物理探究性实验教学现状调查及改进策略

本文发表在《物理与工程》2017年12月·第27卷·第6期

作者简介

王焕霞,  女, 曲阜师范大学教育学院副教授，硕士生导师，中国教育大数据研究院研究人员，主要从事物理教育研究工作, 研究方向为物理教育, [e-mail]

◎ 探究性实验教学 

◎ 物理课程标准 

◎ 实验操作考试评价 

摘 要 Abstract

       与国际趋势相适应, 我国新一轮基础教育课程改革大力倡导探究式教学, 实验在物理学科中占有重要地位, 研究物理探究性实验教学具有重要意义。运用问卷调查法从物理探究性实验教学实施条件、实施意愿、实施过程、实施效果等层面对学生进行调查,结果表明, 物理探究性实验教学现状不容乐观, 一定程度上陷入“形式主义”的实践困境, 亟需进一步改进和完善。建议为探究性实验教学有效实施提供多方支持、高利害关系考试评价中增加实验操作考试等, 以促进探究性实验教学进一步优化。

       世界各国的课程改革纷纷倡导科学探究, 探究式教学已经成为一种趋势, 是培养现代人才不可或缺的手段。与国际趋势相适应, 我国新一轮基础教育课程改革大力倡导探究式教学, 实验在物理学科中占有重要地位, 物理新课程改革对探究性实验教学高度重视。普通高中物理课程标准[6] 充分重视培养学生的科学探究和实验能力,在内容标准部分规定了科学探究和实验能力的基本要求, 并作为教学的重要内容在“共同必修模块”和“选修模块” 中以探究主题条目和活动建议的探究活动主题体现出来[1]18-19 。不同版本物理教科书都把贯彻新课程理念、注重学生科学探究能力的培养作为基本出发点, 都强调对学生探究性思维能力的培养, 发掘身边的材料进行科学探究实验的设计[2] ; 从探究主题上看, 教科书与课程标准的要求一致, 课程标准要求的探究主题, 教科书中基本上是以实验探究的方式呈现, 并且提供了较为详尽的方案以及活动指导[1]35 。课程标准和教科书对培养学生实验和探究能力充分重视,而在教学实 38 38941 38 14941 0 0 1265 0 0:00:30 0:00:11 0:00:19 3257践中物理探究性实验教学实施现状如何? 针对此问题, 我们开展了广泛调研。

1 物理探究性实验教学现状调查工具设计

       基于探究性实验教学的文献研究, 参照心理测量学关于个性测验的编制方法[3,4] , 设计“物理探究性实验教学实施现状调查问卷”。问卷包括11 道测试题, 涉及物理探究性实验教学实施条件、实施意愿、实施过程、实施效果4大维度, 还包括学校对物理探究性实验教学活动重视程度、开展实验的仪器设备、实验室开放程度、教师对探究性实验教学的胜任程度、学生对探究性实验是否感兴趣、实验过程中学生表现、进行实验遇到困难时采取的措施、进行探究性实验活动的效果如何、探究能力提升是否明显等。对问卷进行了试测检验, 试测结果表明问卷具有良好的可信度和有效度。选取山东省不同地区4 所省级示范高中(A校、B 校、C 校、D 校) 学生为调查对象, 对每所高中分别选取一年级两个班, 二年级文科、理科各一个班的学生。发放调查问卷 781 份, 收回问卷 778份, 有效问卷755 份, 有效率为96.67%。需要说明的是, 为使学生清楚了解“探究性” 实验与传统物理实验的差别, 实施调查之前, 笔者请4 所样本学校的物理教师在物理实验课上结合具体案例给学生详细讲解物理“探究性” 实验的特点, 与验证性物理实验的区别等。同时, 结合普通高中物理课程标准中 “ 对科学探究和物理实验能力的要求”, 对7大探究要素(提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作) 的确切含义与区别进行详细解释。

2 物理探究性实验教学现状调查结果

       对学生从物理探究性实验教学实施条件、实施意愿、实施过程、实施效果4大维度进行调查,调查结果如下。

2.1 物理探究性实验教学实施条件调查结果与分析

       学生认为物理探究性实验教学实施条件有待提高。就4所学校整体情况而言, 超过一半(55.76%)学生认为所在学校重视物理探究性实验教学 活动, 大多数(77.75%) 学生认为所在学校物理实验室配备充足, 超过一半(56.82%) 学生认为所在学校物理实验仪器配备充足, 超过一半(56.42%) 学生认为自己可以方便地到图书馆或报刊资料室等查询资料, 绝大多数(80.93%) 学生认为物理教师胜任物理探究性实验教学; 而多数(63.58%) 学生认为所在学校物理实验室开放程度不够, 接近一半(44.24%)学生认为所在学校不重视物理探究性实验教学活动, 接近一半(43.05%) 学生认为所在学校物理实验仪器配备不充足, 接近一半(43.58%)学生认为自己不能方便地到图书馆或报刊资料室等查询资料。

       而对4 所学校的情况分别分析, 结果如下。 4所学校学生认为所在学校重视物理探究性实验教学活动的人数百分比分别为52.92、64.67、58.82、47.21, 基本都在50 上下浮动;4 所学校学生认为所在学校物理实验室配备充足的人数百分比分别为80.42、98.80、58.29、74.54, 可见有3 所学校物理实验室配备情况良好, 一所学校较弱;4 所学校学生认为所在学校物理实验仪器配备充足的人数百分比分别为75.00、29.93、47.59、68.32, 可见 A校和 D 校物理实验仪器配备情况较好,C 校较弱,B 校亟需增加物理实验仪器;4 所学校学生认为所在学校物理实验室开放程度较好的人数百分比分别为47.92、5.39、41.18、45.96, 可见 A校、C校、D校物理实验室开放程度不够,B校极弱, 亟需增强物理实验室开放程度;4 所学校学生认为自己可以方便地到图书馆或报刊资料室等查询资料的人数百分比分别为37.92、86.22、54.01、55.89, 可见只有B 校学生可以方便地查询资料, 另外3 所学校学生均不能方便地查询资料;4所学校学生认为物理教师胜任物理探究性实验教学的人数百分比分别为78.75、99.40、58.29、91.30, 可见3所学校学生认为物理教师能够胜任物理探究性实验教学, 只有C校学生认为物理教师有待提高物理探究性实验教学能力。

2.2 物理探究性实验教学实施意愿调查结果与分析

       学生对实施物理探究性实验教学具有积极的意愿。就4 所学校整体情况而言, 多数学生(66.88%)对物理探究性实验感兴趣, 多数(67.02%) 学生愿意做物理探究性实验。只有极少数学生(6.09%)明确表明对物理探究性实验不感兴趣, 极少数(7.68%) 学生明确表明不愿意做物理探究性实验。

       而对4 所学校的情况分别分析, 结果如下: 4所学校学生对物理探究性实验感兴趣的人数百分比分别为79.17、29.34、76.46、76.39, 可见3 所学校大多数学生对物理探究性实验感兴趣,B 校大多数学生对物理探究性实验不感兴趣;4 所学校学生愿意做物理探究性实验的人数百分比分别为78.75、58.08、47.05、81.99, 可见 A 校和 D 校绝大多数学生愿意做物理探究性实验,B 校和 C 校约一半学生愿意做物理探究性实验。 值得一提的是, 调查的4 所学校中,B 校大多数学生对物理探究性实验不感兴趣, 而其他3 所学校大多数学生都表示感兴趣, 这形成了鲜明的对比。 结合前面物理探究性实验教学实施条件调查结果, 笔者对B 校学生进行了访谈, 发现该校学生对物理探究性实验不感兴趣的主要原因在于, 该校虽然有物理实验室, 但物理实验仪器配备非常不充足, 仅有几个验证性实验所必备的实验仪器, 且比较陈旧,而且物理实验室开放程度非常不好, 学生的物理实验课不能保证( 经常被理论课和复习课取代) ,在非物理实验课的其他时段, 学生更是没有机会去实验室研究或者自主设计探究性实验。 这样就形成了恶性循环, 极大打击了 B 校学生对物理探究性实验的兴趣。

2.3 物理探究性实验教学实施过程调查结果与分析

       学生认为物理探究性实验教学实施过程不够好。就四所学校整体情况而言, 调查结果表明, 超过一半(54.47%) 学生认为自己“提出问题” 表现不好, 接近一半(43.44%) 学生认为自己“猜想与假设”表现不好, 一半(49.41%) 学生认为自己“制定计划与设计实验” 表现不好, 接近一半 (42.12%) 学生认为自己“进行实验与搜集证据” 表现不好, 接近一半(44.63%) 学生认为自己“分析与论证”表现不好, 接近一半(45.56%) 学生认为自己“评估”表现不好, 值得一提的是, 多数(65.43%) 学生认为自己“交流与合作” 表现较好。 可喜的是,当进行物理探究性实验遇到困难时, 大部分学生会采取积极的措施, 超过一半(56.03%) 学生会改进计划和方案, 大多数(76.03%) 学生会一点一滴地吸取经验和教训, 大多数(74.04%) 学生会关注别组的进展和结果, 绝大多数(81.86%) 学生会与别人讨论新发现的问题和困难。

       而对4 所学校的情况分别分析, 结果如下: 4所学校学生认为自己“提出问题”表现好的人数百分比分别为62. 08、17. 96、36. 90、57. 15, 可见 A校和 D 校学生情况稍好,B 校和 C 校学生认为自己“提出问题” 表现很差;4 所学校学生认为自己“猜想与假设”表现好的人数百分比分别为70.00、31.14、59.36、59.62, 可见 B 校学生认为自己“猜想与假设” 表现很差, 其他 3 个学校学生情况较好;4 所学校学生认为自己 “ 制 定 计 划 与 设 计 实验”表现好的人数百分比分别为 68. 33、22. 15、49.20、55.28, 可见 B 校学生认为自己“制定计划与设计实验”表现很差,A 校学生认为自己表现较好,C 校和 D 校学生认为自己表现一般;4 所学校学生认为自己“进行实验与搜集证据”表现好的人数百分比分别为70.01、38.32、55.08、63.35, 可见B 校学生认为自己“进行实验 与 搜 集 证 据” 表 现差,A 校学生认为自己表现较好,C 校和 D 校学生认为自己表现稍好;4 所学校学生认为自己“分析与论证” 表 现 好 的 人 数 百 分 比 分 别 为 70. 01、17.36、65.77、60.88, 可见 B 校学 生 认 为 自 己 “ 分析与论证” 表现很差, A 校学生认为自己表现较好,C 校和 D 校学生认为自己表现稍好;4 所学校学生认为自己“评估”表现好的人数百分比分别为68.33、10.78、66.84、64.60, 可见 B 校学生认为自己“评估”表现极差,A 校学生认为自己表现较好,C 校和 D 校学生认为自己表现较好;4 所学校学生认为自己“交流与合作”表现好的人数百分比分别为77.91、37.12、67.38、73.91, 可见 B 校学生认为自己“交流与合作” 表现差, A 校学生认为自己表现好,C 校和 D 校学生认为自己表现较好。可见, 虽然 B 校绝大多数学生认为自己可以方便地到图书馆或报刊资料室等查询资料, 但由于探究性实验不是纸上谈兵, 学生必须自主设计并动手操作, 由于 B 校对物理探究性实验不重视, 实验仪器配备非常不充足, 探究性实验仪器缺失, 实验室不开放等, 造成该校学生认为自己在探究性实验实施过程中各方面的表现很差, 明显落后于其他 3 个学校学生的表现。

2.4 物理探究性实验教学实施效果调查结果与分析

        学生认为物理探究性实验教学实施效果不够好。接近一半(44. 37%) 学生认为自己进行物理探究性实验活动效果不好, 通过进行物理探究性实验, 接近一半(43.97%) 学生认为自身“提出问题”能力提升不明显, 一半(50.86%) 学生认为自身“猜想与假设”能力提升不明显, 超过一半(53.25%) 学生认为自身“制定计划与设计实验”能力提升不明显, 接近一半(47.02%) 学生认为自身“进行实验与搜集证据”能力提升不明显, 接近一半(46.36%) 学生认为自身“分析与论证” 能力提升不明显, 接近一半(46.10%) 学生认为自身“评估” 能力提升不明显, 接近一半(43.70%) 学生认为自身“交流与合作”能力提升不明显。

       而对4 所学校的情况分别分析, 结果如下: 4所学校学生认为自己进行物理探究性实验活动效果较好的人数百分比分别为72.5、25.15、51.88、66.45。 通过进行物理探究性实验, 四所学校学生认为自己“提出问题”能力提升明显的人数百分比分别为73.33、11.98、59.89、71.43, 可见 B 校学生认为自己“提出问题” 能力提升很不明显, A 校和 C 校学生认为自己提升较明显,D 校学生认为自己有一定提升;4 所学校学生认为自己“猜想与假设”能力提升明显的人数百分比分别为69.17、22.75、26.74、72.67, 可见B 校和 C 校学生认为自己“猜想与假设”能力提升很不明显,A 校和 D 校学生认为自己提升较明显;4 所学校学生认为自己“制定计划与设计实验”能力提升明显的人数百分比分别为 68. 75、20. 96、27. 27、63. 35, 可见 B校和 C 校学生认为自己“制定计划与设计实验”能力提升很不明显,A 校和 D 校学生认为自己提升较明显;4 所学校学生认为自己“进行实验与搜集证据”能力提升明显的人数百分比分别为71.66、39.53、27.27、68.94, 可见B 校和 C 校学生认为自己“进行实验与搜集证据” 能力提升很不明显, A校和 D 校学生认为自己提升较明显;4 所学校学生认为自己“分析与论证”能力提升明显的人数百分比分别为 69. 58、14. 37、56. 69、67. 08, 可见 B校学生认为自己“ 分析与论证” 能力提升很不明显,A 校和 D 校学生认为自己提升较明显,C 校学生认为自己有一定提升;4 所学校学生认为自己“评估”能力提升明显的人数百分比分别为69.99、10.17、59.35、68.94, 可见 B 校学生认为自己“评估”能力提升很不明显,A 校和 D 校学生认为自己提升较明显,C 校学生认为自己有一定提升;4 所学校学生认为自己“交流与合作”能力提升明显的人数百分比分别为75.01、37.13、34.76、73.30, 可见B 校和 C 校学生认为自己“交流与合作”能力提升不明显,A 校和 D 校学生认为自己提升较明显。对物理探究性实验教学实施效果的调查可知,B校学生情况最差,C 校学生情况较差,A 校和 D 校学生较好。 B 校学生情况差的可能原因已在前文论述。 对C 校学生物理探究性实验教学实施效果差的原因进一步探究发现, 该校学生认为所在学校物理实验仪器配备充足的人数不到一半(47.59%),该校学生认为所在学校物理实验室开放程度较好的人数百分比不到一半(41.18%), 该校学生认为物理教师胜任物理探究性实验教学的人数百分比相比其他学校最低(58.29%) , 该校学生愿意做物理探究性实验的人数百分比不到一半(47.05%) ,这些主观和客观方面的原因也可能造成该校学生认为自身物理探究性实验教学实施效果不够好。

2.5 研究结论

      物理探究性实验教学现状不容乐观, 亟需进一步改进和完善。 绝大多数学生对实施物理探究性实验教学具有积极的意愿, 但物理探究性实验教学实施条件、实施过程、实施效果均存在诸多问题, 一定程度上陷入“形式主义”的实践困境。

3 物理探究性实验教学改进策略

       物理课程标准和教材均对培养学生实验和探究能力提出了明确要求, 然而由于高考制度下“应试教育”的影响, 学校、教师、学生着眼于高考, 探究性实验教学难以得到实质性开展。 笔者进行问卷调查和访谈过程中发现, 一些学校根本没有实施或很少实施实验教学, 学生很少有亲自动手实验的机会。大多数学校在高一和高二已把所有科目新授课程学完, 高三完全是高考之前的复习和演练, 题海战术盛行。探究性实验教学在一定程度上陷入“形式主义”的实践困境。这一现象应引起社会各界充分重视, 对其产生根源和背后原因的追问是值得深入探究的议题。社会各界应齐心协力, 逐步健全和完善理科探究性实验教学实施和评价机制。

3.1 为探究性实验教学有效实施提供多方支持

       对学生调查结果表明, 物理探究性实验教学亟需进一步改进和完善。建议为教师提供更多探究性实验教学理论和实践支持、进一步改善探究性实验教学实施条件、增加物理探究性实验课时及探究性实验教学比例等, 以促进物理探究性实验教学的高效实施和完善。

3.1.1 为教师提供更多探究性实验教学理论和实践支持

       通过开展学术交流、专题报告、开展探究性实验教学公开课、举办探究性实验教学技能大赛等形式, 对教师进行探究性实验教学相关培训, 鼓励教师与兄弟学校和其他教师交流探究性实验教学经验成果, 学校积极聘请相关专家对教师进行指导, 帮助教师解读课程标准和教材中对探究性实验教学的要求, 为教师提供探究性实验课题案例及开发物理探究性实验教学其他资源。营造重视探究性实验教学的氛围, 为教师提供更多探究性实验教学理论和实践支持。

3.1.2 教师要提高自身探究能力及指导探究的能力

       教师自身具备较高探究能力是培养学生探究能力的基础。物理教师的探究能力包括提出问题能力、查阅文献资料能力、设计研究方案能力、组织和实施研究能力、处理资料数据能力、论证和归纳研究结论能力等[5] 。教师具备这些能力才能更好地指导学生获得探究能力, 否则学生探究能力的培养只会流于形式。 探究能力的获得离不开实践的尝试, 因此教师除了要掌握实验探究理论知识, 还要在实践中不断探索。

       教师需提高指导学生探究的能力。实验探究中, 由于学生探究能力相对较低, 教师的指导就必不可少, 教师的指导要做到既指明方向又没有代替学生的思考。教师在实验探究教学中可通过案例、 讲解等方式指导学生如何提出问题, 如何进行猜想与假设, 如何制定计划与设计实验, 如何进行实验与搜集证据, 如何分析与论证, 如何评估, 如何交流与合作等。

3.1.3 进一步改善探究性实验教学实施条件

       调查结果表明, 多数学生进行物理探究性试验时3~4人一组, 这明显高于国际上实践能力相对较好国家开展探究性实验时学生分组人数(1 ~2人一组) 。建议加大开展探究实验经费投入力度, 改善物理实验室配备和物理实验仪器配备。建议加大物理实验室开放程度, 使乐意探究的学生有更多机会动手实验。增强学生爱护实验仪器的意识, 学生对实验仪器的爱护意识增强会有利于实验室的进一步开放。建议学校之间建立实验教学共同体, 不同学校之间对探究性实验教学设备和实验仪器可互通有无、共享共用, 以达成既节省经费又促进交流的目的。

3.1.4 增加物理探究性实验课时及探究性实验教学比例

       科学探究是学生完成物理课程所必须达到的学习目标, 因此课程标准中把物理实验和科学探究放到一起一并提出能力要求。其基本要素包括提出问题、猜想与假设、制订计划与设计实验、 进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作共计7 条; 每条要素又包括若干条具体的基本要求条目[6] 。对于科学探究的7个要素, 在一节物理课中并非一定要全部涉及, 实验和探究能力的培养需放在较长时空整体考虑, 可分布到多节课中实施。

       调查结果表明, 学生认为自己通过探究性实验教学, “提出问题”“猜想与假设”“制定计划与设计实验”等能力提升不明显, 这和目前理科实验教学中探究性实验比例偏小而验证性实验比例较大有直接关联。众所周知, 提出问题能力、猜想与假设能力、制定计划与设计方案能力等对培养学生创新能力具有至关重要的作用, 对学生步入社会后在相关领域取得重大突破将发挥重要奠基作用。在基础教育阶段就应重视培养学生的创新意识、创新思维、创新能力。

       建议增加物理探究性实验课时, 增大探究性实验教学在理科教学中所占比例, 鼓励学生成立物理探究性实验学习共同体、积极在课外时间研讨探究性实验。建议把考查学生的科学探究和实验能力纳入重要考试评价范畴, 将从根本上消除教师和学生的顾虑, 使他们放心大胆地实施探究性实验教学, 并愿意花费精力和时间改进探究性实验教学的实施过程和实施效果。

3.2 高利害关系考试评价中增加实验操作考试

       新一轮基础教育课程改革倡导科学探究, 理科课程标准中把对科学探究能力的要求作为重要组成部分。而对高考物理和物理学业水平考试试卷分析可知, 涉及考查学生科学探究及物理实验能力的试题偏少或缺失。鉴于纸笔测验主要能够检查学生知识掌握的情况, 而对学生科学探究及物理实验能力的考查具有局限性, 建议在理科高利害关系考试评价中增加真实性评价方式。调查结果表明, 多数学生基本赞成在高考物理和物理学业水平考试中增加真实的实验操作考试。而随着学业水平考试权威性和应用性进一步加强, 增加真实性评价方式可有效引导课程改革的深入发展。 教育部已在学业水平考试文件中明确提出要对相关科目的实验操作提出要求[7] 。因此, 建议在理科学业水平考试中增加实验操作考试, 各省份应积极探索实施理科学业水平实验操作考试的有效路径, 保证实验操作考试的可信度和公信力。随着学业水平实验操作考试有效实施,等待积累相当成功经验之后, 建议在理科高考中增加真实的科学探究和实验操作并逐步加大比重, 有效促进基础教育阶段切实培养学生创新思维和实践能力。

参考文献

[1] 廖伯琴, 姜涛. 物理学科探究活动主题开发与指导[M] . 南京: 江苏教育出版社,2012:18-19,35.
[2] 王较过, 马亚鹏. 普通高中物理教科书特色对比研究—以“人教版”和“司南版”物理1 为例[J] . 内蒙古师范大学学报( 教育科学版) ,2008(8) :128-134.Wang Jiaoguo, Ma Yapeng. A comparative study on the characteristics of Physics textbooks in senior high schoolTake “PEP Edition”and “Ian Edition” ofPhysical Book1 as anexample[J] . JournalofInner Mongolia Normal University (Education Science Edition) , 2008(8) : 128-134. (in Chinese)

[3]宋维真, 张瑶. 心理测验[M] . 北京: 科学出版社,1987:239-243.

[4] 郑日昌. 心理测量[M] . 长沙: 湖南教育出版社, 1987:427-433.

[5] 刘炳升. 走进高中新课改: 物理教师必读[M] . 南京: 南京师范大学出版社,2005:185.
[6]教育部. 普通高中物理课程标准(实验) [M] . 北京: 人民教育出版社,2003:10-11.
[7]教育部. 教 育 部 关 于 普 通 高 中 学 业 水 平 考 试 的 实 施 意 见[Z] . 教基二[2014]10 号, 2014-12-10.

基金项目

教育部人文社会科学研究青年基金项目“普通高中学业水平考试质量评价指标体系构建及应用研究”（16YJC880073）;全国教育科学规划教育部青年课题“教学与课程标准的一致性评价指标体系构建及实践研究”(EHA140392) ;中国博士后科学基金面上项目“高中学业水平考试与课程标准一致性评价指标体系研究”（2017M612318）.

引文格式：王焕霞.物理探究性实验教学现状调查及改进策略[J].物理与工程,2017,27(6):95-99.

END

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