在高中物理课程中,科学探究既是学生的学习目标,又是一种重要的教学方式.作为目标,科学探究是一种精心设计的,为培养学生的科学探究能力服务的教学活动.作为一种教学方式,要求学生经历与科学家进行科学探究相似的过程,深入理解、掌握物理学的知识与技能,体验科学探究的乐趣,学习科学家的科学探究方法,领悟科学的思想和精神. 科学探究是普通高中物理课程改革的一个核心问题.高中物理课程验证性实验与探究性实验有什么区别?学生的科学探究能力怎样考查与评价呢? 高中物理课程 重视科学探究源于现代社会科学与技术迅速发展的背景下,人们对物理学以及物理教育的重新认识.过去,人们通常认为物理学主要是有关自然的现象、概念以及规律等构成的知识体系.正是在这样的认识下,基础教育建立了以传授知识、强调运用知识解决实际问题的物理课程体系.随着科学技术的发展,人们认识到,物理科学不但是一个知识体系,更重要的是人类认识世界的过程.如果将人们对自然的探究以及通过探究发现的现象、规律以及建立的概念和理论视为一种社会生产活动,物理知识只是这一过程的一个“产品”.显然,物理科学作为培养未来公民科学素养的一个核心课程,仅仅重视知识的传授是不够的,更重要的是应该培养学生“生产”这些“产品”的能力,即科学探究能力. 在高中物理课程中,科学探究既是学生的学习目标,又是一种重要的教学方式.作为目标,基础教育阶段的科学探究是一种精心设计的,为培养学生的科学探究能力服务的教学活动.作为一种重要的教学方式,要求学生经历与科学家进行科学探究相似的过程,深入理解、掌握物理学的知识与技能,体验科学探究的乐趣,学习科学家的科学探究方法,领悟科学的思想和精神. 验证性实验与探究性实验有什么不同? 传统的物理课程通常通过验证性实验促进学生对物理学的理解,培养学生的物理实验能力.现在,高中物理新课程强调培养学生科学探究及物理实验的能力,强调通过探究性教学促进学生对物理学的理解.验证性实验与探究性实验作为两种不同的教学模式,主要有以下几点不同. 验证性实验是一种步骤驱使的教学活动,探究性实验是一种问题驱使的教学活动.通常,验证性实验的实验器材、实验方案通常由教科书、实验手册或教师给定、提供,在实验过程中,学生按事先制定的步骤进行实验,收集数据.学生在实验过程中“按部就班”地操作,其智力活动水平相对不高.从教学设计的角度看,验证性实验更强调行为与规则的统一.而探究性实验需要学生自己设计并进行实验,寻求答案、发现规律.例如,探究怎样使水“火箭”飞得更高或更远,学生将会面临变量的选择,变量的控制以及设计、制作或选定实验器材等诸多问题.不同的变量对应着不同的实验方案,也对应着不同的问题解决技巧.学生智力活动的水平相对较高,更强调独立的思考与行为. 验证性实验以检验已知概念或关系为主要目标,探究性实验以发现新概念或关系为重点.在验证性实验中,学生活动的中心是验证教学中已经讲述过的概念、关系或规律,例如验证牛顿第二定律.实验的结果是已知的,实验的目的是通过具体实验,促进学生进一步理解这一比较抽象的物理规律.从活动过程学生的思维特征看,验证性实验更多地体现出从抽象到具体的思维过程.在探究性实验中,学生活动中心探究未知的问题,并从中发现新的概念、关系或规律.例如,探究“火箭”装水的多少与飞行高度的关系,学生需要通过具体的实验结果,得出装多少水“火箭”能飞得最高的结论或总结出“火箭”装水的多少与飞行高度的关系.在探究性活动过程中,学生的思维更多地体现出从具体到抽象的过程. 验证性实验有助于促进学生掌握陈述性知识,探究性实验有助于促进学生掌握程序性知识.在验证性实验中,实验目的通常是促进学生对科学概念、规律这样的程序性知识的掌握与理解.与验证性实验不同,探究性实验学生则需要自己识别、区别、控制与探究问题有关的变量,并制订实验方案、选择实验器材、收集实验数据,并通过分析与论证得出结论.在这里,结论的正确与否更多地依赖于实验的过程与方法是否正确、可靠,而不是来自于书本知识.因此,探究性实验更能发展学生怎样做实验这样的程序性知识. 验证性实验的结论具有较大的确定性,探究性实验的结论具有较大的不确定性.验证性实验从实验原理到设计,从变量的选择到控制,从器材的制作到选择等都经过教材的编写者、实验器材的开发者以及教师等人员的精心设计、制作与准备,以确保学生的实验结果与所需验证的规律达到较好的一致性.验证性实验通常很少让学生面对并处理错误的、不确定的问题和概念.探究性实验则不同,探究的过程本身就是一个面临不确定结果的探索过程,也许探究活动的开始环节,如学生的猜想与假设,就决定实验不可能得到预期的结果.因此,探究性实验允许学生从错误和失败中学习,甚至将问题或错误视为一种有意义的教学资源,培养学生对科学的深入理解. 科学探究怎样评价? 从近几年我国义务教育课程的改革实践以及国外部分国家和地区在科学探究能力的考查与评价方面所做的工作来看,科学探究与物理实验能力的考查与评价呈现如下特点： 探究问题大多为生活常见的物理问题情景.如取材于学生生活中常见的斯诺克台球,就球桌桌边高度与台球反弹能量损失多少建立物理问题情景,探究球正常撞击桌边时,球与桌边接触点的高度对球的能量损失的影响.从而为设计斯诺克台球桌边高度,使得当球撞击桌边时,球的动能损失最小建立依据. 利用简单、易行的实验器材作为考查与评价学生科学探究与物理实验能力的工具.如探究小球在凹型球面振动周期问题,使用的器材为一小钢球、一凹型表盖玻璃面和一只停表.探究弹簧振动过程中的能量转化与守恒问题,使用的主要器材为一小弹簧、一有底座的带刻度尺的木棍. 精心设计实验与探究过程.配备一定数量的备用器材；制订严格的考试流程,如考试采取轮转式实验的方式进行,要为考生轮换实验留下相应的时间；学生遇到问题导致实验中途不能进行,监考人员可以给予必要的帮助,使实验能继续进行下去,以便能继续考查考生的其他实验与探究技能,但所提供帮助必须记录在案,而在实验的数据处理和分析环节则不能提供任何帮助. 注重问题之间的内在逻辑联系.实验与探究能力的考查,通常都采用开放——建构型问题.在一个共同的大背景下,按一定的逻辑关系设置若干个小问题要求解答,是一种典型的题型,也是考查考生收集信息,设计实验,运用科学概念和规律分析问题、进行交流,评估实验过程和实验结果等科学探究能力常用的一种方法.试题通常以一个物理问题为起点,通过一个个有待解答的物理问题构成的问题串,形成一个既有一定的限定,又有一定开放性的物理问题情景,以便考生能比较充分地展示收集信息、设计实验、评估实验过程和实验结果等科学探究能力. 重视在过程性评价中考查学生的科学探究能力.部分国家和地区已将对学生平时在学校开展科学探究活动的考查与评价成绩纳入毕业考试成绩之中,成为学生获得毕业文凭以及升学与就业的重要参考.(作者为西南师范大学物理学院副教授,教育部物理课程标准组核心成员.)
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