整體實驗教學的設計與實踐
——以“沸騰實驗”為例

謝祥金

重慶市北碚區教師進修學院，重慶 400700

對大量課堂實驗教學進行觀察分析發現：很多完整的實驗教學過程被人為地切分成不同側重點的實驗碎片；學生缺乏對實驗過程的體驗與思考；實驗為“需要的數據”而做，漏掉一些重要信息。如何解決這些問題，提高教與學的效率和效益，我們提出實施整體實驗教學。

1 整體實驗教學概念

1.1 概念界定

整體實驗教學就是創造真實的實驗全過程，讓學生觀察記錄實驗過程中所有現象與數據的全信息，根據實驗目的從全信息中選取有用信息，提煉結論，弄清無關信息對結論的影響及其所涉及的相關知識，從全信息的視角去打通知識與知識之間的壁壘，構建完整的知識邏輯網絡體系。

1.2 整體實驗教學的理論依據

從大單元教學設計的視角，以單元知識體系的建構為出發點，把相互聯系或關聯的知識進行整體小實驗群設計，或者把存在緊密邏輯關系的知識鏈或網設計到一個完整的實驗全過程中。

從深度學習理論的視角，學生圍繞著可實施的實驗任務群或實驗去解決一系列的問題串，全程積極參與、交流討論、歸納總結，獲得對物理知識的認知、理解。

從系統結構理論的視角，應抓住整體小實驗群或整體實驗的全實驗過程、全實驗現象、全實驗數據信息，它們彼此相對獨立而又相互聯系、相互影響的關系及規律，建構微觀與宏觀單元知識規律結構體系。

從深層教學設計理論的視角，要從大學學科需求的高度審視中學物理實驗教學，深入研究物理實驗教學與物理基本概念、物理規律、物理技能之間的本質內涵，激發學生的學習興趣，引導學生掌握物理學的本質，才能簡單、有效、深刻地進行教學。

2 整體實驗教學的實施

2.1 整體實驗教學的實施策略

系統性策略，就是對某單元或某知識板塊所涉及的物理基礎知識與基本技能進行整合，弄清相互關系和內在聯系，構建探尋實驗群或實驗的一系列現象的設計方案，幫助學生對知識進行系統性認知與體驗。

整體性策略，就是確保物理實驗過程的完整，不能為了某個結論或規律所需要的“正確數據”而把完美的實驗進行分解或切割，出現盲人摸象的結果；把大單元教學的理念滲透到實驗的整體設計中，幫助學生建構起整體知識體系，深化對整體知識體系的認知與理解。

全面性策略，就是實驗任務設計要有助于引導學生多角度、多視野、多過程地去觀察實驗現象，記錄、分析、處理實驗數據，全方位地解釋實驗現象與結果。

開放性策略，就是實驗教學設計既要有明確的任務與操作，又要有能激發學生愿意去探索、思考的不確定過程與環節。通過明確的任務與操作實現本節課教學的重點突破，形成需要的結論；通過不確定過程與環節引發學生深入思考、聯想，探尋與所學知識相關的知識或規律，給學生留下或多或少遐想的空間與疑慮，為后續知識的學習留好銜接端口。

參與性策略，就是對實驗整體設計要有學生可以參與、完全參與的過程或環節。通過這樣的設計讓學生深度參與到實驗探究的全過程中，積極思考、交流、分享、總結、應用等，讓學習真實發生。

2.2 整體實驗教學的實施框架流程

整體實驗教學的實施框架是兩條路徑、四大理論支撐和四個推進環節，都著眼于一個中心任務，如圖1所示。

圖1 整體實驗教學實施流程圖

具體而言：兩條路徑，一是深度實驗研究，從中挖掘隱藏在實驗全過程里的多個知識點，再對原有實驗操作流程進行完善、改進、優化的整體設計，讓多個知識點自然互融、互連、互通；二是深度研究教材，尋找相互關聯的多個知識點，探尋各個知識之間的本質聯系或實驗聯系，再系統、完整地進行小實驗群或整體實驗設計。

四大理論支撐就是以大單元教學設計理論、深度學習理論、深層教學設計理論、系統架構理論作為整體實驗教學設計的思考引領和理論支撐。

四個推進環節是指教學實施完善的過程，包括課堂實踐、實驗反思改進、課堂再實踐、整體實驗教與學效果的評價。

一個中心任務是探尋物理教師教得輕松、學生學得輕松，還能高效地培養學生物理素養的整體實驗教學路徑。

2.3 整體實驗教學的設計實施案例

我們以“探究沸騰實驗”進行整體實驗教學設計與實施為例進行分享，根據課標和教材（滬科版）實驗主要目的是探究水沸騰過程中溫度變化的規律，把“沸騰、蒸發、液化”等相關知識在“沸騰實驗”中進行整體研究，其實驗目的為：探究沸騰現象，明確什么是沸騰，怎樣判斷水沸騰了，沸騰還與哪些熱現象或知識相聯系。具體設計與實施如表1所示。

表1 整體實驗教學設計實施案例

續表1

3 整體實驗教學的教育教學價值

通過整體實驗教學的教學設計、課題實踐、課堂評價以及教學效益的探索和研究，我們發現整體實驗教學的教育教學價值。

3.1 有助于學生實驗探究素養的形成

整體實驗教學前后兩次為學生制定的任務清單，通過學生“競爭性”的自我完善，實現對實驗的全面性觀察。比如，本文教學案例初次實驗，教師僅讓學生觀察燒開水過程中的所有物理現象并做好記錄，沒有具體觀察什么的要求，通過交流分享，學生明確了實驗全過程的觀察點，也意識到自我觀察能力的欠缺。這樣的設計有助于培養學生認真觀察、記錄實驗全過程的每一個細節的習慣，提升觀察能力、數據記錄表格的設計能力、糾正操作過程的錯誤與不規范的能力等。

讓學生從眾多的實驗數據中篩選出本節課所需的數據，推理判斷出干擾數據以及它們帶來的影響或聯系著的相關知識，由此進行抽象、歸納，得到理想的概念、規律。這種選擇（重點）性的實驗分析、處理有利于提高學生從真實情境中篩選數據、處理數據的能力，幫助學生理解物理概念和建構物理模型。

3.2 提高學生解決問題的能力

在整體實驗教學的過程中，學生全程的實驗體驗、完整的實驗現象觀察、全面的實驗推理是直觀、高效解決問題、破除題海的有效手段，可實現減負提質增效。比如，本文研究“沸騰”整體實驗，從開始加熱，升溫，沸騰，到持續沸騰的過程，就涵蓋了燃燒、熱量、汽化、蒸發、液化、氣態方程等知識，弄清彼此之間的聯系并進行推理，有利于幫助學生構建完整的知識邏輯體系，提供解決相應實際問題的依據與結果。

3.3 為教師改進教學與評價提供依據

蘊藏在實驗全程中的現象、知識點以及它們之間內在關聯的規律等是很好的、真實的、嚴謹的命制檢測學生素養能力工具（試題）的情境素材，能很好地檢測學生對知識的理解、掌握程度和運用知識綜合分析判斷、邏輯推理、創造性解決實際問題的能力。

課堂實踐證實了整體實驗教學能培養學生統籌協調的團隊意識、認真且耐心的做事態度、理性的思考習慣，整體實驗過程能改善學生學習物理的方式與習慣。從課堂評價與課堂效益的角度，證實了整體實驗教學能促使教師改變教學方式方法。