基于SWH探究策略的物理實驗教學探索

熊華暉

(首都醫科大學生物醫學工程學院物理教研室 北京 100069)

張穎之

(首都師范大學生命科學學院 北京 100048)

嚴華剛

(首都醫科大學生物醫學工程學院物理教研室 北京 100069)

科學研究表明，主動的學習者是成功的學習者，而探究性學習作為主動學習的有效方式之一，受到國際教育研究者的重視．我國也明確提出在各級教育中倡導探究性學習，這既是受國際教育研究趨勢的影響，更是因為探究性學習在人才培養上具有獨特優勢和巨大潛力．《美國國家科學教育標準》中對探究有這樣一段描述：探究是指學生們用以獲取知識、領悟科學的思想觀念、領悟科學家們研究自然界所用的方法而進行的各種活動[1]．探究教學的原則是“讓學生自己得出概念，而不是把概念灌輸給學生”．從探究的界定以及探究教學的原則可以發現，探究更看重知識的獲取過程而不僅是知識本身．對知識的獲取更強調是通過引導、討論、積極思維來自我建構，而不是僅依賴于聽講和記憶．研究表明學生在進行探究活動的過程中，技能得到很好的發展，思維能力和創新能力得到有效鍛煉，對科學本質的理解和科學社會等深層次內容有更多的思考和領悟[2]．而這些內容都是運用傳統教學方法難以實現的．

然而在實際課堂教學中，探究性學習的發展還很不足，實驗教學也多以“菜譜式”步驟(cookbook-like procedure)進行，學生專注于實驗步驟與儀器操作甚過對科學原理的思考．由于缺少自主設計、獨立思考和小組討論研究的機會，學生難以將實驗目的、過程、結果和現象之間建立聯系，而僅僅是被動完成操作步驟，按部就班地完成實驗所布置的任務；學生在學習過程中始終處于被動接受知識的地位，缺少對學習內容積極主動的思考．這使得實驗教學流于表面和形式，顯然不符合創新人才培養的需要．

如何進行有效的實驗探究，從而促進科學的學習呢？這些問題一直受到科學教育界的關注．啟發式科學寫作(Science Writing Heuristic, SWH)探究教學策略就是在這樣的背景下提出和發展起來的，它由美國學者Keys和Hand等人研究開發[3]，把實驗報告寫作置于實驗探究的背景下，結合小組合作形式展開，強調讓學生更加細致地思考整個實驗活動，考慮證據是如何支持結論的，清楚問題—證據—結論之間的邏輯關系．科學教育研究者嘗試在各學科實驗教學中應用SWH策略[4～6]，已有的研究表明這個策略在發展學生的概念理解以及探究能力方面具有明顯的效果．

1 SWH探究策略概述

啟發式科學寫作(SWH)探究策略包括了兩個模版：教師模版和學生模版．教師模版(見圖1)提供了一系列可供教師選擇的教學活動，以促進學生有意義學習，包括：考查學生課前理解，針對主題提出問題，參與實驗活動，讓學生思考數據的意義，讓學生交流分享解釋，個人反思和寫作等．教學活動的選擇和編排由教學情境、學生情況、教師個人風格決定．

圖1 SWH完整教師模版(可選擇組合)

學生模版(見圖2)為學生提供了實驗活動和思維認知兩方面的支持，同時也構成了實驗報告的主體內容．包括：起始問題、實驗、觀察、觀點、證據、閱讀、反思等，教師可根據實際情況進行選擇組合．

圖2 SWH完整學生模版(可選擇組合)

2 SWH教學策略在物理實驗教學中的運用和實踐

我們嘗試將上述SWH探究策略運用于物理實驗教學中，探索新型的實驗教學模式和實驗報告記錄方式．

2.1 教學案例內容分析

“超聲波聲速測量”物理實驗已面向我校本科2年級學生開設多年．實驗內容為：指導學生使用雙蹤示波器，應用駐波法和相位法兩種方法測量超聲波在空氣中的傳播速度．

為了更好地體現SWH探究策略的理念，我們對這部分的傳統實驗內容作了一定調整.

(1)加入“測量超聲波在水中的傳播速度”環節，這是便于學生能對超聲波在不同傳播介質(空氣，水)中對速度進行比較，從而能夠更深入地探討和理解聲波在介質中傳播方式、不同介質物理性質對聲速的影響，在此基礎上聯系到超聲波聲速在醫療方面的獨特應用．

(2)僅選擇使用相位法測超聲波聲速．駐波法和相位法都可以用來測超聲波聲速，但使用相位法更利于觀測波形，測量結果也較駐波法更為準確．為了清晰展示波形、節省操作時間，為學生討論交流環節的充分進行留出空間，我們沒有讓學生用兩種方法測量超聲波聲速，而只使用了相位法測超聲波聲速．

2.2 教學對象和學情分析

本實驗教學對象是醫學類本科學生，實驗課與理論課《醫學物理》同步進行．在進行實驗課時，學生已經從理論課中學習了機械振動中涉及聲音傳播的基本知識，但有關聲音的產生，以及如何在介質中具體的傳播形式等知識并未在理論課中涉及，這些內容將在實驗課中得到拓展和深化．教師將力圖引導學生深入理解聲波在介質中的傳播行為，期冀學生在掌握具體操作的基礎上，獲得聲波傳播物理行為的整體概念，以及對科學實驗研究更為全面的認識．除此以外，我們還注意到將知識與學生感興趣的實際運用相聯系，在此表現為將“超聲波聲速測量”與醫療實踐應用相聯系．

2.3 教學目標

實驗教學的傳統目標主要定位在實驗操作的知識和技能層面．運用SWH探究策略的實驗教學期望能從三維立體層面使學生得到提高．

(1)知識目標.了解超聲在壓電陶瓷裝置中的產生過程，以及聲電和電聲的相互轉換過程；理解超聲波在介質中的傳播過程以及介質物理性質對聲速的影響；定性解釋聲速在不同介質中的差異．

(2)能力目標.正確使用雙蹤示波器；應用相位法測量超聲波聲速；增進科學推理和解釋能力；鍛煉交流表達和合作能力．

(3)情感態度與價值觀.激發好奇心和求知欲；養成嚴謹的科學態度；培養科學的思維習慣和理解力．

2.4 基于教學案例比較傳統教學思路和SWH教學思路

以“超聲波聲速測量”實驗教學為例，從教師和學生行為兩個方面，對傳統教學和運用SWH探究策略進行教學的各個環節進行了比較，如表1.

表1 傳統教學思路和SWH教學思路的比較

2.5 實驗報告和學生反饋

傳統的實驗報告一般包括如下內容：實驗目的、實驗器材、實驗原理、實驗內容、數據記錄及處理．我們根據SWH教學策略對傳統實驗報告進行了改編，要求學生完成的報告內容包括：提出實驗問題、設計實驗步驟、數據記錄及處理、得出實驗結論、證據、反思、探討．其中“探討”包括：在做實驗時碰到什么困難，你是如何解決的？你認為你的結論是否可信，并說明原因．在本次實驗中你有哪些收獲？

從學生課堂表現來看，學生參與熱情很高，在動手實驗的過程中勤于動腦、樂于交流，師生互動良好，取得了很好的教學效果，達成了教學目標；從實驗報告完成情況來看，絕大多數學生都按照要求完成報告，特別是在結論的證據、反思和探討部分較為深入地剖析了實驗操作過程和自己的思維過程．

另外，我們還讓學生填寫了主觀反饋意見，讓學生報告本次授課方式與以前的差別，以及他們更喜歡哪種方式及原因．從回收的情況來看，絕大多數同學都認為這種授課方式比以往更好，學生提到的優勢主要體現在如下5個方面.

(1)學習方式變被動為主動，思考問題的方式發生轉變，能夠激發學生的思維；

(2)不同于以往單調枯燥、按部就班的實驗操作，SWH實驗教學方法更加靈活、具有趣味，能夠調動學生的積極性和興趣；

(3)益于理解深層次的本質原理，留在頭腦中的印象更為深刻；

(4)通過全班性的合作探討，很好地鍛煉了學生的表達與交流能力；

(5)引導學生體會了實驗探究過程，學生從中鍛煉了探索問題和解決問題的能力．

3 總結和反思

課堂教學的順利進行和學生的良好反饋體現了SWH探究策略運用于物理實驗教學的可行性和有效性．作為一種整合指導型探究過程與交互式小組活動的有效策略，SWH幫助教師實現了由傳統實驗教學向探究實驗教學的轉變．

值得注意的是，SWH教學模版并不是單一、固定不變的，而應隨著特定的實驗活動進行變化，要符合實驗內容和學生情況的需求．這就要求教師在設計SWH實驗教學活動時，不是機械地套用模版，而是要把握它的核心思想，即構建一個教師指導下的以學生為中心、互動的小組實驗探究活動，強調激勵學生不斷地思考，引導學生建立“問題—假設—實驗設計—數據—結論”的邏輯思維范式．教師要切記整個實驗是以學生為中心的，不要在實驗前直接將答案告訴學生，而是用合適的導向性問題引導學生自己得到答案，這正是激發學生主動學習的機會，對自己和學生都要有一些耐心．

為了有效幫助教師進行基于SWH探究策略的實驗教學，表2分別列出了教師是否符合SWH策略的課堂教學行為，通過對比這些行為，教師能迅速把握SWH探究策略的關鍵要點，為教師進行SWH實驗教學指明清晰的路徑．

表2 是否符合SWH策略的課堂教學行為

參考文獻

1 美國國家研究理事會. 美國國家科學教育標準.北京：科學技術文獻出版社，1999.28～32

2 Cakir,M.Constructivist Approaches to Learning in Science and Their Implication for Science Pedagogy:A Literature Review.Lnternational Journal of Environmental and Science Education,2008,3(4):193～206

3 Hand,B.，Keys,C.Inquiry Investigation:A New Approach to Laboratory Reports.The Science Teacher,1999, 66 (4):27～29

4 Rudd,J.,Greenbowe,T.J.，Hand,B.M.Using the Science Writing Heuristic to Move Toward an Inquiry-Based Laboratory Curriculum:An Example from Physical Equilibrium.Journal of Chemical Education,2001,78:1680～1686

5 Rudd,J.,Greenbowe,T.J.，Hand,B.M.Reshaping the General Chemistry Laboratory Report Using the Science Writing Heuristic.Journal of College Science Teaching,2001,31:230～234

6 Poock,J.R.,Burke,K.A.,Greenbowe,T.J.，Hand,B.M.Using the Science Writing Heuristic in the General Chemistry Laboratory to Improve Students' Academic Performance.Journal of Chemical Education,2007,84:1371～1379