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物理实验教学与课程标准一致性探析

作者:转载     发布时间:2022-8-9 点击数:192

 

[摘要]《义务教育物理课程标准(2011年版)》明确提出20个学生必做实验,在科学内容中有24个三级主题,新课标明确要求必须通过实验学习这些主题。实验教学在中学物理教学中具有重要的地位,中学物理实验教学与课程标准的一致性研究也具有重要意义。文章借鉴斯坦福研究所开发的SRI一致性模式,以“牛顿第一定律”的12篇教学设计与课标中的科学探究要求为研究对象,通过对二者的一致性分析,得到一线教师对实验教学的重视程度以及对学生科学探究能力培养的侧重点。

[关键词]实验教学;课程标准;SRI一致性;牛顿第一定律

《义务教育物理课程标准(2011年版)》在科学内容中有近一半的三级主题明确要求必须通过实验学习[1]。《普通高中物理课程标准(2017年版)》相比实验版新增了必修及选择性必修课程中的学生必做实验,科学内容在三级主题中加强了实验教学要求[2]。2019年,教育部印发了《关于加强和改进中小学实验教学的意见》,要求努力建构与德智体美劳全面培养的教育体系相适应、与课程标准要求相统一的实验教学体系。[3]实验教学是中学物理教学的重要内容。实验教学与课标的一致性程度能够反映基础教育对人才培养的实际效果。因此,比较实验教学与课标的一致性有助于深入了解课标,反思课堂教学,具有重要意义。

一、“牛顿第一定律”的选取

《义务教育物理课程标准(2011年版)》规定的24个必须通过实验学习的三级主题中仅有三个是物理规律,“牛顿第一定律”就是其中之一[1]。从物理学科体系来看,牛顿第一定律是联结运动和相互作用的重要内容,是后面要学习的牛顿第二定律的基础,是形成运动与相互作用观念的重要基石,是教学的重点。从学生认知特点来看,由于生活经验的影响,“有力,物体才运动”“力是维持物体运动的原因”这样的错误前概念根深蒂固,并且“牛顿第一定律”不是实验定律,需要在实验的基础上进行合理推理,对学生的逻辑思维能力有很高的要求,是教学的难点。因此,笔者选择牛顿第一定律的教学设计为研究对象。本文统计了2012-2020年13种物理专业期刊[4]中关于初中牛顿第一定律实验教学的文章。以“牛顿第一定律+教学”为关键词搜索知网,根据篇名和文献来源初步筛选并排除不切主题的文章,排除非物理专业期刊的文章以及部分关于高中物理牛顿第一定律教学的文章,然后详细阅读论文并筛选,最终选取《物理教师》《物理教学探讨》《物理通报》《中学物理教学参考》4种期刊中关于初中物理牛顿第一定律实验教学设计的12篇文章[5]~[16]。

二、《义务教育物理课程标准(2011年版)》对科学探究的要求

2011年版课标将科学探究分为提出问题、猜想与假设、设计实验与制订计划、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作7个要素,并对每个要素提出了3~5个基本要求,如表1所示。[1]

三、SRI一致性工具

SRI一致性研究工具是斯坦福研究所的(StandfordResearchInstitute,简称SRI)克雷克米(P.Kreikemeier)等人为改进Webb一致性工具、SEC一致性工具以及Achieve一致性工具对于科学探究层面的一致性研究的不足,开发出来的专用于比较科学探究的更为精细化的一致性研究工具。[17]因此,本研究利用SRI一致性工具研究牛顿第一定律实验教学的教学设计与义务教育物理课程标准的一致性是合理的、恰当的。[17]

四、教学设计与课程标准的一致性分析

将12篇文章按照时间顺序进行编号,以便后续利用图表进行纵向比较,发表时间最早的文章为1号,以此类推。本文以8号文章《初中物理教学中学生科学思维的培养——以“牛顿第一定律”为例》说明比较研究的过程。围绕要研究的教学设计,以学生的视角记录其中活动的具体内容,按照课程标准中科学探究的基本要求,尽可能准确地确定所涉及的科学要素,在此基础上构建具有普适性的由活动内容和科学探究要素共同组成的二维矩阵,作为统计和比较的基础,如表2所示。根据表2,利用Excel,计算与科学探究要素相匹配的活动数量(n)与所有活动总数(N)的比值,了解教学设计与科学探究之间的一致性水平。计算与活动相匹配的科学探究要素的种类数(s)与所有科学探究要素的种类数(S,即S=7)的比值,和每个科学探究要素出现的频次(m)与所有科学探究要素出现的总频次(M)的比值,了解该教学设计注重培养何种科学探究要素,填入表3。

(一)教学设计与课标一致性

为比较各教学设计与义务教育物理课程标准(2011年版)的一致性,根据统计结果绘制成折线图,如图1所示。由图1可以看出,2017-2020年教师在实验教学中注重培养学生的科学探究能力,与课程标准的要求相一致,较2017年以前,重视程度大幅提高。通过梳理12份教学案例,发现主要有两点原因:1.国家教育部提高了对中学实验教学的重视程度。比如《关于加强和改进中小学实验教学的意见》的颁布,《普通高中物理课程标准(2017年版)》中对实验要求的增加。这些意见和政策让一线教师意识到物理实验教学的重要性。2.一线教师对于课程标准的理解更加透彻。通过不断的研究,一线教师能够更深入地理解培养学生科学探究能力的程度和方法。比如,初中物理课程标准对学生科学探究能力的基本要求是“初步尝试”,具有科学探究的意识。所以教师在实验教学中注重引导学生,而不是放手让学生独自探究。

(二)培养科学探究能力的侧重点

为了细致地分析注重科学探究的教学设计是侧重培养某一种科学探究能力,还是注重培养多种科学探究能力,本文选取编号6、7、8、9、10、11、12共七篇教学设计为研究对象,将教学设计中所包含的科学探究要素的种类数(s)与所有科学探究要素的种类数(S)的比值进行了纵向对比。如图2所示。由图2可以看出,其中有2篇教学设计重点培养学生的某三种科学探究能力,剩余的5篇侧重让学生经历完整的科学探究过程。为了具体比较各篇教学设计侧重培养学生哪些科学探究能力,本文将每篇教学设计中各要素出现的频次(m)与所有要素出现的总频次(M)的比值进行了横向对比。如图3所示。由图3可以看出,6号文章侧重培养学生猜想与假设、交流与合作两个科学探究能力;7号文章侧重培养学生设计实验与制订计划、分析与论证的能力;8号文章侧重培养学生分析与论证的能力;9号文章侧重培养学生进行实验与收集证据、分析与论证的能力,没有关注提出问题和评估两个要素;10号文章侧重培养学生分析与论证的能力,没有关注评估要素;11号文章侧重培养学生设计实验与制订计划、分析与论证的能力,没有关注提出问题、猜想与假设、评估和交流与合作四个要素;12号文章侧重培养学生分析与论证的能力,没有关注猜想与假设要素。为了更为直观地分析一线教师对各科学要素的关注程度,可将各科学要素的比率进行纵向求和,并画出各科学要素所占的比例,如图4所示。由图4可以看出,一线教师对分析与论证的关注程度最高,其次注重培养学生设计实验与制订计划的能力,容易忽视评估能力的培养。从上述分析可知,2017年以后,一线教师注重在实验教学中培养学生的科学探究能力,与义务教育物理课程标准的要求一致。但每个教师会根据实际情况和教学目标,侧重培养学生某一种或者某些方面的科学探究要素,整体上看,分析与论证能力和设计实验与制订计划能力受到大多数教师的重视,而评估能力容易被忽视。

五、“牛顿第一定律”的教学改进

评估是科学探究的一个重要过程,是学生深度学习必不可少的重要环节,是培养学生创新意识的重要途径。因此,在教学过程中应当有意识地引导学生对探究过程和探究结果进行评估。基于以上分析,笔者主要从实验方案、实验仪器、数据处理三个方面引导学生评估“牛顿第一定律”的科学探究。第一,反思探究过程,改进实验方案。实验方案并非十全十美,需要在实际探究中反思和改进。教师应当引导学生评估实验方案的优点和不足,并思考改进方案。比如,我们将同一个小车从同一斜面的同一高度下落有什么优点?不改变小车下落的高度,会出现什么问题?通过观察小车在粗糙程度不同的水平面上运动到停止的时间,得出小车在光滑的水平面上将保持匀速运动合理吗?通过问题,引导学生深度思考,在此基础上,学生再提出改进方案,才能经历真正的科学探究过程。第二,利用现代技术,减小实验误差。引导学生思考用小旗插在小车停止的位置,再用刻度尺测量小车移动的距离,有什么问题吗?用秒表记录小车从滑到水平面到停下来的时间准确吗?通过教师的引导,学生很容易发现,利用小旗标记小车停下来的位置,然后用刻度尺测量距离,操作烦琐,耗时长;用秒表测量时间,不够精确,误差较大。这时,向学生介绍传感器的结构和用途,感受传感器的方便和精确。一方面,减小了“牛顿第一定律”实验的误差,得到更精确的实验数据;另一方面,学生能够深刻地体会“物理学在不断发展,具有强大的生命活力”,进而有效提高学生对物理学的热爱程度。第三,优化数据处理,反映变化规律。初中生常用列表法处理数据,但用列表法探究“牛一定律”不能直观反映变化规律。教师可引导学生思考列表法的不足。比如,讨论一下你们在数据处理和得出结论的过程中,遇到了哪些麻烦?通过讨论,学生自然能够想到需要优化数据处理方法,为了能直观地反映规律,应当采用图像法进行数据处理。为了方便比较,还可以将小车在不同粗糙程度的水平面上运动的v-t图像放在同一坐标系中进行对比。这样得出“水平面越光滑,小车运动的速度变化越慢”才更加合理。学生才能推理出在绝对光滑的水平面上,小车将做匀速运动。说明:①n指与科学探究要素相匹配的活动(包括特定探究和一般性探究)数量,N指所有活动的总数;②s指与活动相匹配的科学探究要素的种类数,S指所有科学探究要素的种类数(即S=7);③m指每个科学探究要素出现的频次,M指所有科学探究要素出现的总频次。


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