趙蕓赫 李春密 趙博涵 黃 敏

(1. 首都師范大學(xué)附屬中學(xué),北京 100048; 2. 北京師范大學(xué)物理學(xué)系, 北京 100875; 3. 四川省成都市新都一中銘章學(xué)院,四川 成都 610500)

針對21世紀(jì)的工作環(huán)境,很多國家和地區(qū)都展開了關(guān)于科學(xué)教育應(yīng)使學(xué)生形成的能力方面的研究．如Bybee研究團(tuán)隊在美國科學(xué)教育辦公室等的支持下,綜合來自相關(guān)專家團(tuán)體的12份主要報告中的關(guān)鍵建議指出,科學(xué)教育應(yīng)使學(xué)生具備： (1) 通過對觀察到的現(xiàn)象及數(shù)據(jù)的推理構(gòu)建理論模型的能力; (2) 設(shè)計實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證觀點(diǎn)的能力; (3) 解決復(fù)雜的開放性問題等．[1]其它提及到的學(xué)生應(yīng)對未來工作環(huán)境的必備能力還有能夠有效地進(jìn)行團(tuán)隊工作以及清晰的交流能力等．[2，3]

這些能力其實(shí)是科學(xué)家們在解決實(shí)驗(yàn)問題和建立新知時所要經(jīng)歷的關(guān)鍵步驟以及使用的他們已經(jīng)內(nèi)化成習(xí)慣的關(guān)鍵能力,屬于科學(xué)家的認(rèn)知工具.Bybee (2000)用科學(xué)能力(scientific abilities)一詞來描述這些能力．[4]目前,很多國家的科學(xué)教育改革都把落腳點(diǎn)放在了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)能力上．在一些關(guān)于如何在科學(xué)教育中培養(yǎng)學(xué)生獲得科學(xué)能力的相關(guān)研究和國家報告中,“探究”、 “研究”、“實(shí)踐”等詞匯出現(xiàn)的頻率極高．[5]我國最新頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》[6]也建議通過真實(shí)情境的問題解決促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成.這樣才能有效應(yīng)對未來生活和工作中遇到的復(fù)雜的、協(xié)作的和動態(tài)的問題．

目前我國中學(xué)大部分的課內(nèi)物理探究式課堂中,由于課程內(nèi)容的限制,學(xué)生所面對的通常是教師梳理出的目標(biāo)明確、去情境化的探究問題．如果學(xué)生在提前預(yù)習(xí)的情況下,通常探究過程就會變成驗(yàn)證某一物理原理,缺少獨(dú)立思考的空間,使得學(xué)生在解決真實(shí)情境的非良結(jié)構(gòu)問題的能力方面仍較為欠缺．

因此本文聚焦科學(xué)家在解決實(shí)驗(yàn)問題過程中,經(jīng)歷關(guān)鍵步驟時所表現(xiàn)出的科學(xué)能力,旨在設(shè)計基于開放性實(shí)驗(yàn)問題解決的探究活動(下文簡稱“探究活動”),讓學(xué)生在所創(chuàng)設(shè)的真實(shí)的、無標(biāo)準(zhǔn)答案的問題情境中進(jìn)行科學(xué)實(shí)踐,以幫助他們發(fā)展科學(xué)能力．

1 探究活動的設(shè)計

1.1 探究活動設(shè)計的理論依據(jù)

物理學(xué)史上科學(xué)家們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)問題解決或建立物理認(rèn)知時一般會經(jīng)歷如下3類實(shí)驗(yàn)過程:[7,8]觀察型實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)．最初的觀察型實(shí)驗(yàn)發(fā)生在物理學(xué)家研究一個未知的現(xiàn)象時,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果將幫助其建立一個新的模型．驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)通常是用來驗(yàn)證或否定某個假設(shè)、想法或預(yù)測．物理學(xué)家進(jìn)行驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)時會用一個理論模型來預(yù)測他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果．應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)則利用和綜合了之前建立和驗(yàn)證的物理模型,用來解釋新現(xiàn)象、解決新問題、設(shè)計產(chǎn)品等．

本文將這3類認(rèn)知過程融入探究活動的設(shè)計中,由于在探究活動中學(xué)生科學(xué)能力的具體表現(xiàn)與具體的實(shí)驗(yàn)活動類型密不可分,因此,本研究在為學(xué)生設(shè)計每一個具體的探究活動發(fā)展其科學(xué)能力時,考慮到觀察型、驗(yàn)證型和應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)的作用、不同階段所對應(yīng)的學(xué)生能力水平不同以及學(xué)生直接進(jìn)行完整的開放性實(shí)驗(yàn)問題解決的困難,首先挑選和設(shè)計基于觀察型、驗(yàn)證型和應(yīng)用型3類實(shí)驗(yàn)問題解決的探究活動,讓學(xué)生理解這3個認(rèn)知階段的作用并掌握運(yùn)用其解決問題的能力．最終挑選和設(shè)計完整的探究活動,讓學(xué)生綜合運(yùn)用、設(shè)計并實(shí)施3類實(shí)驗(yàn)進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)問題解決活動．下面對這4類實(shí)驗(yàn)活動的作用、實(shí)驗(yàn)問題解決的模型以及活動樣例進(jìn)行具體的介紹．

1.1.1 觀察型實(shí)驗(yàn)活動

本文所設(shè)計的觀察型實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在研究一種新現(xiàn)象時所做的實(shí)驗(yàn)．因此,他們一般不會對結(jié)果有預(yù)期．學(xué)生需要收集數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)并在數(shù)據(jù)中找到某種規(guī)律．然后,他們需要解釋規(guī)律(如果適用)的原因,以及構(gòu)建定性或定量關(guān)系．本文從問題分析及界定、獲取證據(jù)、解釋問題等3個維度對觀察型實(shí)驗(yàn)問題解決過程進(jìn)行描述,如圖1所示．

圖1 觀察型實(shí)驗(yàn)過程

基于以上對觀察型實(shí)驗(yàn)問題解決過程的分析進(jìn)行活動設(shè)計,下面展示觀察型實(shí)驗(yàn)活動的一個活動樣例.

“在晚上使用相機(jī)對著街上的燈光拍照,或在陽光強(qiáng)烈的時候透過樹葉的縫隙拍攝太陽,在照片中會呈現(xiàn)出放射狀的光線從光源中心發(fā)出的現(xiàn)象,這是攝影中常有的現(xiàn)象,因其現(xiàn)象獨(dú)特,被稱為“星芒”,如圖2所示．觀察這一現(xiàn)象,確定待探究的可能對現(xiàn)象產(chǎn)生影響的變量并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、尋找實(shí)驗(yàn)規(guī)律并加以解釋．”[9,10]

圖2 “星芒”現(xiàn)象

這一活動展示了一個日常生活中有趣的現(xiàn)象.在對這一現(xiàn)象的觀察中,學(xué)生會發(fā)現(xiàn)很多規(guī)律,比如通過相機(jī)拍攝手機(jī)手電筒的簡單實(shí)驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn)得到的照片具有旋轉(zhuǎn)60度對稱性.再如,星芒的尖角數(shù)與光圈的葉片數(shù)有關(guān),即光圈葉片數(shù)n為奇數(shù)時,產(chǎn)生的星芒尖角數(shù)為2n條;n為偶數(shù)時,產(chǎn)生的星芒尖角數(shù)為n條等等.這些規(guī)律會啟發(fā)學(xué)生利用衍射原理來解釋這一現(xiàn)象并進(jìn)行后續(xù)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)活動．

1.1.2 驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)活動

在本文所設(shè)計的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)活動中,學(xué)生需要明確待驗(yàn)證的理論解釋或關(guān)系中所做的假設(shè),并通過想要驗(yàn)證的理論解釋或關(guān)系來預(yù)測實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,然后他們進(jìn)行實(shí)驗(yàn),記錄結(jié)果．考慮到理論上所做的一些假設(shè)和實(shí)驗(yàn)的不確定性,學(xué)生需要根據(jù)預(yù)測結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否一致來對待驗(yàn)證的解釋或關(guān)系做出判斷．當(dāng)預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致時,意味著理論解釋(關(guān)系)不應(yīng)被拒絕;如果預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致時,或者拒絕接受他們驗(yàn)證的理論解釋(關(guān)系),或者重新考慮理論解釋或關(guān)系中做出的假設(shè)．

本文從問題分析及界定、獲取證據(jù)、解釋問題等3個維度對驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行描述,如圖3所示．

圖3 驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)過程

基于以上對驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)問題解決過程的分析進(jìn)行活動設(shè)計,下面展示驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)活動的一個活動樣例.

案例1.沙漏是一種沿用已久的計時裝置,利用容器中沙子的流動來計量時間．每一次沙漏中沙子流完,可以視為一個周期,這個周期就可以用于對生活中的一些事件發(fā)生的時長進(jìn)行定標(biāo)．沙漏在流沙過程中,將其放置于一個托盤秤上進(jìn)行稱量,會發(fā)現(xiàn)托盤秤的指針會隨著沙子的落下而相對體系靜止時的示數(shù)位置出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)．即它的視重會發(fā)生變化,變化趨勢如圖4所示．[10,11]

圖4 流沙沙漏視重隨時間變化曲線

一位學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)中沙子在自由下落和沖擊沙漏底盤時的超失重原理得到在沙子流動過程中的失重階段、穩(wěn)定下落過程中的超重階段、穩(wěn)定下落后的超重階段的理論模型(此處略)．據(jù)此,你能否設(shè)計實(shí)驗(yàn)對該同學(xué)所提出的理論模型進(jìn)行驗(yàn)證呢?

在這個活動中,展示了一位學(xué)生對“流沙沙漏視重隨時間變化”這一現(xiàn)象所提出的理論模型．學(xué)生可以據(jù)此確定待驗(yàn)證的理論關(guān)系,并進(jìn)行預(yù)測及設(shè)計實(shí)驗(yàn)來判斷這一理論模型的適用性,以此展開驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)活動．

1.1.3 應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)活動

本文所設(shè)計的應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)通常是在已被驗(yàn)證的理論關(guān)系的基礎(chǔ)上來解決新問題時所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),待解決的新問題可能是解釋新現(xiàn)象,也可能是設(shè)計制作及優(yōu)化產(chǎn)品．學(xué)生在解決此類實(shí)驗(yàn)問題時,通常至少要使用兩種方法并對它們的結(jié)果進(jìn)行比較．

本文從問題分析及界定、獲取證據(jù)、解釋問題等3個維度對應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行描述,如圖5所示．

圖5 應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)過程

基于以上對應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)問題解決過程的分析進(jìn)行活動設(shè)計,下面展示應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)活動的一個活動樣例.

案例2.萊頓弗羅斯特效應(yīng)由物理學(xué)家萊頓弗羅斯特發(fā)現(xiàn)于1756年,是指水滴可以在炙熱的表面懸浮數(shù)分鐘之久的現(xiàn)象．在特定情形下,水滴會形成振蕩的星形,如圖6所示.[12,13]

圖6 萊頓弗羅斯特效應(yīng)

如果我們認(rèn)為萊頓弗羅斯特效應(yīng)對“振蕩的星形水滴”的促成作用僅止于使其處于非浸潤態(tài)及由下方蒸汽層的不穩(wěn)定性提供“擾動”這一觀點(diǎn)是正確的話,顯然,萊頓弗羅斯特效應(yīng)將并非為實(shí)現(xiàn)液滴“振蕩”狀態(tài)的唯一方法．你還能想到可以實(shí)現(xiàn)萊頓弗羅斯特效應(yīng)的其他方法嗎?請設(shè)計并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)你的想法．

在這一活動中,首先向?qū)W生介紹了萊頓弗羅斯特效應(yīng)這一有趣的振蕩星形水滴的現(xiàn)象,并解釋了這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,讓學(xué)生能夠基于這一原理提出新的誘導(dǎo)該現(xiàn)象的方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)上的實(shí)現(xiàn),即利用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果提出新問題并解決．

1.1.4 獨(dú)立實(shí)驗(yàn)問題解決活動

在本研究所設(shè)計的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)問題解決活動的過程中,學(xué)生從觀察教師精心選擇的物理現(xiàn)象開始,收集數(shù)據(jù)并在數(shù)據(jù)中尋找模式及規(guī)律,然后,學(xué)生們構(gòu)建理論模型來解釋他們的實(shí)驗(yàn)觀察,并預(yù)測實(shí)驗(yàn)的結(jié)果．接著學(xué)生們設(shè)計實(shí)驗(yàn),來驗(yàn)證提出的解釋．在完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)后,如果驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)顯示出學(xué)生們試圖解釋的現(xiàn)象的新特征或與預(yù)測不符,學(xué)生修正或放棄他們的解釋,那么實(shí)驗(yàn)過程又開始新的循環(huán)．最后他們可以使用驗(yàn)證過的理論模型來解釋其他現(xiàn)象或解決問題．即在這個過程中,學(xué)生會綜合運(yùn)用觀察型、驗(yàn)證型和開放型3類實(shí)驗(yàn)來解決問題,如圖7所示．

圖7 開放性實(shí)驗(yàn)問題解決過程

基于以上對獨(dú)立實(shí)驗(yàn)問題解決活動過程的分析進(jìn)行活動設(shè)計,下面展示獨(dú)立實(shí)驗(yàn)問題解決活動的一個活動樣例.

案例3.拿一個非常冷的瓶子,把一枚硬幣放在它的瓶頸上．隨著時間的推移,你會聽到聲音,并看到硬幣的運(yùn)動．解釋這個現(xiàn)象并研究相關(guān)參數(shù)是如何影響硬幣跳舞的．[10,14]

在對這一問題的研究中,學(xué)生會首先對“硬幣跳舞”的現(xiàn)象進(jìn)行觀察,并對其跳舞的規(guī)律進(jìn)行總結(jié),然后學(xué)生會結(jié)合他們觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行分析和解釋.有的學(xué)生也會利用理想氣體狀態(tài)方程、牛頓冷卻定律等熱力學(xué)規(guī)律對該體系進(jìn)行定量的理論研究.在建立理論模型時,需要驗(yàn)證牛頓冷卻定律等在這一現(xiàn)象中是否適用,然后分析這一系統(tǒng)中硬幣跳躍的時間與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系,并開始設(shè)計及進(jìn)行驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)．在驗(yàn)證的過程中,學(xué)生可能會發(fā)現(xiàn)一些新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或者與理論預(yù)測不同的現(xiàn)象.對于前者,學(xué)生可以根據(jù)進(jìn)一步的分析判斷已有的模型是否可以對其進(jìn)行解釋；對于后者,學(xué)生需要考慮如何對已有模型進(jìn)行修正以符合該現(xiàn)象．而對于已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)證的模型,學(xué)生可對如何根據(jù)變量之間的關(guān)系來控制硬幣的運(yùn)動等來進(jìn)一步應(yīng)用該模型解決新的問題,由此讓學(xué)生經(jīng)歷完整的實(shí)驗(yàn)問題解決過程．

2 探究活動的實(shí)踐

2.1 探究活動的實(shí)踐模型

成功參與科學(xué)實(shí)踐需要多種能力:設(shè)計實(shí)驗(yàn),收集和展示數(shù)據(jù),建立和交流解釋,基于解釋對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測,評價實(shí)驗(yàn)設(shè)計等．獲得這些認(rèn)知技能的一種途徑是通過認(rèn)知學(xué)徒制．[15,16]基于本研究所設(shè)計的探究活動的特點(diǎn),所采用的實(shí)踐模型為基于認(rèn)知學(xué)徒制的模擬模型(simulation model)．[17]在模擬模型中,教育者會創(chuàng)造一種支持學(xué)生在課堂中從事科學(xué)活動的教室環(huán)境(從目標(biāo)、實(shí)踐、方法及同伴關(guān)系等方面都盡量與科學(xué)活動相類似).在這種環(huán)境中,學(xué)生體現(xiàn)主體性且參與到問題解決過程的方方面面．[18]

2.2 活動對象

本研究選取四川省成都市某中學(xué)“2+4”學(xué)制的項(xiàng)目班學(xué)生進(jìn)行探究活動的開展.他們從中學(xué)3年級開始參與活動,持續(xù)時間從2016年9月至2018年7月,共4個學(xué)期．每周進(jìn)行一次活動,一次活動時長1.5 h．

2.3 實(shí)踐策略

考慮到在學(xué)校課程的框架下實(shí)施,因此在活動實(shí)施階段,根據(jù)認(rèn)知學(xué)徒制模擬模型過程中的“方法模型”(modeling)、“指導(dǎo)(coaching)/腳手架(scaffolding)”、“社會性互動(social interaction)”3種策略要素,給出在本研究的探究活動中的實(shí)踐策略,如表1所示.

表1 探究活動實(shí)踐策略

2.4 實(shí)踐過程

本研究根據(jù)Collins提出的通過認(rèn)知學(xué)徒制來實(shí)現(xiàn)認(rèn)知技能提高的活動4個階段,即(1) 建立能夠逐漸讓學(xué)生熟練的學(xué)習(xí)情境; (2) 當(dāng)學(xué)生參與到真實(shí)情境的活動中時,為他們提供腳手架及指導(dǎo); (3) 當(dāng)學(xué)生逐漸發(fā)展能力后,慢慢地去掉腳手架; (4) 為學(xué)生提供獨(dú)立實(shí)踐的機(jī)會,使學(xué)生逐漸領(lǐng)會在不同的情境中使用與學(xué)科相關(guān)的原理4個階段,將活動實(shí)施的具體流程描述如下.

2.4.1 建立學(xué)習(xí)情境

第1學(xué)期的第1-3周,該校邀請高校研究人員向該班學(xué)生展示科學(xué)研究過程,并帶領(lǐng)學(xué)生通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的實(shí)操對科學(xué)研究過程中需要的基本實(shí)驗(yàn)技能及方法加以掌握．

第1學(xué)期的第4-8周,教師介紹觀察型實(shí)驗(yàn)的作用以及經(jīng)典的觀察型實(shí)驗(yàn),學(xué)生根據(jù)教師提供的觀察型實(shí)驗(yàn)問題自主選擇,進(jìn)行第1輪觀察型實(shí)驗(yàn)活動．學(xué)生在每一活動階段開始時可自由組隊,但不超過3人(基于明尼蘇達(dá)大學(xué)合作問題解決的研究結(jié)論),完成前不進(jìn)行組員的調(diào)整．[19,20]

2.4.2 提供腳手架

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室任務(wù)單的引導(dǎo)下開始進(jìn)行探究活動,學(xué)生在這一階段需要自主設(shè)計實(shí)驗(yàn),研究問題中的現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)規(guī)律．針對學(xué)生要研究的問題,教師不會直接告訴學(xué)生應(yīng)如何設(shè)計實(shí)驗(yàn),當(dāng)學(xué)生遇到困難時,教師會在學(xué)生已有想法的基礎(chǔ)上,通過提問、與學(xué)生討論,幫助其判斷可行性,并讓學(xué)生進(jìn)行決策．完成后提交實(shí)驗(yàn)報告．

第1學(xué)期的第9-10周,教師基于PAER科學(xué)能力評分量規(guī)對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報告進(jìn)行評定,總結(jié)反映出的問題并及時反饋給學(xué)生,然后進(jìn)行活動的調(diào)整．

2.4.3 逐漸退去腳手架

在第1學(xué)期的最后5周,教師設(shè)計第2輪觀察型實(shí)驗(yàn)問題, 學(xué)生仍根據(jù)教師提供的觀察型實(shí)驗(yàn)問題進(jìn)行自主選擇并進(jìn)行探究活動,完成后提交實(shí)驗(yàn)報告,教師進(jìn)行評定．在這一階段,實(shí)驗(yàn)室任務(wù)單中的活動指南、與教師討論等指導(dǎo)及腳手架逐漸退去．

2.4.4 獨(dú)立問題解決

第1學(xué)期末,為學(xué)生提供獨(dú)立實(shí)踐的機(jī)會,使學(xué)生逐漸領(lǐng)會在不同的觀察型實(shí)驗(yàn)問題的情境中進(jìn)行問題解決的過程．

第2學(xué)期開始,與觀察型實(shí)驗(yàn)活動的開展類似,學(xué)生進(jìn)行驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)活動、應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)活動以及獨(dú)立實(shí)驗(yàn)問題解決活動,同樣經(jīng)歷這4個階段．每類型活動結(jié)束后,學(xué)生會針對其實(shí)驗(yàn)問題解決的過程進(jìn)行展示與匯報．

第4學(xué)期開始,學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行完整的開放性實(shí)驗(yàn)問題解決活動(Lab9階段),活動結(jié)束后,在學(xué)期末學(xué)生會針對其實(shí)驗(yàn)問題解決的過程進(jìn)行展示與匯報．這一階段的開放性實(shí)驗(yàn)問題的設(shè)計會避開與前3個階段研究思路相似的問題,并以考察學(xué)生多種科學(xué)能力為目的進(jìn)行選擇．

3 活動實(shí)踐效果分析

學(xué)生在進(jìn)行各類探究活動時,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室任務(wù)單中的活動指南完成實(shí)驗(yàn)報告,而活動指南所設(shè)計的問題與要考察的學(xué)生的科學(xué)能力相對應(yīng)．其中,所考察的科學(xué)能力框架及其測評工具是羅格斯大學(xué)物理與天文教育研究小組(PAER)開發(fā)的,包含“問題表征”、“建立解釋”、“預(yù)測現(xiàn)象”等16個子能力維度．

活動的效果通過兩輪各類型實(shí)驗(yàn)活動后學(xué)生各維度的科學(xué)能力值來進(jìn)行評估,通過SPSS軟件對兩輪實(shí)驗(yàn)活動后的學(xué)生各維度的科學(xué)能力分?jǐn)?shù)均值進(jìn)行差異性檢驗(yàn),將不同類型實(shí)驗(yàn)活動中存在顯著提升的科學(xué)能力維度增益統(tǒng)計如表2所示.

表2 不同實(shí)驗(yàn)活動對科學(xué)能力各維度的增益

不同類型實(shí)驗(yàn)活動中顯著提高的科學(xué)能力及其原因分析如表3所示.

表3 不同類型實(shí)驗(yàn)活動所提高的科學(xué)能力及其原因分析

續(xù)表

4 結(jié)語

為改進(jìn)中學(xué)物理中科學(xué)實(shí)踐方面存在的問題以及提升學(xué)生的科學(xué)能力,本文構(gòu)建了基于開放性實(shí)驗(yàn)問題解決的探究活動的設(shè)計及實(shí)踐框架,并進(jìn)行了實(shí)踐研究．活動實(shí)踐結(jié)果顯示,這種探究活動提高了學(xué)生的科學(xué)能力,且每種類型的實(shí)驗(yàn)活動對學(xué)生科學(xué)能力的提升各有側(cè)重,且實(shí)施過程中關(guān)注到了學(xué)生的個體化差異．本文探究活動的設(shè)計和實(shí)施提供了開放性實(shí)驗(yàn)問題解決與探究活動深度融合的具體實(shí)踐．基于研究結(jié)果,對于該類活動實(shí)施過程提出以下建議.

(1) 在活動實(shí)施過程中教師要明示科學(xué)能力的要素及內(nèi)涵要求．研究表明,在沒有為學(xué)生明示科學(xué)能力及其包含的要素以前,學(xué)生往往會急于求成而忽視應(yīng)用科學(xué)方法解決實(shí)驗(yàn)問題的過程,甚至在大多數(shù)情況下,尤其是對于熟悉的問題情境,他們都沒有意識去利用有效的證據(jù)來證明和解釋自己的觀點(diǎn)與假設(shè)．因此,教師在活動實(shí)施過程中要向?qū)W生闡明并應(yīng)用恰當(dāng)?shù)睦诱故究茖W(xué)能力的含義,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室任務(wù)單等腳手架去解決問題,幫助學(xué)生學(xué)會如何以多重方式表征問題情境,如何建立定性解釋或定量關(guān)系解釋現(xiàn)象,以及如何從證據(jù)入手,提供推理過程的科學(xué)方法．

(2) 擴(kuò)大活動中實(shí)驗(yàn)問題的選擇范圍．研究表明,活動中開放性實(shí)驗(yàn)問題的選取對學(xué)生科學(xué)能力的發(fā)展起著非常重要的作用．本研究中實(shí)驗(yàn)問題的選擇主要來源和改編于國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽(以下簡稱IYPT)的賽題以及從國內(nèi)外物理專業(yè)期刊,如《Physical Review Letters》、《American Journal of Physics》、《物理實(shí)驗(yàn)》、《大學(xué)物理》等雜志中挑選的普通物理方向的適合中學(xué)生進(jìn)行開放性研究的課題．其中IYPT國際組委會每年發(fā)布17道具有開放性、物理性、真實(shí)情境性的問題．這些問題沒有標(biāo)準(zhǔn)答案,每位學(xué)生可以運(yùn)用研究能力以不同方式找尋合理的解答．符合本活動中所需的實(shí)驗(yàn)問題的要求．除此之外,活動過程中還可以從國內(nèi)外科技創(chuàng)新競賽中選取素材,可以更多地涉及與實(shí)際生活結(jié)合較為緊密的挑戰(zhàn)性問題,發(fā)展學(xué)生將科學(xué)能力應(yīng)用于生活中的能力．

(3) 增加對于小組合作過程的指導(dǎo)．通過對學(xué)生小組合作過程的調(diào)查發(fā)現(xiàn),一些學(xué)生在合作解決問題過程中參與度不高,比如組內(nèi)有成績優(yōu)異或者擅于主導(dǎo)探究的學(xué)生,那么其他成員的積極性就會受到影響．因此在最初分組時既要考慮不同層次學(xué)生的搭配,也要多鼓勵和引導(dǎo)組內(nèi)暫時處于劣勢的學(xué)生積極表達(dá)個人見解,平等合作,尤其是在他們的探究遇到困難的時候,在適當(dāng)程度提供指導(dǎo)．

(4) 豐富探究活動的形式．在開放性實(shí)驗(yàn)問題解決的過程中,學(xué)生為主動探究的方式,教師提供的幫助更多的是引導(dǎo)與討論．可以進(jìn)一步提供更多樣的活動形式,例如引導(dǎo)有一定探究成果的學(xué)生進(jìn)行全班甚至全年級范圍內(nèi)的展示,其他學(xué)生與之進(jìn)行交流、提問、建議的方式促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步探究,培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力．又或者組織學(xué)生針對當(dāng)前的熱點(diǎn)科學(xué)問題收集證據(jù)進(jìn)行討論,深化學(xué)生科學(xué)能力的進(jìn)一步內(nèi)化,以及科學(xué)觀念的形成．