物理實驗教學(xué)與課程標(biāo)準(zhǔn)一致性探析

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［摘要］《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》明確提出20個學(xué)生必做實驗，在科學(xué)內(nèi)容中有24個三級主題，新課標(biāo)明確要求必須通過實驗學(xué)習(xí)這些主題。實驗教學(xué)在中學(xué)物理教學(xué)中具有重要的地位，中學(xué)物理實驗教學(xué)與課程標(biāo)準(zhǔn)的一致性研究也具有重要意義。文章借鑒斯坦福研究所開發(fā)的SRI一致性模式，以“牛頓第一定律”的12篇教學(xué)設(shè)計與課標(biāo)中的科學(xué)探究要求為研究對象，通過對二者的一致性分析，得到一線教師對實驗教學(xué)的重視程度以及對學(xué)生科學(xué)探究能力培養(yǎng)的側(cè)重點。

［關(guān)鍵詞］實驗教學(xué)；課程標(biāo)準(zhǔn)；SRI一致性；牛頓第一定律

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》在科學(xué)內(nèi)容中有近一半的三級主題明確要求必須通過實驗學(xué)習(xí)［1］。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》相比實驗版新增了必修及選擇性必修課程中的學(xué)生必做實驗，科學(xué)內(nèi)容在三級主題中加強了實驗教學(xué)要求［2］。2019年，教育部印發(fā)了《關(guān)于加強和改進(jìn)中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》，要求努力建構(gòu)與德智體美勞全面培養(yǎng)的教育體系相適應(yīng)、與課程標(biāo)準(zhǔn)要求相統(tǒng)一的實驗教學(xué)體系。［3］實驗教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)的重要內(nèi)容。實驗教學(xué)與課標(biāo)的一致性程度能夠反映基礎(chǔ)教育對人才培養(yǎng)的實際效果。因此，比較實驗教學(xué)與課標(biāo)的一致性有助于深入了解課標(biāo)，反思課堂教學(xué)，具有重要意義。

一、“牛頓第一定律”的選取

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》規(guī)定的24個必須通過實驗學(xué)習(xí)的三級主題中僅有三個是物理規(guī)律，“牛頓第一定律”就是其中之一［1］。從物理學(xué)科體系來看，牛頓第一定律是聯(lián)結(jié)運動和相互作用的重要內(nèi)容，是后面要學(xué)習(xí)的牛頓第二定律的基礎(chǔ)，是形成運動與相互作用觀念的重要基石，是教學(xué)的重點。從學(xué)生認(rèn)知特點來看，由于生活經(jīng)驗的影響，“有力，物體才運動”“力是維持物體運動的原因”這樣的錯誤前概念根深蒂固，并且“牛頓第一定律”不是實驗定律，需要在實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理推理，對學(xué)生的邏輯思維能力有很高的要求，是教學(xué)的難點。因此，筆者選擇牛頓第一定律的教學(xué)設(shè)計為研究對象。本文統(tǒng)計了2012-2020年13種物理專業(yè)期刊［4］中關(guān)于初中牛頓第一定律實驗教學(xué)的文章。以“牛頓第一定律+教學(xué)”為關(guān)鍵詞搜索知網(wǎng)，根據(jù)篇名和文獻(xiàn)來源初步篩選并排除不切主題的文章，排除非物理專業(yè)期刊的文章以及部分關(guān)于高中物理牛頓第一定律教學(xué)的文章，然后詳細(xì)閱讀論文并篩選，最終選取《物理教師》《物理教學(xué)探討》《物理通報》《中學(xué)物理教學(xué)參考》4種期刊中關(guān)于初中物理牛頓第一定律實驗教學(xué)設(shè)計的12篇文章［5］~［16］。

二、《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》對科學(xué)探究的要求

2011年版課標(biāo)將科學(xué)探究分為提出問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂計劃、進(jìn)行實驗與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作7個要素，并對每個要素提出了3~5個基本要求，如表1所示。［1］

三、SRI一致性工具

SRI一致性研究工具是斯坦福研究所的（StandfordResearchInstitute，簡稱SRI）克雷克米（P.Kreikemeier）等人為改進(jìn)Webb一致性工具、SEC一致性工具以及Achieve一致性工具對于科學(xué)探究層面的一致性研究的不足，開發(fā)出來的專用于比較科學(xué)探究的更為精細(xì)化的一致性研究工具。［17］因此，本研究利用SRI一致性工具研究牛頓第一定律實驗教學(xué)的教學(xué)設(shè)計與義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)的一致性是合理的、恰當(dāng)?shù)?。?7］

四、教學(xué)設(shè)計與課程標(biāo)準(zhǔn)的一致性分析

將12篇文章按照時間順序進(jìn)行編號，以便后續(xù)利用圖表進(jìn)行縱向比較，發(fā)表時間最早的文章為1號，以此類推。本文以8號文章《初中物理教學(xué)中學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)——以“牛頓第一定律”為例》說明比較研究的過程。圍繞要研究的教學(xué)設(shè)計，以學(xué)生的視角記錄其中活動的具體內(nèi)容，按照課程標(biāo)準(zhǔn)中科學(xué)探究的基本要求，盡可能準(zhǔn)確地確定所涉及的科學(xué)要素，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建具有普適性的由活動內(nèi)容和科學(xué)探究要素共同組成的二維矩陣，作為統(tǒng)計和比較的基礎(chǔ)，如表2所示。根據(jù)表2，利用Excel，計算與科學(xué)探究要素相匹配的活動數(shù)量（n）與所有活動總數(shù)（N）的比值，了解教學(xué)設(shè)計與科學(xué)探究之間的一致性水平。計算與活動相匹配的科學(xué)探究要素的種類數(shù)（s）與所有科學(xué)探究要素的種類數(shù)（S，即S=7）的比值，和每個科學(xué)探究要素出現(xiàn)的頻次（m）與所有科學(xué)探究要素出現(xiàn)的總頻次（M）的比值，了解該教學(xué)設(shè)計注重培養(yǎng)何種科學(xué)探究要素，填入表3。

（一）教學(xué)設(shè)計與課標(biāo)一致性

為比較各教學(xué)設(shè)計與義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）的一致性，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果繪制成折線圖，如圖1所示。由圖1可以看出，2017-2020年教師在實驗教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，與課程標(biāo)準(zhǔn)的要求相一致，較2017年以前，重視程度大幅提高。通過梳理12份教學(xué)案例，發(fā)現(xiàn)主要有兩點原因：1.國家教育部提高了對中學(xué)實驗教學(xué)的重視程度。比如《關(guān)于加強和改進(jìn)中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》的頒布，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中對實驗要求的增加。這些意見和政策讓一線教師意識到物理實驗教學(xué)的重要性。2.一線教師對于課程標(biāo)準(zhǔn)的理解更加透徹。通過不斷的研究，一線教師能夠更深入地理解培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的程度和方法。比如，初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生科學(xué)探究能力的基本要求是“初步嘗試”，具有科學(xué)探究的意識。所以教師在實驗教學(xué)中注重引導(dǎo)學(xué)生，而不是放手讓學(xué)生獨自探究。

（二）培養(yǎng)科學(xué)探究能力的側(cè)重點

為了細(xì)致地分析注重科學(xué)探究的教學(xué)設(shè)計是側(cè)重培養(yǎng)某一種科學(xué)探究能力，還是注重培養(yǎng)多種科學(xué)探究能力，本文選取編號6、7、8、9、10、11、12共七篇教學(xué)設(shè)計為研究對象，將教學(xué)設(shè)計中所包含的科學(xué)探究要素的種類數(shù)（s）與所有科學(xué)探究要素的種類數(shù)（S）的比值進(jìn)行了縱向?qū)Ρ?。如圖2所示。由圖2可以看出，其中有2篇教學(xué)設(shè)計重點培養(yǎng)學(xué)生的某三種科學(xué)探究能力，剩余的5篇側(cè)重讓學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程。為了具體比較各篇教學(xué)設(shè)計側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生哪些科學(xué)探究能力，本文將每篇教學(xué)設(shè)計中各要素出現(xiàn)的頻次（m）與所有要素出現(xiàn)的總頻次（M）的比值進(jìn)行了橫向?qū)Ρ?。如圖3所示。由圖3可以看出，6號文章側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生猜想與假設(shè)、交流與合作兩個科學(xué)探究能力；7號文章側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實驗與制訂計劃、分析與論證的能力；8號文章側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生分析與論證的能力；9號文章側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行實驗與收集證據(jù)、分析與論證的能力，沒有關(guān)注提出問題和評估兩個要素；10號文章側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生分析與論證的能力，沒有關(guān)注評估要素；11號文章側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實驗與制訂計劃、分析與論證的能力，沒有關(guān)注提出問題、猜想與假設(shè)、評估和交流與合作四個要素；12號文章側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生分析與論證的能力，沒有關(guān)注猜想與假設(shè)要素。為了更為直觀地分析一線教師對各科學(xué)要素的關(guān)注程度，可將各科學(xué)要素的比率進(jìn)行縱向求和，并畫出各科學(xué)要素所占的比例，如圖4所示。由圖4可以看出，一線教師對分析與論證的關(guān)注程度最高，其次注重培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實驗與制訂計劃的能力，容易忽視評估能力的培養(yǎng)。從上述分析可知，2017年以后，一線教師注重在實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，與義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求一致。但每個教師會根據(jù)實際情況和教學(xué)目標(biāo)，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生某一種或者某些方面的科學(xué)探究要素，整體上看，分析與論證能力和設(shè)計實驗與制訂計劃能力受到大多數(shù)教師的重視，而評估能力容易被忽視。

五、“牛頓第一定律”的教學(xué)改進(jìn)

評估是科學(xué)探究的一個重要過程，是學(xué)生深度學(xué)習(xí)必不可少的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的重要途徑。因此，在教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)有意識地引導(dǎo)學(xué)生對探究過程和探究結(jié)果進(jìn)行評估?；谝陨戏治?，筆者主要從實驗方案、實驗儀器、數(shù)據(jù)處理三個方面引導(dǎo)學(xué)生評估“牛頓第一定律”的科學(xué)探究。第一，反思探究過程，改進(jìn)實驗方案。實驗方案并非十全十美，需要在實際探究中反思和改進(jìn)。教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生評估實驗方案的優(yōu)點和不足，并思考改進(jìn)方案。比如，我們將同一個小車從同一斜面的同一高度下落有什么優(yōu)點？不改變小車下落的高度，會出現(xiàn)什么問題？通過觀察小車在粗糙程度不同的水平面上運動到停止的時間，得出小車在光滑的水平面上將保持勻速運動合理嗎？通過問題，引導(dǎo)學(xué)生深度思考，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生再提出改進(jìn)方案，才能經(jīng)歷真正的科學(xué)探究過程。第二，利用現(xiàn)代技術(shù)，減小實驗誤差。引導(dǎo)學(xué)生思考用小旗插在小車停止的位置，再用刻度尺測量小車移動的距離，有什么問題嗎？用秒表記錄小車從滑到水平面到停下來的時間準(zhǔn)確嗎？通過教師的引導(dǎo)，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)，利用小旗標(biāo)記小車停下來的位置，然后用刻度尺測量距離，操作煩瑣，耗時長；用秒表測量時間，不夠精確，誤差較大。這時，向?qū)W生介紹傳感器的結(jié)構(gòu)和用途，感受傳感器的方便和精確。一方面，減小了“牛頓第一定律”實驗的誤差，得到更精確的實驗數(shù)據(jù)；另一方面，學(xué)生能夠深刻地體會“物理學(xué)在不斷發(fā)展，具有強大的生命活力”，進(jìn)而有效提高學(xué)生對物理學(xué)的熱愛程度。第三，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理，反映變化規(guī)律。初中生常用列表法處理數(shù)據(jù)，但用列表法探究“牛一定律”不能直觀反映變化規(guī)律。教師可引導(dǎo)學(xué)生思考列表法的不足。比如，討論一下你們在數(shù)據(jù)處理和得出結(jié)論的過程中，遇到了哪些麻煩？通過討論，學(xué)生自然能夠想到需要優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法，為了能直觀地反映規(guī)律，應(yīng)當(dāng)采用圖像法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為了方便比較，還可以將小車在不同粗糙程度的水平面上運動的v-t圖像放在同一坐標(biāo)系中進(jìn)行對比。這樣得出“水平面越光滑，小車運動的速度變化越慢”才更加合理。學(xué)生才能推理出在絕對光滑的水平面上，小車將做勻速運動。說明：①n指與科學(xué)探究要素相匹配的活動（包括特定探究和一般性探究）數(shù)量，N指所有活動的總數(shù)；②s指與活動相匹配的科學(xué)探究要素的種類數(shù)，S指所有科學(xué)探究要素的種類數(shù)（即S=7）；③m指每個科學(xué)探究要素出現(xiàn)的頻次，M指所有科學(xué)探究要素出現(xiàn)的總頻次。

作者:陳婷婷 翁雨燕 桑芝芳 單位:蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)