高中物理教材实验探究水平分析与教学启示

摘   要：科学探究能力的培养日益受到重视，教材实验是培养探究能力的重要资源。依据施瓦布等的研究框架对人教版高中物理教材中的实验栏目进行分析，将教材中的实验分为五个实验环节，并分别分析其探究水平，得到结论：学生实验以引导探究水平为主，演示实验以限定探究水平为主，做一做实验以引导探究水平为主，且整体探究水平更高。建议进一步认识不同实验栏目的探究水平，充分发挥不同实验的作用，并依据学情设计实验教学。

关键词：高中物理；教材实验；探究水平；教学启示

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2025）1-0012-5

实验与探究奠定了物理学的实证基础，也是当代物理教育教学的核心实践活动［1］。物理学是一门实验学科，物理实验及其教学在中学物理教育中占据重要地位，既是物理学习不可或缺的基础，也是物理教学的关键内容、方法及手段。从新世纪伊始，科学探究能力就普遍受到世界各国的重视，全球多个国家将科学探究写入课程标准，并将实验探究作为科学探究的核心要素。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“物理课标”）也将科学探究列为物理学科的四个核心素养之一，并明确指出“在高中物理课程中，应注重科学探究，尤其应注重物理实验，这在培养学生的探究能力和科学态度等方面具有重要地位。”［2］教材作为课程标准的具体化、课程内容的主要载体、进行教学活动的基本媒介，教材中的实验栏目具有重要的参考价值。因此，本研究通过文本分析法对2019年版人教版高中物理教材中实验栏目的探究水平进行分析，发现不同实验栏目的探究重点，并对教材相关实验栏目的应用提出建议。

1    研究框架

物理课标指出，“科学探究”是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力，主要包括问题、证据、解释、交流等要素［2］。

探究水平指的是科学探究的开放性水平。施瓦布（Schwab）依据探究的三个阶段“提出问题—设计方案—得出结论”，将科学探究划分为限定探究水平、引导探究水平与自主探究水平三个水平，分别代表仅得出结论阶段向学生开放、设计方案和得出结论阶段向学生开放、所有探究的三阶段均向学生开放［3］。赫伦（Herron）在施瓦布体系的基础上加入水平0，即三阶段均直接给出［4］。施瓦布等人的探究水平体系针对不同探究水平具有明显的区分，但缺少对实验不同环节探究水平更细致的研究。张新宇等人基于教师与学生在探究活动中的互动角色与地位，对前人的探究水平体系进行了优化，并不建构整体性探究水平，而是将整个探究活动划分为了“目的确定、方案设计、方案实施、结论形成、反思交流”五个环节，每个环节又包含“缺失、限定、引导、自主”四个水平，从而建构出一个“五阶段、四层次”的分析架构［5］。

本研究参照物理课标对科学探究的定义和施瓦布等的研究框架，建构得到物理实验探究水平的分析框架，如表1所示。

2    研究内容

本研究选择人教版高中物理教材中的实验栏目作为研究样本，统计得出教材实验栏目共102个，分别有包括21个学生必做实验的学生实验栏目34个，演示实验栏目37个，做一做实验栏目31个，并对不同实验栏目的实验分别使用上述研究框架进行分析。在分析教材实验栏目的探究水平时，为了体现分析完整性，除了明确的实验栏目内容外，也将栏目前后的相关正文及其他与实验相关的问题等作为研究对象。

以必修第一册第二章“实验：探究小车速度随时间变化的规律”一节为例，实验栏目中的“这一节我们研究小车在重物牵引下的运动，看看小车的速度是怎样随时间变化的”明确提出了实验的目的，因此在环节1此实验处于水平1；教材通过“如何设计实验”“需要测量哪些物理量”“选用什么器材”等问题引导学生设计实验，之后给出了详细的实验方案，因此在环节2此实验处于水平2；教材给出了思路与表格，由学生进行现象观察并记录数据，因此在环节3此实验处于水平2；教材通过“你能否从表格中的数据看出小车随时间变化的定量关系”以及“可以考虑用v-t图像分析速度v与时间t的定量关系……如何根据描出的点找出速度随时间变化的规律”等问题引导学生处理数据并得出结论，因此在环节4此实验处于水平2；教材没有反思、交流的相关内容，因此环节5处于水平0。分析实例如表2所示。

3    研究结果

研究框架建构完成后，分别对学生实验、演示实验、做一做实验使用研究框架进行分析，最终得到不同实验的研究结果。

3.1    学生实验的探究水平分析

本研究根据分析框架将每个学生实验分为五个环节，并在此基础上对每个环节的探究水平进行分析，分析结果如表3所示。

由表3可以看出，现行人教版物理教材的学生实验探究水平，有0.6%在水平0，31.8%在水平1，64.1%在水平2，3.5%在水平3，总体上以水平2为主。其中，环节1的探究水平以水平1为主，环节2、3、4、5的探究水平以水平2为主。由此可见，大部分学生实验栏目都直接给出了实验的研究目的，其余的给出了线索引导学生提出问题并确定目的；小部分实验直接给出了实验的方案，大部分实验通过问题等方式引导学生进行方案设计；绝大部分实验要求教师引导学生动手进行实验探究，个别由教师进行演示；个别实验直接给出了详细的实验结论，绝大部分实验只给出了数据处理方式与分析思路等，需要学生根据要求与公式处理数据得出结论；交流、反思环节呈现的方式以教师直接引导学生进行反思为主，小部分直接给出实验反思，个别实验要求学生自主进行反思、交流活动。通过本研究的数据可以看出，学生实验整体探究水平中等，主要以教师引导学生动手进行实验为主。

3.2    演示实验的探究水平分析

本研究根据分析框架将每个演示实验分为五个环节，并在此基础上对每个环节的探究水平进行分析，分析结果如表4所示。

由表4可以看出，现行人教版物理教材的演示实验探究水平，有0.6%在水平0，68.6%在水平1，30.8%在水平2，无水平3，总体上以水平1为主。其中，环节1、2、3、5的探究水平皆是以水平1为主，仅有环节4以水平2为主。由此可见，大部分演示实验直接给出了实验的研究目的，其余的给出了线索引导学生提出问题并确定目的；大部分实验直接给出了实验的方案，小部分实验通过问题等方式引导学生进行方案设计；所有演示实验皆要求教师通过演示引导学生对现象进行思考；小部分实验直接给出了详细的实验结论，绝大部分实验只给出了数据处理方式与分析思路等，要求学生根据要求与公式处理数据得出结论；交流、反思环节呈现的方式以直接给出反思为主。通过本研究的数据可以看出，演示实验整体探究水平较低，主要以教师演示、学生观看为主。

3.3    做一做实验的探究水平分析结果

本研究根据分析框架将每个做一做实验分为五个环节，并在此基础上对每个环节的探究水平进行分析，分析结果如表5所示。

由表5可以看出，现行人教版物理教材的做一做实验探究水平，有10.3%在水平0，37.4%在水平1，42.0%在水平2，10.3%在水平3，总体上以水平2为主。其中，环节1、2的探究水平皆是以水平1为主，环节3、4以水平2为主，环节5以水平0为主。由此可见，大部分做一做实验直接给出了实验的研究目的，其余的给出线索引导学生提出问题并确定目的；大部分实验直接给出了实验的方案，小部分实验通过问题等方式引导学生进行方案设计，个别要求学生自主设计方案；绝大部分做一做实验要求教师向学生提供思路后由学生进行操作，小部分完全由学生自主进行探究，个别给出了完整方案；小部分实验直接给出了详细的实验结论，绝大部分实验只给出了分析思路等，要求学生根据思路结合探究结果得出结论；交流、反思环节缺失较多，其余实验的呈现方式以直接给出反思为主。通过本研究的数据可以看出，做一做实验整体探究水平较高，学生自主操作的比例较大，但同时对于反思、交流的重视程度较低。

4    对实验教学的启示

4.1    正确认识不同实验的探究水平，充分发挥不同实验的作用

综合本研究的研究结果来看，演示实验栏目的探究水平较低，进行教学的重点在于教师引导与演示，培养学生观察与信息提取等能力。因此，教师在使用教材中的演示实验时需扬长避短，在注重演示操作的同时，重视对学生的引导，把握学生的前概念，通过让学生“看见”吸引学生的注意，并引起学生的认知冲突，进而引导学生分析实验现象背后的原因，着重培养观察实验现象与提取重要信息等能力。

必做实验栏目和其他实验栏目的探究水平适中，教学的重点在于给予学生完整的探究体验过程，学会提出猜想、设计方案、寻找证据、作出合理解释并相互交流、论证与反思等，全面提高学生的学科素养。因此，教师在进行学生实验教学时，目标应指向学生核心素养发展，逐一落实物理课标的要求，给予学生完整的实验体验，培养学生借助现有认知结构设计实验、通过实验探究获得经验建构知识等能力，围绕问题提出、方案设计、方案实施、数据分析及交流、反思等实验环节培养科学探究能力，最终实现对学生物理学科核心素养的培养与物理学科能力的发展。

做一做实验栏目的探究水平较高，教师在使用时重点在于鼓励学生主动探究，以培养和发展学生的综合应用、迁移创新等能力；其他实验栏目根据教学需要，突出不同的探究要素作为实验教学的重要补充。因此，教师在使用教材中的做一做实验时，应发挥其生活性、开放性和创新性的特点，激励学生主动探究，在进行思考与分析的同时积极动手实践，培养和发展学生对所学知识综合应用、迁移创新等能力。

4.2    依据学情设计实验教学

教师有必要根据实验目的和学生情况，将静态的教材实验转化为动态的实验教学设计，不必完全依照教材进行实验探究，也不必过分强调探究的高水平，而是在充分了解学生学情的基础上综合考虑实验类型、实验环节、学生特点进行教学设计，做到基于教材又高于教材。科学探究活动的整个过程包含多个环节，但在教材的实验探究活动中，并非每个环节都进行了呈现，同时在实际教学活动中，由于设备限制和教学安排等因素的影响，教师有时不能带领学生进行完整的科学探究活动，所以教师在带领学生开展科学探究活动时，要根据教学进度和教学环（下转第20页）（上接第15页）境进行教学设计，通过多种技术手段尽量让学生体验完整的探究活动。例如，在进行“自由落体运动”的教学时，教师首先通过教材中铁片与羽毛同时下落的演示实验展示生活中常见的自然现象，并提出亚里士多德的猜想：物体越重下落越快。之后，让学生思考亚里士多德的猜想是否正确，再展示伽利略的比萨斜塔实验，让学生思考背后的原因。最后，演示牛顿管实验验证他们的猜想，并由此引出主题——自由落体运动。此演示实验过程由学生的生活常识引入，并引导学生对常识与前人结论提出质疑，既引发了学生的好奇心，又培养了学生的质疑精神。接下来，带领学生探究自由落体运动的规律时，教师根据学生的知识基础与探究能力基础对学生进行引导，在教材探究水平的基础上适当地降低或提高，如对于基础差的班级可以直接给出自由落体运动方案，对于基础好的班级可以引导学生进行方案设计，从而做到在兼顾学生水平的同时充分发挥出教材的作用。最后，留下课后作业，让学生使用智能手机按照课本上的方案测量自由落体加速度，以促进学生对知识的迁移与应用。

综上所述，对教材实验探究水平的研究有助于我们更清晰地认识教材，从而更好地利用教材、优化实验的教学。

参考文献：

［1］郭玉英，姚建欣，张玉峰.基于学生核心素养的物理学科能力研究［M］.北京：北京师范大学出版社，2017.

［2］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］Schwab J J，Brandwein P F.The teaching of science［M］.Cambridge，Massachusetts：Harvard University Press，1962：1-103.

［4］Herron M D.The nature of scientific enquiry［J］.SchoolReview， 1971，79（2）：171-212.

［5］张新宇，占小红，陈琳.基于探究水平的科学教材活动比较研究［J］.化学教学，2012（10）：10-13.

（栏目编辑    赵保钢）