何伟康，李德安

华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006

21世纪以来，世界各国普遍将科学探究能力作为重要的培养目标写入课程文件。在对全球38份课程文件进行比较分析发现，绝大多数课程文件将实验探究作为核心探究活动，我国的课程标准与这种情况一致。教材作为课程内容的主要载体和教学最基本的媒介，教材实验的内容选择和呈现方式对课程标准的落实具有重要影响。因此，本文以2019年人教版高中物理必修部分教材为例，对教材实验的科学探究要素呈现及探究水平进行统计分析，以期为一线教师合理使用教材开展实验课程提供参考。

1 研究设计

1.1 研究对象

本文的研究对象是2019年人教版必修部分的三本教材中正文部分所包含的实验，主要分布在“实验”和“演示”两个栏目。

1.2 分析框架

研究主要从两个层面进行，首先关注科学探究在教材实验中的呈现，然后进一步对各实验环节的探究水平进行深入统计分析。

1.2.1 科学探究要素的界定

2017年版课程标准提出物理核心素养作为新的课程目标，包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。其中，科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。主要包括问题、证据、解释、交流等要素。

对科学探究的理解，人教版教材编者之一张颖曾给出观点，认为科学探究有三重意义。首先，它是一种学习方法；其次，科学探究作为一种程序性知识，本身也是学习的内容；最后，科学探究还是一种精神。

廖伯琴教授在新课标解读中进一步指出，高中生科学探究能力表现如下：“问题”是指具有科学探究意识，能在学习和日常生活中发现问题，提出合理的猜测与假设；“证据”是指具有设计探究方案和获取证据的能力，能正确实施探究方案，使用各种科技手段和方法收集信息；“解释”是具有分析论证的能力，会使用各种方法和手段分析、处理信息，描述、解释探究结果和变化趋势，基于证据得出合理结论；“交流”是指具有交流与合作的意愿和能力，能准确表述、评估和反思探究过程和结果。

基于上述理解，对科学探究的四个要素在教材实验中的呈现进行界定，如表1所示。

表1 科学探究要素在教材中的呈现界定

1.2.2 科学探究水平分析框架

科学探究是一个活动过程，通常包括提出问题、作出猜想、设计方案、方案实施与收集证据、分析数据得出结论、评估交流与反思等环节。科学探究水平是指探究各环节的开放程度。为评估教材中的探究活动各环节的探究水平，张新宇等人以师生地位界定为基础，充分考虑活动各阶段的兼容性和联系性，并整合探究环节，构建了各环节探究水平的评价工具，如表2所示。

表2 各环节不同水平的探究要求[4]

分析示例如图1所示。

图1 实验各环节探究水平划分示例

2 教材实验分析

2.1 科学探究要素

人教版必修部分：必修一13个，必修二6个，必修三13个，共计32个实验，按科学探究要素界定，统计结果如表3和图2所示。

表3 科学探究要素在教材中的呈现情况统计

图2 科学探究要素在教材中的呈现频数统计

分析以上数据可知：

（1）从各要素总体呈现频数看，证据要素的占比达到100%，在教材实验中的体现十分到位，体现物理实验的证据思维和科学性；解释要素的占比为56%，表明教材注重培养学生的论证分析能力；而问题要素的占比为41%，不足一半，这与教材文本的静态属性和篇幅局限相关，不易设置问题情境；但是，交流要素总体占比9%，在必修二的实验中更是完全缺失，说明教材对交流要素的关注和体现不足，未能较好地引导学生对实验过程和结果进行评估反思以及相互交流。此外，在三个必修模块中，各要素占比表现出明显的一致性，证据要素最多，其后依次是解释要素和问题要素，交流要素最少。可见，教材中证据要素和解释要素对培养学生科学探究能力的作用较为显化，而问题要素和交流要素并不凸显，需要教师在教学过程中加强引导。一方面，在实验开始前，设置问题情境引导学生提出问题，例如在“探究影响通电导线受力的因素”实验中应引导学生猜想受力可能与电流、磁感应强度等因素有关，明确实验目标，培养问题意识；另一方面，实验完成后应加强师生、学生之间的交流和评价，对实验过程进行反馈总结，充分发挥实验提升科学探究能力的作用。

（2）从必修各模块看，相较于必修二和必修三，必修一在四个要素的体现上相对完整。尤其是两节实验课，完全按照课标的要求，从问题、证据、解释和交流四个要素按实验环节逐步体现，引导学生经历完整的探究过程。考虑必修一是学生接触高中物理的第一步，这样能较为完整地向学生展示物理研究方法。对此，教师在必修一实验章节有必要按教材设计实施教学，后续实验则需根据学情或完整体验、或有所侧重地开展教学。例如，在必修三 “金属丝的电阻率的测量”实验中，实验内容难度较低，可将实验重点放在交流要素上，其他要素则简略处理。

2.2 科学探究水平

对各实验环节的科学探究水平进行统计分析，如图3所示。

图3 教材中实验各环节的科学探究水平频数统计

对于“目的确定”环节，从总体上看，绝大部分处于水平1，少部分关注实验现象的演示实验未提及实验目的，处于水平0。可以发现，教材中的实验都是给定研究目的，一方面，这可能与教材的编写相关，若目的不确定，则后续各实验环节难以展开编写；另一方面，考虑教材对中学物理教学的指引性，需要指引教师和学生明确实验教学目标和内容。

对于“方案设计”环节，从统计上看，大部分实验都处于水平1，教材中都直接提供了完整的探究方案，不利于培养学生的自主探究能力。而实际上，2019年版教材在部分实验中（如“探究加速度与力、质量的关系”“探究平抛运动的特点”）增加了参考案例的设计，作为学生进行实验方案设计的参考，在实验正文部分则设置引导性的话语，引导学生自主设计实验方案，教师完全可以根据教学需求选择方案设计环节的开放性。

对于“方案实施”环节，占比最高的是水平2，其次是水平1和水平3，整体开放水平较高，表明教材注重培养学生动手实验和收集信息的基础能力，体现教材的基础性。

对于“得出结论”环节，相当一部分实验处于水平0，这与统计样本中有较多的演示实验和实操类实验有关。从各模块看，必修二和必修三在水平3的占比明显高于必修一，表明随着物理学习的深入，教材在有意增加实验探究的开放水平。

对于“交流评价”环节，绝大部分处于水平0，进一步说明教材对实验交流评价与反思的重视不足，有待加强。

此外，在整个必修部分，只有必修二“探究向心力大小的表达式”这一个实验在“方案设计”“方案实施”和“得出结论”三个主体环节达到了水平3，能较好地训练学生的探究能力和探究精神。教材应增加开放水平较高的实验，培养学生的科学探究能力。

3 教学建议

3.1 关注教材实验科学探究要素的呈现，平衡各要素的使用

由于实验的本身特征，教材中关于证据要素的呈现率远高于其他要素，而交流要素则过低，各要素整体呈现不平衡，学生在进行实验时存在重复经历证据要素而其他要素体验不足的问题。因此，教师有必要根据实验内容和学生情况，通过增、删、扩、缩等方式调整实验教学中各要素的占比，将静态的教材文本转化为动态的教学设计，培养学生完整的科学探究能力。例如，“通过平面镜观察桌面的微小形变”实验侧重于微小放大法的实验过程，可以关注证据要素；但是在“验证机械能守恒定律”实验中，大多数方案都是采用学生已熟知的“纸带+打点计时器”或“滑块+光电门”的实验方法，此时，应关注解释要素和交流要素，让学生自主设计方案并相互交流，评价各自的实验数据对结论的支撑是否充分。

3.2 正确认识教材实验的探究水平，根据学情设计实验教学

通过统计分析可知，教材实验整体探究水平较低，考虑教材的通用性，需要照顾全体学生，这是可以理解的。但是，教材不是教学开展的标准，实验的探究水平应以学情为依据，由教师设定。

一方面，应考虑学生对新知识的认知程度和对实验技能的运用程度，较为陌生时需要设置较低的探究水平，已有基础则可以提高开放程度。例如，在必修一第二章的前三节已熟悉了纸带和电火花打点计时器的使用技能，探究了匀变速直线运动的速度、位移与时间的关系，那么第四节探究自由落体运动规律的实验可以提高开放程度，以学生为主体开展高水平的探究，让学生在实验过程中加深对旧知识的整合以及新知识的理解。另一方面，随着学生的成长和对物理学习的深入，高年级的教学应增加完全开放实验的训练次数，切实提高科学探究能力。而且开放性实验的探究不必局限于教材和实验课，可以是课外科技制作活动，也可以是校本课程类型的兴趣学习。

3.3 统筹要素呈现及探究水平进行实验教学设计，整体把握学生科学探究能力的发展

在实验教学中，科学探究要素的凸显程度和各实验环节探究水平的高低是密不可分的，是需要教师同时处理的两个维度。这就要求教师以学生整体的科学探究能力的发展为出发点，统筹兼顾两个维度进行教学方案设计。

从单个实验的层面看，根据实验内容和学生发展水平，先确定问题、证据、解释、交流各要素的占比和优先级，然后再根据学情确定各个实验环节的探究水平。一般而言，问题要素对应目的确定环节，证据要素对应方案设计与方案实施环节，解释要素对应得出结论环节，而交流要素则对应交流评价环节。

从高中物理板块的层面看，教师可以制定学生在整个高中阶段科学探究能力的发展蓝图。根据课标要求，选修物理方向的学生应达到水平4，非物理方向的学生则应达到水平2，以此为总体目标，分别制定学习完各模块各要素应达到水平的子目标，可以更有效地指导具体的实验教学设计。