五版新高中物理教材實驗探究水平表征評析

郭芳俠，韓麗梅，何 琳

陜西師范大學物理學與信息技術學院，西安 710119

1 問題提出

《普通高中物理課程標準（2017年版）》中將科學探究作為物理學科核心素養的要素之一，強調了“科學探究能力的培養應滲透在物理教學的整個過程中”，并認為物理實驗在培養學生的探究能力方面具有重要作用[1]。

探究水平是指學生在科學探究活動中表現出的水平的高低程度，由美國課程理論研究專家施瓦布在1962年首次提出。施瓦布認為，探究活動應包含三要素：“提出問題”“設計方案”“得出結論”，并依據師生在課程中的參與程度將各要素的探究水平分為三個等級，學生參與的程度越大，活動的探究水平越高[2]。此后，有關探究水平體系的構建都在此基礎上展開，如赫倫在施瓦布體系上增加了“水平0”（活動完全不具備開放性），其四水平探究體系相較而言較為全面，各水平間有明顯的差異表征，易區分，因此得到較為廣泛的應用[3]。此后，不同的研究在上述基礎上，從細致描述探究要素和師生在活動中的參與程度等方面，構建了不同的框架，但對探究水平的劃分整體差異不大。

學者張新宇對國外各探究水平框架的建構發展及特色進行述評[4]，并在赫倫等研究的成果上，以師生地位界定為基礎，對各環節探究水平要求進行了細化，確定了分析教材探究活動水平的“五環節四水平”框架，研究了英國初中科學基礎型教材和發展型教材中活動的探究水平差異[5]。目前，國內對于探究水平體系的構建基本相似。姚娟娟等基于張新宇的體系構建了實驗類欄目探究水平的分析框架，分析了人教版（2019年版）高中化學教材實驗類欄目的探究水平[6]；張嘉新等在赫倫成果的基礎上對探究水平分類進行了研究，分析了人教版（2019年版）高中化學教材中的探究性實驗，并進行了探究水平的分類[7]。邱文婷等基于張新宇的探究水平體系比較了2019年版三套高中物理教材（人教版、滬科教版、粵教版）必修部分的實驗探究水平[8]。

教科書作為重要的課程教學資源和課程標準落實的載體，一定程度上反映著科學教學的真正改革。物理實驗是物理教學的重要內容，是幫助學生更好地理解物理規律和現象的有效教學方法。已有實證研究表明，在物理課中實施的探究活動對學生的學習收益有著積極影響[9]。實驗的探究水平直接影響著學生提出問題、探究問題、分析推理及合作交流等能力的發展。因此，研究新版高中物理教材實驗探究水平非常必要。

2 研究設計

2.1 研究對象

為全面了解我國新版高中物理教材實驗探究水平，選取2019年教育部審定出版的五套（人教版、滬科教版、魯科版、教科版和粵教版）普通高中物理教科書中的全部實驗內容進行分析。

2.2 研究工具

研究采用姚娟娟等在張新宇的框架基礎上細化的實驗環節探究水平描述框架，具體內容如表1所示。

表1 教材實驗探究水平分析框架[6]

表1中“缺失”表示教材實驗未呈現某環節；“控制性水平”表示教材直接呈現相應環節，學生活動一定程度上被限制；若教材提供部分引導性的表格、裝置圖等，使得學生有一定的自主性，則為“引導性水平”；若教材無任何提示和指導，完全由學生自主開展活動，則為“自主性水平”。

依據該方法對教材中所有實驗的探究水平進行判定，并統計各環節探究水平呈現頻次，進而分析和比較不同教材的探究水平。分析統計由兩位物理課程與教學論專業的研究生在熟練掌握方法的基礎上獨立進行，二者的一致性系數為0.88，可信度高。課題組再針對判定水平相異的描述進行討論交流，達成一致。

3 研究結果

五版教材實驗總數量分別為：人教版119個，滬科教版128個，魯科版133個，教科版160個，粵教版165個。

3.1 五版教材實驗探究水平的表征

依據探究水平分析框架，得到五版教材實驗環節的探究水平數據，如表 2所示。

表2 各環節探究水平表征頻次及占比

3.1.1 人教版實驗探究水平表征分析

人教版實驗呈現的欄目較豐富，有“實驗”“演示”“課題研究”“做一做”“拓展學習”欄目，但實驗數量相對較少。各欄目功能指向不同，“演示”欄目側重于實驗現象呈現，能夠衍生的探究性活動較少。“實驗”欄目側重于讓學生通過實驗學習，總結歸納物理規律或結論，具有完整的實驗流程，能夠體現部分探究性活動。“做一做”欄目指向實際操作，針對性地提出建議或供參考的處理方法，引導學生進行創新和探索。而“課題研究”“拓展學習”欄目注重物理學與實際生產生活以及其他學科的聯系，引導學生進行知識深化和應用。

表2顯示，人教版實驗探究水平除“反思交流”環節以90.76%的比例集中在缺失水平外，其余四環節在控制性水平所占比例都最高，尤其是“目的確定”和“方案設計”環節，比例在86%以上，表明教材實驗設計對學生的自主性和引導作用的關注還需增強。比較各環節的高探究水平（引導性水平和自主性水平）發現，“方案實施”環節表征最高（共計占比51.26%），其次是“結論形成”環節（共計27.73%）。此外，教材較少關注學生的反思和交流活動，“反思交流”環節在大多實驗中呈現較少，引導性水平和自主性水平的呈現比例之和僅為5.04%。因此，需注重“反思交流”環節的設計，引導學生交流評價，深入思考。

3.1.2 滬科教版實驗探究水平表征分析

滬科教版中實驗欄目分布清晰，除個別演示實驗穿插在正文內，其余實驗主要呈現在“學生必做實驗”“實驗探究”“課題研究”欄目中。“學生必做實驗”欄目基本上都采用表格等形式引導學生觀察現象、得出數據，結論的形成需要學生自行從已有現象或數據中得出，欄目結尾均給出一定角度的思考和討論活動，更好地引導學生參與學習總結和鞏固，環節呈現完整。但該欄目直接呈現了實驗目的和方案設計，雖明確了學習任務和操作步驟，但一定程度上抑制了學生的探究能動性。“實驗探究”和“課題研究”主要涉及對物理知識的深化和應用，更多地用來幫助學生拓展學習，將近85%的實驗分布在這兩個欄目中。

表2中的數據表明，滬科教版實驗集中在控制性水平，其中“目的確定”“方案設計”和“結論形成”三個環節中占比均較高。引導性水平上除“目的確定”環節占比較低（7.81%）外，其余四個環節的引導性水平比例均在20%～25%間。自主性水平在“方案實施”環節中呈現最好，占比為42.97%，其次為“結論形成”環節（24.22%），而在“目的確定”環節則無自主性水平的表征。缺失水平主要集中在“反思交流”環節，占比高達67.19%。整體而言，滬科教版實驗探究水平較高的環節是“方案實施”，其次是“結論形成”，相對較低的是“目的確定”。

3.1.3 魯科版實驗探究水平表征分析

魯科版的實驗欄目有“實驗與探究”“迷你實驗室”“DIS實驗室”。其中，學生必做實驗雖未有特定欄目，但以明確的實驗標題呈現在正文中，目的明確，方法步驟完整，實驗實施多為引導性，對實施和結論形成的自主性要求相對較高。“迷你實驗室”欄目趣味性較強，其實驗設計多與生活實際相聯系，且注重實驗的安全操作性提示。教材多以“引導、遞進”的理念設計探究活動，例如在對電容器的充、放電的探究中，先進行完整的實驗探究活動，接著在“迷你實驗室”欄目使用二極管來觀察相關現象，又通過“實驗與探究”欄目加深探究內容，實驗層層遞進，知識深度和廣度得到拓展，既有效幫助學生鞏固知識，又促進科學思維和科學探究能力的發展。

表2中的數據表明，魯科版實驗探究水平主要集中在控制性水平。魯科版的133個實驗的“目的確定”環節均由教材直接呈現，因此該環節為完全控制性水平。“方案設計”“結論形成”環節的探究水平也以97.74%和50.38%的比例集中在控制性水平，遠高于其他水平的占比。在引導性水平上，表征較好的環節是“方案實施”“反思交流”；自主性水平的呈現只出現在“方案實施”和“結論形成”環節。缺失水平在三個環節中呈現，其中“反思交流”環節缺失水平占比最高（78.95%）。總體上，“方案實施”環節探究水平最高，其次是“結論形成”環節，較低的是“方案設計”和“目的確定”環節。因此，應重點關注“方案設計”“目的確定”和“反思交流”環節的較高水平探究設計，以提升整體探究水平。

3.1.4 教科版實驗探究水平表征分析

教科版實驗欄目較多，主要分布在“實驗探究”“實驗”“觀察思考”“活動”“實驗室”欄目。學生必做實驗沒有固定欄目，部分實驗沒有明確的實驗名稱，因此會使得實驗目的環節缺失或者需要一定的引導活動來幫助學生確定探究任務。但教科版對實驗“由淺入深”的設計特色明顯，例如對光的折射的研究，首先是“在不同位置觀察插入水中筷子的形狀”，其后再進行光的折射現象規律的探究，遞進式的認知設計能更有效地啟發誘導學生深入理解物理概念和規律。類似的設計還有光的全反射、布朗運動等實驗。

表2中的數據顯示，教科版實驗的“方案設計”“目的確定”“結論形成”“方案實施”四個環節的探究水平主要集中在控制性水平，相比于其他水平占比最高；有80.63%的實驗未涉及“反思交流”環節，因此該環節主要集中于缺失水平。引導性水平在五個環節中也均有呈現，相較而言“方案實施”“反思交流”環節的引導性水平設計相對較好，分別占20.00%和15.00%。自主性水平僅在三個環節中有呈現，“方案實施”（35.63%）和“結論形成”（18.57%）環節中相對較高。五個環節均有缺失水平。因此，教科版中探究水平較好的環節為“方案實施”和“結論形成”，較低的是“目的確定”。

3.1.5 粵教版實驗探究水平表征分析

粵教版教材主要的實驗欄目有“實驗與探究”“觀察與思考”“實踐與拓展”。學生必做實驗大多分布在“實驗與探究”欄目，同其他版本教材相似，必做實驗的環節設計完整，目的、方案環節、結論的得出基本都被明確呈現。粵教版教材實驗內容較豐富，數量在五版教材中最多（165個），教材對同一物理規律或知識的學習，不僅設計了引導性的探究實驗，還設計了課后的自制實驗活動，既是課堂實驗的延伸，同時還增加了實驗探究的深度，能更好地培養學生的創造性思維和能力。例如，“測量電源電動勢和內阻”實驗，既有課中的教材給定方案的探究實驗，也有課后要求學生自主實踐進行方案再設計的活動探究。類似的實驗設計還體現在安培力、交變電流等的學習中。

表2中的數據表明，粵教版實驗探究水平在前四個環節主要集中在控制性水平，尤其是“目的確定”“方案設計”環節中水平1占比高達88.48%、81.21%，“反思交流”環節在82.42%的實驗中未出現，集中在缺失水平。引導性水平和自主性水平在五個環節中都有出現，但引導性水平主要呈現在“方案實施”環節（36.97%）。而自主性水平的呈現主要在“方案實施”環節（19.39%）和“結論形成”環節（16.97%）中。因此，教科版教材的“方案實施”環節的探究性水平較高，“目的確定”環節的探究性水平較低。

3.2 五版教材實驗探究水平的比較

按照探究水平框架，缺失（水平0）和控制性水平（水平1）屬于低層次的探究；引導性水平（水平2）和自主性水平（水平3）屬于較高層次的探究，4個水平占比之和為1，某一環節較高水平的探究比例越高，其低水平的探究比例就越低，因而對不同教材探究水平比較時，僅對較高層次的探究水平進行對比。將表2中各環節水平2和水平3的表征占比相加，得到相應柱形圖，如圖1所示。

圖1 五版教材實驗較高探究水平占比比較

圖1直觀呈現了五版教材實驗每一環節較高探究水平表征的占比。不同教材間各環節探究表征水平都存在差異，但也表現出一定的共性，即表征水平最好的環節都是“方案實施”，其次是“結論形成”，表征水平最低的是“目的確定”。

“目的確定”環節，各版教材多數實驗的探究水平集中在控制性水平，占比最低的教科版也達到84.38%。相較而言，粵教版對較高探究水平的呈現稍好，其次為滬科教版（7.81%），人教版（2.52%）和教科版（1.88%）均稍低，魯科版在較高的兩個探究水平上沒有呈現。

“方案設計”環節，各版教材多數實驗的探究水平集中在控制性水平。滬科教版控制性水平比例最低，但依然有67.19%。相較而言，滬科教版的呈現最好，較高水平占比之和最高（30.47%），其次是粵教版、人教版、教科版和魯科版。與“目的確定”環節相比，各版教材在“方案設計”環節中的探究水平的處理稍好一些，結合五版教材文本，對實驗方案或步驟的處理，均是直接以文本呈現為主，較少關注到引導性和探究性活動的呈現，其探究水平仍需提高。

“方案實施”環節，與其他環節橫向對比，各版教材實驗在這個環節探究水平均是最高的，引導性水平和自主性水平占比之和均超過51%，滬科教版較高水平占比共計達66.41%，其次為魯科版（58.65%）、粵教版（56.36%）、教科版（55.63%），人教版稍低（51.26%）。五版教材對該環節的探究水平處理均較好。

“結論形成”環節，各版教材實驗探究水平主要集中在控制性水平。滬科教版對較高探究水平的呈現依然最好（水平2和水平3占比之和為46.10%），其次為教科版（30.00%），魯科版（27.82%）和人教版（27.73%）比值相近，粵教版稍低（26.06%）。相對于前面三環節，該環節中缺失水平所占的比例較大。

“反思交流”環節，各版教材實驗探究水平主要集中在缺失水平。各版教材對實驗的設計一定程度上都較少關注到交流和反思活動，人教版缺失比例高達90.76%，滬科教版最低也有67.19%的缺失。比較各版教材的較高探究水平，滬科教版對“反思交流”環節的處理相對較好，人教版在該環節的探究水平表征較低。

綜合以上分析，整體來看，滬科教版對實驗探究環節的設計較全面，引導性水平和自主性水平占比最多，表征水平較高，其次為粵教版，魯科版和教科版相當，人教版由于其反思交流環節缺失比例較高，控制水平的實驗較多導致表征水平較低。

4 結論和建議

4.1 結論

各版教材對實驗的呈現各有特點，但每版教材對各實驗環節的呈現均有缺失。在實驗各環節探究水平方面，五版教材表征水平最高的環節都是“方案實施”，其次是“結論形成”，表征水平最低的環節也均是“目的確定”。其中，“反思交流”環節主要集中在缺失水平，“目的確定”“方案設計”“結論形成”三個環節集中在控制性水平。

分析教材的整體探究水平，滬科教版的實驗環節整體缺失比例較小，引導性水平和自主性水平的設計和表征較多，因而探究水平較高，其次為粵教版教材，魯科版和教科版教材探究水平表征基本相當，較低的是人教版教材，主要是因為“反思交流”環節缺失比例較高，“方案設計”和“結論形成”環節控制性水平比例也高。

4.2 建議

完整呈現實驗探究環節，以便有效開展實驗探究活動。實驗探究環節越完整，學生參與探究活動的機會和程度越大。

適當提高實驗探究水平，靈活融入引導性和自主性探究活動。在現有的探究水平基礎上適當提高實驗探究的引導性和自主性，發揮教師的引導作用，給予學生較多的自主探究機會。

根據環節特點和學生認知能力實際，適時設計不同探究水平的實驗。循序漸進，逐步提升探究水平，不能盲目追求實驗的開放性和自主性。如在“目的確定”環節，引導性的探究水平更為合適，若完全由學生自主確定任務內容，可能存在目標偏差，導致后續探究活動失去意義。教材可適當減少完整內容的給出，盡量利用文字或圖、表等引導學生進行實驗活動，合理地為學生提供質疑與探究、反思與交流的機會，才能更好地發揮教材的支架作用。