高中物理教材實(shí)驗(yàn)探究水平分析與教學(xué)啟示

摘" "要：科學(xué)探究能力的培養(yǎng)日益受到重視，教材實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)探究能力的重要資源。依據(jù)施瓦布等的研究框架對(duì)人教版高中物理教材中的實(shí)驗(yàn)欄目進(jìn)行分析，將教材中的實(shí)驗(yàn)分為五個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，并分別分析其探究水平，得到結(jié)論：學(xué)生實(shí)驗(yàn)以引導(dǎo)探究水平為主，演示實(shí)驗(yàn)以限定探究水平為主，做一做實(shí)驗(yàn)以引導(dǎo)探究水平為主，且整體探究水平更高。建議進(jìn)一步認(rèn)識(shí)不同實(shí)驗(yàn)欄目的探究水平，充分發(fā)揮不同實(shí)驗(yàn)的作用，并依據(jù)學(xué)情設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：高中物理；教材實(shí)驗(yàn)；探究水平；教學(xué)啟示

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " 文章編號(hào)：1003-6148（2025）1-0012-5

實(shí)驗(yàn)與探究奠定了物理學(xué)的實(shí)證基礎(chǔ)，也是當(dāng)代物理教育教學(xué)的核心實(shí)踐活動(dòng)［1］。物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科，物理實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)在中學(xué)物理教育中占據(jù)重要地位，既是物理學(xué)習(xí)不可或缺的基礎(chǔ)，也是物理教學(xué)的關(guān)鍵內(nèi)容、方法及手段。從新世紀(jì)伊始，科學(xué)探究能力就普遍受到世界各國(guó)的重視，全球多個(gè)國(guó)家將科學(xué)探究寫(xiě)入課程標(biāo)準(zhǔn)，并將實(shí)驗(yàn)探究作為科學(xué)探究的核心要素?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“物理課標(biāo)”）也將科學(xué)探究列為物理學(xué)科的四個(gè)核心素養(yǎng)之一，并明確指出“在高中物理課程中，應(yīng)注重科學(xué)探究，尤其應(yīng)注重物理實(shí)驗(yàn)，這在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度等方面具有重要地位。”［2］教材作為課程標(biāo)準(zhǔn)的具體化、課程內(nèi)容的主要載體、進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的基本媒介，教材中的實(shí)驗(yàn)欄目具有重要的參考價(jià)值。因此，本研究通過(guò)文本分析法對(duì)2019年版人教版高中物理教材中實(shí)驗(yàn)欄目的探究水平進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)欄目的探究重點(diǎn)，并對(duì)教材相關(guān)實(shí)驗(yàn)欄目的應(yīng)用提出建議。

1" " 研究框架

物理課標(biāo)指出，“科學(xué)探究”是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋?zhuān)约皩?duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力，主要包括問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流等要素［2］。

探究水平指的是科學(xué)探究的開(kāi)放性水平。施瓦布（Schwab）依據(jù)探究的三個(gè)階段“提出問(wèn)題—設(shè)計(jì)方案—得出結(jié)論”，將科學(xué)探究劃分為限定探究水平、引導(dǎo)探究水平與自主探究水平三個(gè)水平，分別代表僅得出結(jié)論階段向?qū)W生開(kāi)放、設(shè)計(jì)方案和得出結(jié)論階段向?qū)W生開(kāi)放、所有探究的三階段均向?qū)W生開(kāi)放［3］。赫倫（Herron）在施瓦布體系的基礎(chǔ)上加入水平0，即三階段均直接給出［4］。施瓦布等人的探究水平體系針對(duì)不同探究水平具有明顯的區(qū)分，但缺少對(duì)實(shí)驗(yàn)不同環(huán)節(jié)探究水平更細(xì)致的研究。張新宇等人基于教師與學(xué)生在探究活動(dòng)中的互動(dòng)角色與地位，對(duì)前人的探究水平體系進(jìn)行了優(yōu)化，并不建構(gòu)整體性探究水平，而是將整個(gè)探究活動(dòng)劃分為了“目的確定、方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)施、結(jié)論形成、反思交流”五個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)又包含“缺失、限定、引導(dǎo)、自主”四個(gè)水平，從而建構(gòu)出一個(gè)“五階段、四層次”的分析架構(gòu)［5］。

本研究參照物理課標(biāo)對(duì)科學(xué)探究的定義和施瓦布等的研究框架，建構(gòu)得到物理實(shí)驗(yàn)探究水平的分析框架，如表1所示。

2" " 研究?jī)?nèi)容

本研究選擇人教版高中物理教材中的實(shí)驗(yàn)欄目作為研究樣本，統(tǒng)計(jì)得出教材實(shí)驗(yàn)欄目共102個(gè)，分別有包括21個(gè)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)欄目34個(gè)，演示實(shí)驗(yàn)欄目37個(gè)，做一做實(shí)驗(yàn)欄目31個(gè)，并對(duì)不同實(shí)驗(yàn)欄目的實(shí)驗(yàn)分別使用上述研究框架進(jìn)行分析。在分析教材實(shí)驗(yàn)欄目的探究水平時(shí)，為了體現(xiàn)分析完整性，除了明確的實(shí)驗(yàn)欄目?jī)?nèi)容外，也將欄目前后的相關(guān)正文及其他與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的問(wèn)題等作為研究對(duì)象。

以必修第一冊(cè)第二章“實(shí)驗(yàn)：探究小車(chē)速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”一節(jié)為例，實(shí)驗(yàn)欄目中的“這一節(jié)我們研究小車(chē)在重物牽引下的運(yùn)動(dòng)，看看小車(chē)的速度是怎樣隨時(shí)間變化的”明確提出了實(shí)驗(yàn)的目的，因此在環(huán)節(jié)1此實(shí)驗(yàn)處于水平1；教材通過(guò)“如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”“需要測(cè)量哪些物理量”“選用什么器材”等問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，之后給出了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，因此在環(huán)節(jié)2此實(shí)驗(yàn)處于水平2；教材給出了思路與表格，由學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)象觀察并記錄數(shù)據(jù)，因此在環(huán)節(jié)3此實(shí)驗(yàn)處于水平2；教材通過(guò)“你能否從表格中的數(shù)據(jù)看出小車(chē)隨時(shí)間變化的定量關(guān)系”以及“可以考慮用v-t圖像分析速度v與時(shí)間t的定量關(guān)系……如何根據(jù)描出的點(diǎn)找出速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”等問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生處理數(shù)據(jù)并得出結(jié)論，因此在環(huán)節(jié)4此實(shí)驗(yàn)處于水平2；教材沒(méi)有反思、交流的相關(guān)內(nèi)容，因此環(huán)節(jié)5處于水平0。分析實(shí)例如表2所示。

3" " 研究結(jié)果

研究框架建構(gòu)完成后，分別對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)、做一做實(shí)驗(yàn)使用研究框架進(jìn)行分析，最終得到不同實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果。

3.1" " 學(xué)生實(shí)驗(yàn)的探究水平分析

本研究根據(jù)分析框架將每個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)分為五個(gè)環(huán)節(jié)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的探究水平進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，現(xiàn)行人教版物理教材的學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究水平，有0.6%在水平0，31.8%在水平1，64.1%在水平2，3.5%在水平3，總體上以水平2為主。其中，環(huán)節(jié)1的探究水平以水平1為主，環(huán)節(jié)2、3、4、5的探究水平以水平2為主。由此可見(jiàn)，大部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)欄目都直接給出了實(shí)驗(yàn)的研究目的，其余的給出了線索引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題并確定目的；小部分實(shí)驗(yàn)直接給出了實(shí)驗(yàn)的方案，大部分實(shí)驗(yàn)通過(guò)問(wèn)題等方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方案設(shè)計(jì)；絕大部分實(shí)驗(yàn)要求教師引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，個(gè)別由教師進(jìn)行演示；個(gè)別實(shí)驗(yàn)直接給出了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，絕大部分實(shí)驗(yàn)只給出了數(shù)據(jù)處理方式與分析思路等，需要學(xué)生根據(jù)要求與公式處理數(shù)據(jù)得出結(jié)論；交流、反思環(huán)節(jié)呈現(xiàn)的方式以教師直接引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思為主，小部分直接給出實(shí)驗(yàn)反思，個(gè)別實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生自主進(jìn)行反思、交流活動(dòng)。通過(guò)本研究的數(shù)據(jù)可以看出，學(xué)生實(shí)驗(yàn)整體探究水平中等，主要以教師引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)為主。

3.2" " 演示實(shí)驗(yàn)的探究水平分析

本研究根據(jù)分析框架將每個(gè)演示實(shí)驗(yàn)分為五個(gè)環(huán)節(jié)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的探究水平進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，現(xiàn)行人教版物理教材的演示實(shí)驗(yàn)探究水平，有0.6%在水平0，68.6%在水平1，30.8%在水平2，無(wú)水平3，總體上以水平1為主。其中，環(huán)節(jié)1、2、3、5的探究水平皆是以水平1為主，僅有環(huán)節(jié)4以水平2為主。由此可見(jiàn)，大部分演示實(shí)驗(yàn)直接給出了實(shí)驗(yàn)的研究目的，其余的給出了線索引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題并確定目的；大部分實(shí)驗(yàn)直接給出了實(shí)驗(yàn)的方案，小部分實(shí)驗(yàn)通過(guò)問(wèn)題等方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方案設(shè)計(jì)；所有演示實(shí)驗(yàn)皆要求教師通過(guò)演示引導(dǎo)學(xué)生對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行思考；小部分實(shí)驗(yàn)直接給出了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，絕大部分實(shí)驗(yàn)只給出了數(shù)據(jù)處理方式與分析思路等，要求學(xué)生根據(jù)要求與公式處理數(shù)據(jù)得出結(jié)論；交流、反思環(huán)節(jié)呈現(xiàn)的方式以直接給出反思為主。通過(guò)本研究的數(shù)據(jù)可以看出，演示實(shí)驗(yàn)整體探究水平較低，主要以教師演示、學(xué)生觀看為主。

3.3" " 做一做實(shí)驗(yàn)的探究水平分析結(jié)果

本研究根據(jù)分析框架將每個(gè)做一做實(shí)驗(yàn)分為五個(gè)環(huán)節(jié)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的探究水平進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表5所示。

由表5可以看出，現(xiàn)行人教版物理教材的做一做實(shí)驗(yàn)探究水平，有10.3%在水平0，37.4%在水平1，42.0%在水平2，10.3%在水平3，總體上以水平2為主。其中，環(huán)節(jié)1、2的探究水平皆是以水平1為主，環(huán)節(jié)3、4以水平2為主，環(huán)節(jié)5以水平0為主。由此可見(jiàn)，大部分做一做實(shí)驗(yàn)直接給出了實(shí)驗(yàn)的研究目的，其余的給出線索引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題并確定目的；大部分實(shí)驗(yàn)直接給出了實(shí)驗(yàn)的方案，小部分實(shí)驗(yàn)通過(guò)問(wèn)題等方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，個(gè)別要求學(xué)生自主設(shè)計(jì)方案；絕大部分做一做實(shí)驗(yàn)要求教師向?qū)W生提供思路后由學(xué)生進(jìn)行操作，小部分完全由學(xué)生自主進(jìn)行探究，個(gè)別給出了完整方案；小部分實(shí)驗(yàn)直接給出了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，絕大部分實(shí)驗(yàn)只給出了分析思路等，要求學(xué)生根據(jù)思路結(jié)合探究結(jié)果得出結(jié)論；交流、反思環(huán)節(jié)缺失較多，其余實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)方式以直接給出反思為主。通過(guò)本研究的數(shù)據(jù)可以看出，做一做實(shí)驗(yàn)整體探究水平較高，學(xué)生自主操作的比例較大，但同時(shí)對(duì)于反思、交流的重視程度較低。

4" " 對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的啟示

4.1" " 正確認(rèn)識(shí)不同實(shí)驗(yàn)的探究水平，充分發(fā)揮不同實(shí)驗(yàn)的作用

綜合本研究的研究結(jié)果來(lái)看，演示實(shí)驗(yàn)欄目的探究水平較低，進(jìn)行教學(xué)的重點(diǎn)在于教師引導(dǎo)與演示，培養(yǎng)學(xué)生觀察與信息提取等能力。因此，教師在使用教材中的演示實(shí)驗(yàn)時(shí)需揚(yáng)長(zhǎng)避短，在注重演示操作的同時(shí)，重視對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)，把握學(xué)生的前概念，通過(guò)讓學(xué)生“看見(jiàn)”吸引學(xué)生的注意，并引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的原因，著重培養(yǎng)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與提取重要信息等能力。

必做實(shí)驗(yàn)欄目和其他實(shí)驗(yàn)欄目的探究水平適中，教學(xué)的重點(diǎn)在于給予學(xué)生完整的探究體驗(yàn)過(guò)程，學(xué)會(huì)提出猜想、設(shè)計(jì)方案、尋找證據(jù)、作出合理解釋并相互交流、論證與反思等，全面提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。因此，教師在進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，目標(biāo)應(yīng)指向?qū)W生核心素養(yǎng)發(fā)展，逐一落實(shí)物理課標(biāo)的要求，給予學(xué)生完整的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生借助現(xiàn)有認(rèn)知結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究獲得經(jīng)驗(yàn)建構(gòu)知識(shí)等能力，圍繞問(wèn)題提出、方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)施、數(shù)據(jù)分析及交流、反思等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)培養(yǎng)科學(xué)探究能力，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與物理學(xué)科能力的發(fā)展。

做一做實(shí)驗(yàn)欄目的探究水平較高，教師在使用時(shí)重點(diǎn)在于鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)探究，以培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的綜合應(yīng)用、遷移創(chuàng)新等能力；其他實(shí)驗(yàn)欄目根據(jù)教學(xué)需要，突出不同的探究要素作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充。因此，教師在使用教材中的做一做實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)發(fā)揮其生活性、開(kāi)放性和創(chuàng)新性的特點(diǎn)，激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)探究，在進(jìn)行思考與分析的同時(shí)積極動(dòng)手實(shí)踐，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)綜合應(yīng)用、遷移創(chuàng)新等能力。

4.2" " 依據(jù)學(xué)情設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

教師有必要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯W(xué)生情況，將靜態(tài)的教材實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，不必完全依照教材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，也不必過(guò)分強(qiáng)調(diào)探究的高水平，而是在充分了解學(xué)生學(xué)情的基礎(chǔ)上綜合考慮實(shí)驗(yàn)類(lèi)型、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、學(xué)生特點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，做到基于教材又高于教材?？茖W(xué)探究活動(dòng)的整個(gè)過(guò)程包含多個(gè)環(huán)節(jié)，但在教材的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中，并非每個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行了呈現(xiàn)，同時(shí)在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中，由于設(shè)備限制和教學(xué)安排等因素的影響，教師有時(shí)不能帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行完整的科學(xué)探究活動(dòng)，所以教師在帶領(lǐng)學(xué)生開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)時(shí)，要根據(jù)教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)環(huán)（下轉(zhuǎn)第20頁(yè)）（上接第15頁(yè)）境進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，通過(guò)多種技術(shù)手段盡量讓學(xué)生體驗(yàn)完整的探究活動(dòng)。例如，在進(jìn)行“自由落體運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)時(shí)，教師首先通過(guò)教材中鐵片與羽毛同時(shí)下落的演示實(shí)驗(yàn)展示生活中常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，并提出亞里士多德的猜想：物體越重下落越快。之后，讓學(xué)生思考亞里士多德的猜想是否正確，再展示伽利略的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生思考背后的原因。最后，演示牛頓管實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證他們的猜想，并由此引出主題——自由落體運(yùn)動(dòng)。此演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程由學(xué)生的生活常識(shí)引入，并引導(dǎo)學(xué)生對(duì)常識(shí)與前人結(jié)論提出質(zhì)疑，既引發(fā)了學(xué)生的好奇心，又培養(yǎng)了學(xué)生的質(zhì)疑精神。接下來(lái)，帶領(lǐng)學(xué)生探究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律時(shí)，教師根據(jù)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)與探究能力基礎(chǔ)對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，在教材探究水平的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)亟档突蛱岣?，如?duì)于基礎(chǔ)差的班級(jí)可以直接給出自由落體運(yùn)動(dòng)方案，對(duì)于基礎(chǔ)好的班級(jí)可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，從而做到在兼顧學(xué)生水平的同時(shí)充分發(fā)揮出教材的作用。最后，留下課后作業(yè)，讓學(xué)生使用智能手機(jī)按照課本上的方案測(cè)量自由落體加速度，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的遷移與應(yīng)用。

綜上所述，對(duì)教材實(shí)驗(yàn)探究水平的研究有助于我們更清晰地認(rèn)識(shí)教材，從而更好地利用教材、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。

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（欄目編輯" " 趙保鋼）