探究型實驗報告的構建與實施研究*

熊華暉 劉志翔 郭學謙 嚴華剛 張海霞 黃菊英 黃曉清 許莉莉 曲 典 李姍姍 姬長金 黃亞奇

(首都醫科大學生物醫學工程學院 北京 100069)

實驗教學是科學教育中非常重要、不可缺少的環節，任何其他教學方法和手段都無法代替，同時也是培養高素質創新人才的必要方式[1～5]，對學生核心素養的全面發展有積極的促進作用.實驗報告作為實驗教學中重要的課程資源，在學生的學習過程中起到極大的思維引領作用.遺憾的是，傳統實驗報告并未充分發揮出其在教和學上的潛在價值，大多尚僅停留在“實驗要點”的摘抄和“實驗數據”的記錄上，這使得實驗教學面臨流于枯燥的“按方抓藥”菜譜式操作訓練的風險，也與創新能力培養的終極目標相行漸遠[6,7].仔細思考，這是由于傳統實驗報告尚未跟上新時代教學方式和學生學習方式的轉變，直接體現在傳統實驗報告的要求和形式制約了學生思維發展的空間[8,9].因此，想要促進實驗教學的深層次變革，非常需要研制符合現代教學理念的新型實驗報告.

1 傳統實驗報告的現狀與問題

傳統的實驗教學環節注重實驗目的、實驗原理、實驗操作和數據記錄等環節，要求學生在報告中重點體現這些關鍵點，由此形成了特定的實驗報告撰寫形式.

報告一般包括如下內容：

(1)實驗目的；

(2)實驗器材；

(3)實驗原理；

(4)實驗內容；

(5)數據記錄及處理.

其中，實驗目的、器材、原理和內容往往要求學生在課前預習抄寫在實驗報告上，然后在課堂上讓學生按照這些步驟完成實驗操作過程，并要求學生將實驗結果記錄在實驗報告上.教師對學生完成實驗報告的要求大多體現在要點詳實、格式規范、態度嚴謹、字跡清晰、內容完整、結果正確.這樣的實驗報告套路模式固然有助于學生順利完成實驗操作、培養學生嚴謹求實的科學態度，但是卻忽略了引導學生主動思考的深層思維訓練[10,11].事實上，實際實驗教學中確實存在不少學生對實驗報告撰寫流于形式、不求甚解，甚至將實驗報告看作“形式負擔”.即便教師在實驗教學過程中一再強調和引導學生對實驗思路展開探討，但體現在實驗報告的撰寫上效果差強人意，難以促進學生的主動參與和勤于思考.

總體來說，傳統實驗報告的不足，主要體現在如下幾個方面：

(1)傳統實驗報告在內容要求上過于強調實驗儀器的操作，忽略對實驗過程中出現問題的分析和解決，這樣不利于培養學生的實踐創新能力；

(2)傳統實驗報告在安排序列上雖體現了實驗各環節間的關系順序，但忽略了對實驗設計原理的深層理解；

(3)傳統實驗報告的撰寫方式易使實驗過程流于形式，學生在實驗教學過程中始終處于被動地位，不能有效地激發學生對實驗的思考和興趣.

如何通過改進實驗報告，激發學生對實驗的主動參與和積極思考，加深學生對實驗的深層理解和分析能力，進而促成實驗教學的變革，是新型實驗報告需解決的問題.

2 探究型實驗報告的研制思路

研究表明，學習者的主動性是有效學習的重要因素，因此，如何在教學過程中激發學生的主動參與受到教育界的普遍重視[12,13].探究式教學強調學習過程中的互動性并以問題為導向引導教學環節，是提高學生主動參與的有效教學方式[14～17].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”.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[18].探究式教學能夠更好地引導學生對教學內容展開積極參與和思考，然而由于教學總是基于有限目標展開，因此探究的內容和形式需要限定在合適的范圍和程度之內，如何平衡有限的教學目標和探究范圍是實際教學過程中需認真思考的問題.

為了在實驗教學中較好地解決這一問題，本研究研制了以核心問題為導向的探究型實驗報告，這就要求學生無論是在具體的實驗操作過程中還是在最終的實驗報告撰寫環節都基于核心問題而展開，引導學生對問題展開思考，搜集證據，并討論如何解決問題，而不僅僅是操作的記錄和分析，這種方式將更加關注培養學生分析問題和解決問題的能力.

問題的提出和解決是探究式實驗教學的關鍵環節，具有提綱挈領的作用.而實驗過程中可能涉及多方面的問題，例如概念性的問題、操作性的問題或計算處理方面的問題等.若設置問題過多，勢必分散學生的注意力，使得學生難于掌握實驗要領.因而，實驗報告將圍繞與實驗相關的科學性核心問題展開，貫穿始終.其中，實驗操作過程是基于核心問題的證據獲得環節，而課堂討論則是組織分析材料探討問題解決方式的過程.圖1展示了傳統實驗報告和探究型實驗報告思路框架的區別.

(a)傳統實驗報告的思路框架

傳統實驗報告的思路框架體現了信息的單向流動，即學生一步步操作完成實驗即可，容易形成對實驗的刻板思維模式，即實驗就等于操作完成要求的既定步驟.而探究型實驗報告則體現了信息的流動和反饋作用過程，實驗報告以核心問題為中心環節，形成了閉合的反饋回路.探究型實驗報告要求學生將實驗操作放置在解決問題的大背景和環境之下，避免了學生為了完成實驗而操作的盲目性.

3 探究型實驗報告的內容要素

3.1 核心問題

核心問題的設置和解決是探究型實驗報告的主要要素.一般來說，針對不同實驗類型，核心問題提出的角度也不同.

比如，操作性實驗強調學生使用和掌握儀器、進行數據處理等，其中數據的精度往往反映了操作者的實踐能力，因而針對此類實驗的核心問題應設置為如何確定和分析實驗數據的誤差并預估實驗的測量結果.例如，長度測量實驗、分光計的調節等主要要求學生掌握儀器的操作測量過程.

驗證性實驗強調對學科知識主干原理或規律的實驗驗證過程，針對這一類實驗核心問題可圍繞如何能夠驗證某一原理而提出.例如，金屬絲楊氏模量的測量、光電效應等由實驗測量數據驗證基本的物理規律.

現象性實驗主要培養學生對實驗現象的觀察和概括能力，對這一類實驗的核心問題可設置為實驗現象是如何產生的以及背后的物理機制是什么.例如，超聲成像、人體生理參數測量和旋光實驗等基于實驗基本現象引發學生對現象的物理解釋.

3.2 證據收集

在確定核心問題后，實驗教學圍繞核心問題而展開.學生在實驗教學中要收集證據回答教學中提出的核心問題.因此，收集證據的過程是回答核心問題的必要過程.探究實驗教學中收集證據過程相當于傳統實驗教學中的操作環節.雖然探究實驗教學中的證據收集過程和傳統實驗教學中的操作部分及數據處理內容基本一致，但這兩者在實驗教學中的意義卻有顯著的差別.傳統教學中操作部分是獲得實驗結果的必要過程，更多體現出實驗的流程性，而在探究實驗教學中證據的收集過程是放置在解決核心問題背景下的，較好地體現了科學研究中的邏輯關系，讓學生對科學探究的本質能夠有較清晰的認識，即設計精巧實驗驗證猜想在解決科學問題中的重要作用.

3.3 分析討論

分析討論環節即學生對實驗結果進行評判、分析、討論后得出結論.在傳統實驗教學中往往忽視了這一重要環節，實驗操作完畢并且處理好數據就幾乎完成了主要的課堂教學內容，學生缺失了對結果的探討，未能調動學生對結果的進一步思考.而對于探究實驗教學，分析討論環節是引導學生對實驗結果進行反思、質疑、分析并回答核心問題的重要一環，是培養學生科學思維的中心環節.

4 探究型實驗報告的項目與使用

探究型實驗報告的項目包括核心問題、預設回答、實驗器材、設計實驗步驟、數據記錄及處理、實驗結論、證據、反思、探討，全部以問題形式注明以幫助學生把握實驗研究整體思路.表1呈現了傳統實驗報告與探究型實驗報告的項目，從中可以看出兩者的區別.

表1 傳統實驗報告與探究型實驗報告的項目

在教學使用上，傳統實驗報告一般要求學生在課前和課后填寫，而探究型實驗報告作為學生學習的學案，將整合入完整的實驗教學過程進行使用，且不要求學生在課前填寫.具體教學過程如下.

4.1 核心問題引入

教師在課堂實驗教學展開之前應提前設置有關本實驗的核心問題，待實驗教學展開時，教師應首先向學生明確提出有關本實驗的核心問題，引領學生思考如何解答該問題.核心問題的設置不宜過多，一般一個或兩個即可.體現在實驗報告上，應明確要求學生在撰寫實驗報告時將此核心問題開宗明義地概括總結出來，并要求學生在實驗操作之前，嘗試依據自己現有的背景知識回答這一問題，并填寫入實驗報告.

4.2 引出實驗

提醒學生當科學研究中需要判斷自己的猜想假設是否正確，就需要做實驗來驗證.此時教師講解實驗儀器的原理、操作方法與步驟，要求學生在實驗報告處記錄所使用的主要儀器及操作步驟，若內容較多，在課堂上僅做簡單記錄，細節可留待課下補充.之后學生開始進行實驗，教師全班巡視學生的操作.

4.3 記錄數據

提醒學生準確詳細地記錄實驗數據，實驗結束后讓學生將各自的數據記錄在實驗報告上，同時將小組數據寫在黑板上，便于下一步的全班討論.

4.4 引導討論

引導討論交流Ⅰ：引導全班學生對實驗數據展開討論，得出結論.選擇學生代表發言，重點闡述如何得出結論，證據是什么.

引導討論交流Ⅱ：引導全班學生分析為什么會有這樣的結果，并就實驗數據的意義進行說明等，嘗試與學科主干知識原理相聯系，加深對學科核心概念原理的理解.

引導討論交流Ⅲ：這一部分要求學生回顧自己在課堂剛開始時所回答的核心問題的答案.在實驗完成后，預先的答案是否與最后實驗完成后的答案一致.若不一致，應在實驗報告上寫明為何自己先前的想法和最后的結果不一致，并可討論自己是否接受這一答案等，若不接受，理由是什么，能否進一步驗證自己的想法等等.若答案一致，可分析自己為什么會得到這一答案等，實驗中有哪些結果是自己先前所未曾預料到的.

4.5 知識擴展

拓寬學生的思考，引導學生對實驗原理所支配的類似物理現象展開討論，并且能夠結合和聯系生活中的實際例子以加深對學科主干知識的理解和掌握.如，在進行超聲聲速測量實驗完成后，可以將超聲聲速與醫療方面技術應用相聯系：利用超聲聲速可以測定骨密度，診斷患者是否患有骨質疏松等疾病；利用超聲多普勒儀可以無損測量人體血液流速，從而幫助醫生對一些心血管疾病做出診斷等.

4.6 總結

引導學生對影響實驗結果的因素展開分析，探討實驗過程中遇到的困難和解決方法.布置學生按要求完成實驗報告.