的場(chǎng)地和快速運(yùn)動(dòng)的發(fā)聲體。若用細(xì)線系住一個(gè)發(fā)聲的蜂鳴器（或唱音樂(lè)的手機(jī)），線的另一頭系在長(zhǎng)竹竿的一端上。教師雙手握住竹竿的另一端，將蜂鳴器挑起懸在空中，并在學(xué)生頭頂?shù)纳峡諄?lái)回?cái)[動(dòng)，學(xué)生會(huì)清晰地聽(tīng)到會(huì)“變調(diào)”的蜂鳴器。

二、自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新樣態(tài)

為了更大地發(fā)揮自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的作用，基于國(guó)際科學(xué)教育的視角，“秉持‘整合’的理念”，即“需要整合科學(xué)知識(shí)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)實(shí)踐三種課程形態(tài)，使其相互偶合、同頻共振，發(fā)揮整體育人的功能[4]。因此，我們將學(xué)生自主學(xué)習(xí)知識(shí)、自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、自我操作演示等3個(gè)內(nèi)容有機(jī)融為一體，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)、實(shí)踐、交流為整體的一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式（簡(jiǎn)稱為“三自式物理教學(xué)”）。

（一）學(xué)生自主學(xué)習(xí)知識(shí)（簡(jiǎn)稱“自主”）

“學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中應(yīng)發(fā)揮主體作用，教師則退居為學(xué)生認(rèn)知過(guò)程中的組織者、指導(dǎo)者、輔助者。提高學(xué)生自身對(duì)于科學(xué)知識(shí)的理解與認(rèn)知才是科學(xué)教育的最終目的?！盵5]同時(shí)學(xué)生是具有好奇心、實(shí)踐和認(rèn)識(shí)能力的人，具有可貴的能動(dòng)性。教師用小、易、妙的實(shí)驗(yàn)為切入口，使學(xué)生感受實(shí)驗(yàn)的魅力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)制作、操作、展示來(lái)引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。以學(xué)生喜歡的實(shí)驗(yàn)為“誘餌”、以滿足動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)為手段、以獲得實(shí)驗(yàn)操作成功為目標(biāo)、以感受成就感為宗旨，喚醒和激勵(lì)學(xué)生的主體意識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的自我建構(gòu)與生成。因此，自主是基礎(chǔ)和前提。

（二）學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱“自創(chuàng)”）

自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)也稱為“自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”。“自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”能呈現(xiàn)知識(shí)的產(chǎn)生、發(fā)展、結(jié)果。在教師指導(dǎo)下學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，以理解的知識(shí)（概念、規(guī)律、事實(shí)）為出發(fā)點(diǎn)，依據(jù)相關(guān)的科學(xué)創(chuàng)新思維和以往自制實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)巧妙、取材方便、現(xiàn)象直觀的自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)（裝置），體現(xiàn)了科學(xué)教育的價(jià)值在于創(chuàng)新和發(fā)展。自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)旨在“用雙手創(chuàng)造智慧”的信念力和行動(dòng)力。因此，自創(chuàng)是關(guān)鍵和核心。

（三）學(xué)生自己操作演示（簡(jiǎn)稱“自演”）

“給學(xué)生充足的開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)的時(shí)間和空間，學(xué)生有充分的動(dòng)手實(shí)踐、動(dòng)腦思考、發(fā)問(wèn)質(zhì)疑、表述見(jiàn)解的機(jī)會(huì)。激發(fā)學(xué)生參與探究、實(shí)踐、合作與交流活動(dòng)的熱情與積極性。”[6]這是因?yàn)椤白匝荨钡倪^(guò)程是知識(shí)喚醒、體驗(yàn)、內(nèi)化的過(guò)程，有助于促進(jìn)整合知識(shí)、建構(gòu)知識(shí)體系。學(xué)生經(jīng)歷思維的比較、判斷、歸納等邏輯思維活動(dòng)，將學(xué)習(xí)的知識(shí)用自己的語(yǔ)言（文字）進(jìn)行表述是自演的基本點(diǎn)，而學(xué)生能把所學(xué)的知識(shí)用于新的情境（遷移）和解決新問(wèn)題（運(yùn)用）則是自演的根本點(diǎn)。旨在“通過(guò)操作來(lái)教育?！币虼耍匝菔菤w宿和提升。

因此，“自主”“自創(chuàng)”“自演”組成了自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新樣態(tài)，其中“自主”“自創(chuàng)”是在教師指導(dǎo)下，學(xué)生前期自主學(xué)習(xí)的個(gè)體經(jīng)歷和體驗(yàn)，是為了實(shí)現(xiàn)在課堂上的“自演”所做的充分準(zhǔn)備。而學(xué)生的“自演”是學(xué)生對(duì)自主、自創(chuàng)的檢驗(yàn)、總結(jié)、提升的過(guò)程，也是重新理順?biāo)季S、鞏固理解知識(shí)、內(nèi)化豐富認(rèn)知的過(guò)程。

學(xué)生只有自主，才能自由；只有自由，才能創(chuàng)新；只有創(chuàng)新，才有提升。自主、自創(chuàng)、自演，三者相互依存、支持、聯(lián)系，形成和諧的統(tǒng)一體。

三、自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的程序

“整合科學(xué)教育中的學(xué)科課程與活動(dòng)課程，實(shí)現(xiàn)以科學(xué)本質(zhì)為連接點(diǎn)，推動(dòng)科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐與態(tài)度責(zé)任等科學(xué)素養(yǎng)培育的橫向貫通”[7]是科學(xué)教育的關(guān)鍵之一。因此，教師結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容，依據(jù)課程目標(biāo)和學(xué)生的實(shí)際情況，選擇適合自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容。教師以自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的角度深度備課→預(yù)先布置自主學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和提綱→學(xué)生依據(jù)知識(shí)點(diǎn)的理解自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制作→根據(jù)課堂教學(xué)需要展示（演示）自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)→師生評(píng)價(jià)與交流達(dá)成共識(shí)→獲得結(jié)論并形成實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)?？梢?jiàn)，我們實(shí)施的總體思想和方法是：物理教學(xué)問(wèn)題→物理實(shí)驗(yàn)問(wèn)題→自主實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新→學(xué)生展示交流。其具體的過(guò)程和環(huán)節(jié)可總結(jié)為3個(gè)認(rèn)知階段8個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

（一）教師深入備課的階段

該階段包括2個(gè)環(huán)節(jié)。

（1）實(shí)驗(yàn)解讀

教師要挖掘承載知識(shí)的實(shí)驗(yàn)（裝置）中所隱含的科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)原理以及科學(xué)技術(shù)等內(nèi)容，從而獲得有科學(xué)價(jià)值的真實(shí)問(wèn)題，以促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)和實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。將學(xué)習(xí)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并尋求解決任務(wù)的具體實(shí)驗(yàn)方案或?qū)崿F(xiàn)的路徑方法。

（2）實(shí)驗(yàn)拆分

將1節(jié)課的實(shí)驗(yàn)任務(wù)拆分成適合學(xué)生完成的若干個(gè)知識(shí)點(diǎn)為中心的單一實(shí)驗(yàn)，且有明確的驅(qū)動(dòng)任務(wù)和“物化”的實(shí)踐成果。這將成為學(xué)生學(xué)習(xí)理解整體知識(shí)的起始點(diǎn)、支持點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)。

本學(xué)階段的主要任務(wù)是教師通過(guò)自己對(duì)教學(xué)內(nèi)容的“處理”，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供有課標(biāo)內(nèi)容要求引領(lǐng)的導(dǎo)學(xué)案，形成督促自覺(jué)學(xué)習(xí)，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)和內(nèi)容的一份導(dǎo)學(xué)案。導(dǎo)學(xué)案內(nèi)容包括基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)、實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的剖析、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、資料提供、網(wǎng)站索引、方法介紹等。

（二）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)任務(wù)的階段

該階段包括4個(gè)環(huán)節(jié)。

（1）自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)

學(xué)生依據(jù)教師擬定的導(dǎo)學(xué)案自主學(xué)習(xí)。自主學(xué)習(xí)是第一步，剛開(kāi)始學(xué)生會(huì)遇到一些困難，因此有很多學(xué)生是淺嘗輒止。為此，教師要采取“人生意義激勵(lì)，培養(yǎng)堅(jiān)韌；學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)，學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)；小步子前行，易體驗(yàn)成功”等幫助。

（2）自我實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)目標(biāo)層次中比較高的層次，因此有一定的難度。故教師要及時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生建立自信，并適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行科學(xué)創(chuàng)新方法的指導(dǎo)。如希望法、放大或縮小法、頭腦風(fēng)暴法等。學(xué)生可以采用模仿制作、簡(jiǎn)單替代、移植應(yīng)用、優(yōu)化改進(jìn)等策略。

（3）經(jīng)歷嘗試制作

實(shí)驗(yàn)裝置制作是學(xué)生自我突破的開(kāi)始，也是動(dòng)腦的開(kāi)始，更是動(dòng)手實(shí)踐“做中學(xué)”關(guān)鍵的一步，學(xué)生很難獨(dú)立完成。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)裝置的制作不僅伴著科學(xué)創(chuàng)新思維的支撐，還要求學(xué)生有動(dòng)手操作技能以及工具、材料的合理選擇和使用等等。因此，要采取學(xué)生自主、同學(xué)互助、教師指導(dǎo)等策略來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)。在制作的過(guò)程中，學(xué)生不僅有成功的喜悅、發(fā)現(xiàn)時(shí)刻的激動(dòng)，同時(shí)也有失敗的辛酸和無(wú)奈。這些經(jīng)歷和心理體驗(yàn)，能培養(yǎng)學(xué)生勝不傲、敗不餒的堅(jiān)忍不拔的科學(xué)精神。

（4）改進(jìn)完善自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)

學(xué)生在多次嘗試操作中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置有不足，或在老師的指導(dǎo)意見(jiàn)下進(jìn)行改進(jìn)，從而使自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)捷、現(xiàn)象更加明顯、操作更加方便、保證成功有效等。

本階段的主要任務(wù)是通過(guò)學(xué)生的努力（或教師的幫助），獲得一個(gè)承載知識(shí)、表征知識(shí)、體驗(yàn)知識(shí)的自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)。自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)除了實(shí)物的實(shí)驗(yàn)裝置外，還有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（理想實(shí)驗(yàn)）。如在一個(gè)透明的飲料瓶?jī)?nèi)充滿空氣，并擰緊瓶蓋獲得封閉無(wú)色的空氣。若飲料瓶子足夠結(jié)實(shí)，手力氣有足夠大時(shí)，當(dāng)你用力擠壓透明飲料瓶時(shí)，我們會(huì)觀察到飲料瓶中出現(xiàn)（液化的）淡藍(lán)色的液體。松手后，瓶?jī)?nèi)氣壓減小又恢復(fù)（汽化）成無(wú)色透明的空氣。

（三）嵌入教學(xué)實(shí)踐的階段

該階段包括2個(gè)環(huán)節(jié)。

（1）實(shí)驗(yàn)操作展示

不是簡(jiǎn)單的為了操作而操作，而是演示操作時(shí)學(xué)生要說(shuō)清實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒀b置的構(gòu)造、創(chuàng)新思路和靈感，引導(dǎo)觀察的部位和即將出現(xiàn)的現(xiàn)象以及通過(guò)分析、討論、歸納得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。為了提高操作演示的趣味性，可采取興趣游戲式、體驗(yàn)感受式、創(chuàng)新表演式、神秘魔術(shù)式等靈活的形式。如講輪軸時(shí)，一個(gè)錐形的長(zhǎng)木棒，讓一個(gè)女生握住粗頭，讓一個(gè)高大男生握住細(xì)頭。通過(guò)誰(shuí)控制不住長(zhǎng)木棒不旋轉(zhuǎn)來(lái)表演力氣大小（表演的結(jié)果是男生輸了）。講摩擦力時(shí)，同樣的錐形的長(zhǎng)木棒，基于上次的經(jīng)驗(yàn)，男生要求用粗端，女生用細(xì)端。表演的結(jié)果男生還是輸了，因?yàn)槔蠋熓孪仍诖侄送磕藵?rùn)滑油。

（2）實(shí)驗(yàn)交流評(píng)價(jià)

學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理、應(yīng)用的方法、呈現(xiàn)的現(xiàn)象以及歸納的結(jié)論等內(nèi)容，大膽地發(fā)表自己的見(jiàn)解和質(zhì)疑，提出實(shí)驗(yàn)的不足和優(yōu)點(diǎn)，并提出自己獨(dú)特的想法或設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)“科學(xué)教育的最大特點(diǎn)，使心智直接與事實(shí)聯(lián)系，并且以最完善的歸納方法訓(xùn)練心智?！痹谟懻撝械呐小①|(zhì)疑、創(chuàng)新、認(rèn)同的心路歷程，會(huì)影響學(xué)生的內(nèi)心世界，也會(huì)逐漸內(nèi)化形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、批判質(zhì)疑、合作友誼、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、戰(zhàn)勝困難等必備的科學(xué)品格。

本階段的主要任務(wù)是學(xué)生的操作演示講解過(guò)程，應(yīng)該遵循問(wèn)題與預(yù)測(cè)、操作與觀察、解釋與評(píng)價(jià)等步驟進(jìn)行。在這個(gè)過(guò)程中會(huì)使學(xué)生之間在思維上相互碰撞、在認(rèn)識(shí)上相互促進(jìn)、在情感上相互理解，生成新的創(chuàng)新。最后在師生共同探討下達(dá)成共識(shí)的概念、規(guī)律或結(jié)論。

四、自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的主題式教學(xué)模式

教師根據(jù)不同的課型和教學(xué)過(guò)程需要，將自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)隨時(shí)可以“嵌入”到各種教學(xué)方式、教學(xué)方法、教學(xué)過(guò)程中。可將自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)恰當(dāng)?shù)仃P(guān)聯(lián)在課堂教學(xué)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)生成情感、建構(gòu)意義、理解知識(shí)、發(fā)展能力。其中自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的主題式教學(xué)模式，是師生基于本節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出為主題服務(wù)的系列化的自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生經(jīng)歷必要的、基本的、典型的實(shí)踐活動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，從而完成教學(xué)任務(wù)。

案例1：液體壓強(qiáng)的教學(xué)片段[8]。感受水的壓力和壓強(qiáng)是真實(shí)存在：在塑料袋里盛裝一定量水，用手提起，再用另一只手的手掌或手指擠壓盛水的塑料袋，手能夠感受到壓迫感；或讓學(xué)生佩戴一次性手套，并將佩戴手套的手放入水中（避免水進(jìn)入手套），手會(huì)感受到被水?dāng)D壓的感覺(jué)。為了說(shuō)明液體內(nèi)部有壓強(qiáng)，將兩個(gè)充有氣體的氣球通過(guò)一個(gè)細(xì)管連接起來(lái)，形成一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。將該裝置的一個(gè)氣球放入水中，另一個(gè)氣球的體積會(huì)變大。演示液體壓強(qiáng)與液體密度、深度的規(guī)律，可利用如圖1所示的自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)裝置，方便直觀地探討液體壓強(qiáng)與液體密度、深度的關(guān)系。更有價(jià)值的是，該實(shí)驗(yàn)裝置在學(xué)生實(shí)踐體驗(yàn)下為學(xué)生提供“直液柱模型”的表象。這樣建構(gòu)的“直液柱模型”才會(huì)生動(dòng)而具體，學(xué)生才會(huì)對(duì)科學(xué)知識(shí)有真切的感受和體驗(yàn)，為推導(dǎo)液體壓強(qiáng)公式時(shí)提供必要的經(jīng)驗(yàn)，從而具體突破了教學(xué)難點(diǎn)。以這種方式來(lái)建構(gòu)模型正是科學(xué)思維形成的關(guān)鍵，也是物理學(xué)的核心學(xué)科特色。

案例2：流體壓強(qiáng)與流速規(guī)律的教學(xué)片段[9]。為了引發(fā)興趣，啟動(dòng)思維，產(chǎn)生問(wèn)題，用一個(gè)軟塑料管子（可用洗衣機(jī)排水約1. 2m長(zhǎng)的軟管），將軟塑料管豎起來(lái)，左手握住軟塑料管的下端，右手握住軟管的中部。右手施力帶動(dòng)軟管上部做圓周旋轉(zhuǎn)，同時(shí)左手將軟管的另一端放入盛有紙屑（或慶典時(shí)用的五彩紙屑）的容器中。這時(shí)學(xué)生會(huì)觀察到紙屑從軟管的上端口噴射出去，看似“天女散花”非常美麗壯觀。我們自創(chuàng)了“雙頭壓強(qiáng)計(jì)”如圖2所示，能直接比較出不同位置的壓強(qiáng)大小，所以能直觀地顯示出流速快的地方壓強(qiáng)小。在機(jī)翼上下表面上各安裝上一個(gè)葉片輪（也可用電腦CPU上的小風(fēng)扇），通過(guò)葉片轉(zhuǎn)速快慢，用來(lái)顯示機(jī)翼上下表面風(fēng)速不同。通過(guò)以上這樣的科學(xué)探究、證據(jù)推理，能直觀地說(shuō)明機(jī)翼上方流速快卻壓強(qiáng)小。這樣的事實(shí)教學(xué)，使學(xué)生在認(rèn)知過(guò)程中符合了科學(xué)推理的認(rèn)知邏輯，實(shí)現(xiàn)了以事實(shí)為基礎(chǔ)的科學(xué)實(shí)證價(jià)值，更實(shí)現(xiàn)了“像科學(xué)家一樣的思考”“像工程師一樣實(shí)踐”。

通過(guò)以上多個(gè)類似的課堂教學(xué)，我們總結(jié)歸納了自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種教學(xué)模式：“感·知·用”三階段五環(huán)節(jié)教學(xué)。

（一）第一階段：感

（1）創(chuàng)設(shè)自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)情境，引出問(wèn)題

所有學(xué)習(xí)都是基于“情境性”的，因此真正的問(wèn)題是受情境引發(fā)而啟動(dòng)思維的。由于實(shí)驗(yàn)具有現(xiàn)象美妙、承載知識(shí)、充滿智慧等特征，能促進(jìn)學(xué)生思維達(dá)到最佳狀態(tài)，比抽象的語(yǔ)言描述更有利于引起問(wèn)題的觀察和發(fā)現(xiàn)。該環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)要符合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象奇異、趣味性強(qiáng)，引發(fā)學(xué)生的思考。

（2）設(shè)計(jì)自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)直觀表象

可以肯定地說(shuō)，沒(méi)有物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的支持，就不會(huì)有清晰的表象貯存在大腦里，也就不會(huì)建立與認(rèn)知聯(lián)結(jié)的物理概念?？梢?jiàn)，學(xué)生依據(jù)豐富的實(shí)驗(yàn)表象，才能得出正確的結(jié)論和規(guī)律，也是實(shí)現(xiàn)感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)飛躍的基礎(chǔ)。該環(huán)節(jié)的自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要符合結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單、直觀強(qiáng)的特點(diǎn)，有助形成直觀的實(shí)驗(yàn)表象，為邏輯思維形成規(guī)律或概念奠定基礎(chǔ)。

（二）第二階段：知

（1）分析歸納形成邏輯的理性認(rèn)識(shí)

通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象形成的實(shí)驗(yàn)表象或?qū)嶒?yàn)操作經(jīng)歷的內(nèi)心體驗(yàn)以及感悟內(nèi)化的經(jīng)驗(yàn)，要運(yùn)用邏輯思維和科學(xué)方法進(jìn)行分析歸納才能同化在已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，從而形成科學(xué)的概念或結(jié)論。該環(huán)節(jié)的自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要符合同一主題的系列遞進(jìn)的自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，采用不同的實(shí)驗(yàn)表象揭示共同的屬性，有助于科學(xué)知識(shí)本質(zhì)的理解，從而獲得知識(shí)規(guī)律和概念以及科學(xué)觀的形成。

（2）自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證規(guī)律固鞏升華

概念或規(guī)律的初步形成，需要進(jìn)一步適當(dāng)?shù)挠?xùn)練才能逐步理解、鞏固和提升。該環(huán)節(jié)的自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要符合變式的自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)提供的不同認(rèn)知情境，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)、過(guò)程、方法等的認(rèn)知，豐富認(rèn)知結(jié)構(gòu)、形成經(jīng)驗(yàn)。有助于學(xué)生遇到相關(guān)的問(wèn)題時(shí)，從認(rèn)知結(jié)構(gòu)中方便提取、對(duì)比和應(yīng)用認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，用科學(xué)的思維方式和實(shí)踐經(jīng)歷來(lái)解決。

（三）第三階段：用

應(yīng)用獲得的知識(shí)和技能解決相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題，這是自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第五個(gè)環(huán)節(jié)。學(xué)生用掌握的初步“知”去解決問(wèn)題，小試牛刀，及時(shí)嘗試、修正已有的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，從而達(dá)到知識(shí)初步的熟識(shí)和熟練。最終實(shí)現(xiàn)以運(yùn)用知識(shí)的能力和統(tǒng)領(lǐng)知識(shí)的智慧，誘導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。該環(huán)節(jié)的自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)要符合從學(xué)生熟悉的生產(chǎn)或生活中，提供承載方法、技術(shù)、工具的自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)。

從實(shí)驗(yàn)哲學(xué)的角度理解自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，我們毫不夸張地說(shuō)：“自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)是有自己生命的！” [10]其體現(xiàn)在自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)?zāi)茇S富課程資源、拓展和延伸實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、提高實(shí)驗(yàn)操作技能、經(jīng)歷體驗(yàn)感悟等獨(dú)特的功能上。結(jié)合當(dāng)前提倡的“科學(xué)教育加法”，自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)親歷實(shí)踐的“做中學(xué)”，有“物化”結(jié)果的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，開(kāi)放的工程技術(shù)問(wèn)題以及跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)等。這種綜合視角的科學(xué)教育，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，也會(huì)使學(xué)生未來(lái)走在科學(xué)的道路上，追尋科學(xué)的光芒，創(chuàng)造更加美好的未來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]賴小林，丁振源.“做中學(xué)”：作為兒童科學(xué)教育的一種形式[J].教育研究，2005（6）：89-93.

[2] [10]王愛(ài)生，包萬(wàn)鳳.自主·自創(chuàng)·自演：指向核心素養(yǎng)教學(xué)的一種路徑——三自式物理教學(xué)研究[J].教學(xué)研究，2022，45（4）：78-85.

[3]王愛(ài)生，楊文強(qiáng).對(duì)比式液體電阻演示器[J].物理實(shí)驗(yàn)，2008（3）：12-18.

[4]張文超.中小學(xué)科學(xué)教育一體化實(shí)施的現(xiàn)實(shí)困境與突破路徑[J].教師教育學(xué)報(bào)，2023，10（6）：47-55.

[5]韓澤宇，王較過(guò)，魏冰.“物理觀念”及其教學(xué)芻議——基于國(guó)際科學(xué)教育的視角[J].物理教學(xué)， 2022，44（3）：9-12.

[6]關(guān)松林.發(fā)達(dá)國(guó)家中小學(xué)科學(xué)教育的經(jīng)驗(yàn)與啟示[J].教育研究，2016，37（12）：140-146+154.

[7]王云生.加強(qiáng)中小學(xué)科學(xué)教育提升青少年科學(xué)素養(yǎng)[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2023（9）：4-6.

[8]王愛(ài)生，管維三.液體壓強(qiáng)的教學(xué)研究[J].物理實(shí)驗(yàn)，2022，42（4）：51-56.

[9]王愛(ài)生，陳圣宇.初中物理“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與實(shí)施[ J].教學(xué)與管理，2023（19）：52-56.

（責(zé)任編輯：加順花）