科學(xué)探究視域下學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的情境價(jià)值

劉作志 湯金波

（1.高密市豪邁中學(xué)，山東 高密 261500；2.南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校，江蘇 南京 210000）

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》強(qiáng)調(diào)基于情境的問題化學(xué)習(xí)，這是由學(xué)科核心素養(yǎng)的社會適用與問題解決指向決定的。科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，包括問題、證據(jù)、解釋、交流四大要素。在國內(nèi)外廣大一線教師的教學(xué)實(shí)踐中，科學(xué)探究形式化的情況并不鮮見，這也是“美國新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)”將“科學(xué)探究”改為“科學(xué)實(shí)踐”的緣由之一。深度的科學(xué)探究需要深度的學(xué)習(xí)情境，要解決科學(xué)探究形式化的問題首先要考慮的是如何激活科學(xué)探究的學(xué)習(xí)情境。學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)有別于常規(guī)實(shí)驗(yàn)和一般非常規(guī)實(shí)驗(yàn)，其情境內(nèi)涵極其豐富，值得深入挖掘。

一、學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及其情境內(nèi)涵

“學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”就其本身而言是一項(xiàng)綜合實(shí)踐活動，即學(xué)生基于物理學(xué)科乃至跨學(xué)科學(xué)習(xí)主題，利用身邊的生活物品，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷探究過程，產(chǎn)出實(shí)驗(yàn)微視頻、自制實(shí)驗(yàn)器具、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案、原創(chuàng)實(shí)驗(yàn)命題等實(shí)踐成果的學(xué)習(xí)活動。近年來，基于學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)與評價(jià)研究日漸豐富，逐步發(fā)展為一種教學(xué)模式。［1］學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)豐富而深刻情境內(nèi)涵，與其活動特質(zhì)密切相關(guān)。

（一）參與性

情境認(rèn)知理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)即社會參與，是通過“合法的邊緣參與”同時(shí)建構(gòu)意義和身份的過程。［2］學(xué)習(xí)情境的首要作用是賦予學(xué)習(xí)以意義，賦予學(xué)生以身份。學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主，圍繞自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的共同主題，班級構(gòu)成實(shí)踐共同體，每一個(gè)學(xué)生都是這一實(shí)踐活動的主體，這就賦予了學(xué)生實(shí)踐共同體成員的合法身份。意義的構(gòu)建則來自學(xué)生經(jīng)驗(yàn)與學(xué)習(xí)情境的密切關(guān)聯(lián)，這種聯(lián)系一是指學(xué)習(xí)情境與學(xué)生個(gè)人認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)的聯(lián)系，二是指學(xué)習(xí)情境與學(xué)生社會認(rèn)知環(huán)境的聯(lián)系。學(xué)生作為同主題創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動的參與者，已經(jīng)具備了認(rèn)知的錨點(diǎn)，與共同體其他成員進(jìn)行實(shí)踐比較的認(rèn)知沖動，又構(gòu)成了學(xué)習(xí)動機(jī)。有別于其他實(shí)驗(yàn)情境，學(xué)生是自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)情境中不可或缺的一部分，人在境中，境在人中。

（二）實(shí)踐性

依據(jù)情境認(rèn)知理論，學(xué)習(xí)并非先在頭腦中灌輸一套知識技能，再將之應(yīng)用于實(shí)踐情境；相反，學(xué)習(xí)是通過參與實(shí)踐改變理解的過程，是對不斷變化的實(shí)踐的理解與參與。［2］因此，對情境的理解不應(yīng)局限在靜態(tài)的、離身的背景式情境、習(xí)題式情境、思辨式情境，而應(yīng)更多關(guān)注動態(tài)的、具身的實(shí)踐式情境，尤其是以實(shí)踐為本質(zhì)屬性的科學(xué)探究，更應(yīng)該在實(shí)踐中學(xué)習(xí)實(shí)踐。學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是一種實(shí)踐性情境，這種實(shí)踐性有兩重含義：一是來源于實(shí)踐，作為情境素材的實(shí)驗(yàn)微視頻、自制實(shí)驗(yàn)器具、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案等均來自學(xué)生具身的實(shí)踐活動；二是回歸于實(shí)踐，情境展開的方式例如對實(shí)驗(yàn)結(jié)論的驗(yàn)證、對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的再現(xiàn)、對實(shí)驗(yàn)器具的操作等，都是實(shí)踐性的。

（三）協(xié)商性

作為情境認(rèn)知理論的認(rèn)識論基礎(chǔ)，建構(gòu)主義認(rèn)為“學(xué)習(xí)是知識的社會協(xié)商”。基于學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，其基本思路是“實(shí)踐—展示—批判—改進(jìn)—?jiǎng)?chuàng)新”。課前自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐活動產(chǎn)出了情境素材，這種情境素材消解了教材實(shí)驗(yàn)和教師實(shí)驗(yàn)的權(quán)威性，成為可商榷的不完美實(shí)驗(yàn)，在此情境下人人可批判、人人可改進(jìn)。［3］批判和改進(jìn)的過程是班級社會協(xié)商的過程，所謂批判即實(shí)踐共同體的其他成員，基于個(gè)體的實(shí)踐提出有異于情境案例的觀點(diǎn)。所謂改進(jìn)即成員在觀點(diǎn)的碰撞中去偽存真，去粗取精，達(dá)成指向理解的共識——知識，指向?qū)嵺`的共識——?jiǎng)?chuàng)新。如果知識是由社會協(xié)商而建構(gòu)，則創(chuàng)新是必然的結(jié)果，雖然這里的創(chuàng)新多數(shù)是教育意義上的，但教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，具有社會價(jià)值的創(chuàng)新成果也時(shí)有誕生。

二、學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的情境價(jià)值挖掘

（一）引玉之磚——“問題”深一度

情境案例1：糟糕的溫度計(jì)

在學(xué)習(xí)“溫度”一節(jié)前，讓學(xué)生自主預(yù)習(xí)，自制一個(gè)溫度計(jì)，錄制微視頻并將作品帶到學(xué)校。某個(gè)學(xué)生制作的溫度計(jì)，放入熱水后發(fā)現(xiàn)，液柱停留在瓶中，上升并不明顯。

由此，教師提出驅(qū)動問題：對比該同學(xué)作品與實(shí)驗(yàn)室用溫度計(jì)，對自制溫度計(jì)失敗的原因提出猜想。

學(xué)生對比討論后提出了如下猜想：1.瓶子太大，瓶內(nèi)液體受熱膨脹慢；2.橡皮泥封口不嚴(yán)，氣密性欠佳；3.管子太粗，同體積液體上升高度小；4.瓶內(nèi)液體不滿，液面太低；5.瓶內(nèi)液體是水，受熱膨脹率低；6.測溫時(shí)沒有完全浸沒，溫度計(jì)受熱不充分；等等。

將社團(tuán)課上制作的瓶子大小不同、瓶內(nèi)液體不同、管子粗細(xì)不同的自制溫度計(jì)提供給學(xué)生，讓學(xué)生嘗試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分猜想，剩余猜想供學(xué)生課下自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

價(jià)值探討：進(jìn)行科學(xué)探究首要的是提出問題，問題應(yīng)自情境中來；提出問題后應(yīng)做出假設(shè)，假設(shè)須以情境信息為依據(jù)。學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)往往是不完美的甚至是失敗的，這種“糟糕”的實(shí)驗(yàn)恰恰可以作為“引玉之磚”，讓學(xué)生在質(zhì)疑和批判中發(fā)現(xiàn)問題，提出假設(shè)。由于是基于共同的實(shí)踐活動，問題的具體性與假設(shè)的指向性更強(qiáng)，因而更具有探究價(jià)值。

（二）百煉之爐——“證據(jù)”深一度

情境案例2：動能影響因素的百變探究

在學(xué)習(xí)“動能”之前，讓學(xué)生利用身邊的物品仿做教材上的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生就地取材設(shè)計(jì)了精彩紛呈的實(shí)驗(yàn)方案。其中四種實(shí)驗(yàn)方案，教師在課前截取4 個(gè)微視頻的精彩片段制作成gif 動圖。學(xué)生觀看后，教師提出問題——4 位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案與教材原型相比有哪些優(yōu)點(diǎn)或不足？

學(xué)生討論后提出：實(shí)驗(yàn)（a）用帶有格子的本子作斜面，方便根據(jù)格子控制小球每次下落的高度，但是，由于本子是軟質(zhì)的，小球運(yùn)動方向容易偏移；實(shí)驗(yàn)（b）用膠帶作為滾落物體能更好地控制變量，改變物體質(zhì)量只需在膠帶中心塞入一個(gè)小球，這樣改變質(zhì)量的同時(shí)不改變接觸面和滾動半徑，但是，作為被撞擊物體，小木塊容易轉(zhuǎn)動，不好標(biāo)記末位置；實(shí)驗(yàn)（c）用小車代替被撞擊的木塊，效果更明顯且不容易偏移，用自制的標(biāo)示卡片標(biāo)記位置非常方便；實(shí)驗(yàn)（d）借用玩具搭建斜面，凹槽約束小球定向滾動，但斜面形狀不規(guī)則，阻力大，小球到達(dá)水平軌道時(shí)的速度小，撞擊效果不明顯；等等。

教師總結(jié)學(xué)生觀點(diǎn)后，引導(dǎo)學(xué)生取長補(bǔ)短，基于自己原有的方案，提出改進(jìn)后的更優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案。

價(jià)值探討：獲取證據(jù)包括設(shè)計(jì)制訂方案和獲取處理信息。囿于固定器材，常規(guī)實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)容易流于形式，因而通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生設(shè)計(jì)制定探究方案的能力往往得不到有效發(fā)展。因器材的生活化，學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)更具設(shè)計(jì)自由度，同一探究主題不同實(shí)驗(yàn)方案的匯集，作為情境恰似一個(gè)熔爐，將學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)意熔煉在一起，在這個(gè)熔爐中學(xué)生不僅掌握設(shè)計(jì)方法，也體悟設(shè)計(jì)思路，滋養(yǎng)設(shè)計(jì)靈性。另外，多樣化的信息獲取手段也將豐富實(shí)驗(yàn)信息處理的教學(xué)內(nèi)涵。

（三）深掘之鎬——“解釋”深一度

情境案例3：兩則造霜實(shí)驗(yàn)

在“升華與凝華”一節(jié)，人教版教材中有這樣一個(gè)課后實(shí)驗(yàn)——將冰塊放入易拉罐中并加入適量的鹽，攪拌半分鐘會在易拉罐的下部和底部發(fā)現(xiàn)白霜。某同學(xué)對該實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn)——取三個(gè)易拉罐甲、乙、丙，甲、乙放入等質(zhì)量的冰塊和鹽，丙僅放入冰塊。甲放在濕毛巾上，乙、丙放在干毛巾上。攪拌后觀察到甲罐壁有較多的白霜出現(xiàn)，并且底部和濕毛巾粘連在一起，乙罐壁霜較少，丙罐壁無霜但有水珠。

另有學(xué)生設(shè)計(jì)了如下的創(chuàng)新小實(shí)驗(yàn)：1.將樟腦丸壓成粉末裝入玻璃瓶；2.將瓶子浸入熱水里，靜置五分鐘。注意熱水高度與樟腦丸粉末相平；3.觀察到屏蔽上有“霜”出現(xiàn)。

以這兩則實(shí)驗(yàn)為情境，如表1，可以引導(dǎo)學(xué)生基于現(xiàn)象，挖掘證據(jù)，做出深度的解釋：

表1 對兩則造霜實(shí)驗(yàn)的解釋

價(jià)值探討：對“解釋”這一要素的理解常常窄化為數(shù)據(jù)分析與結(jié)論得出。［4］作為一種素養(yǎng)，對現(xiàn)象的解釋能力實(shí)則比對數(shù)據(jù)的解釋能力更有價(jià)值。具有新異性的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)情境為師生提供了一把刨根問底的鎬頭，通過對比、分析與綜合，層層剝離現(xiàn)象，抓住證據(jù)，得出結(jié)論。拋開引人入勝的創(chuàng)新情境與實(shí)驗(yàn)問題，則“解釋”將失去深度和溫度。

（四）燎原之火——“交流”深一度

情境案例4：增加的0.1g

“質(zhì)量是物體的固有屬性，與物態(tài)無關(guān)。”為驗(yàn)證這一結(jié)論，如圖1，一名學(xué)生設(shè)計(jì)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)：用電子秤分別測量結(jié)冰前后的棒冰的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，結(jié)冰后比結(jié)冰前重了0.1g。以此為情境讓學(xué)生討論到底是實(shí)驗(yàn)有問題還是教材結(jié)論有問題。

圖1 驗(yàn)證質(zhì)量與物態(tài)無關(guān)

經(jīng)討論學(xué)生普遍認(rèn)為實(shí)驗(yàn)有問題，主要分為兩派：一派注意到前后兩次測量電子秤的位置不同，另外測量工具的精度也不夠，0.1g 僅僅是實(shí)驗(yàn)誤差，可以忽略；另一派注意到，凝固后的棒冰表面有一層霜，認(rèn)為增加的質(zhì)量來自由空氣中水蒸氣凝華成的霜。教師進(jìn)一步讓學(xué)生根據(jù)自己的假設(shè)，對該實(shí)驗(yàn)提出改進(jìn)方案，部分學(xué)生方案如下：

方案1.用多根棒冰一起做實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)電子秤精度不夠的缺點(diǎn)；

方案2.將結(jié)冰后的棒冰放在密閉的包裝袋里測出總質(zhì)量，等到棒冰融化再測量總質(zhì)量，可避免凝華問題的影響；

方案3.兩次測量都在冰箱內(nèi)完成，避免棒冰取出后水蒸氣凝華增重；

方案4.泡沫塊打孔放入棒冰測總質(zhì)量，冰凍后先在冰箱中放入泡沫塊，再拿出測總質(zhì)量；

方案5.準(zhǔn)備兩只棒冰，其中一只冷凍，測兩只棒冰總質(zhì)量，將冷凍的熔化并擦干表面，將未冷凍的冷凍，再測兩者的總質(zhì)量。

………

教師設(shè)置家庭實(shí)踐作業(yè)，提供測量工具，讓學(xué)生按照自己的方案完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并在班級學(xué)習(xí)平臺交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

價(jià)值探討：若科學(xué)探究的過程和結(jié)果是既定的，“交流”便喪失了一多半的價(jià)值。交流不僅是對探究問題、過程和結(jié)果的表達(dá)，更是基于評估和反思對實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出質(zhì)疑，對實(shí)驗(yàn)過程提出建設(shè)性的意見。［6］學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)作為情境的魅力在于——通過創(chuàng)意的過程得到反常的結(jié)果，以聚焦的質(zhì)疑為始，以發(fā)散的創(chuàng)新為終，仿佛星火燎原。

三、結(jié)語

新課程標(biāo)準(zhǔn)注重科學(xué)探究，突出問題導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)真實(shí)問題情境。解決科學(xué)探究特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情境問題十分必要。學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)以其與生俱來的參與性、實(shí)踐性與協(xié)商性，極具情境價(jià)值。從科學(xué)探究素養(yǎng)的四要素來看，學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)作為誘發(fā)問題的情境，使問題與假設(shè)有憑據(jù)、有線索；作為獲取證據(jù)的情境，拓寬了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與信息處理的自由度；作為延伸解釋的情境，更突出科學(xué)思維的內(nèi)在價(jià)值；作為促進(jìn)交流的情境，更強(qiáng)調(diào)批判性的結(jié)果評估和建設(shè)性的過程建議。

當(dāng)然，科學(xué)探究的情境創(chuàng)設(shè)不應(yīng)也不必局限于自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，常規(guī)實(shí)驗(yàn)仍然在科學(xué)探究特別使實(shí)驗(yàn)教學(xué)中葆有著不可取代的教育價(jià)值，生活情境、社會情境、歷史情境在發(fā)展科學(xué)探究素養(yǎng)過程中，均有各自特殊的價(jià)值。如何將各類情境資源、各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有機(jī)融合到物理課堂以落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)，是值得長期、深入探討的問題。