科学探究视域下学生自主创新实验的情境价值

刘作志 汤金波

（1.高密市豪迈中学，山东 高密 261500；
2.南京师范大学附属中学树人学校，江苏 南京 210000）

《义务教育物理课程标准（2022 年版）》强调基于情境的问题化学习，这是由学科核心素养的社会适用与问题解决指向决定的。科学探究是物理学科核心素养的重要组成部分，包括问题、证据、解释、交流四大要素。在国内外广大一线教师的教学实践中，科学探究形式化的情况并不鲜见，这也是“美国新一代科学教育标准”将“科学探究”改为“科学实践”的缘由之一。深度的科学探究需要深度的学习情境，要解决科学探究形式化的问题首先要考虑的是如何激活科学探究的学习情境。学生自主创新实验有别于常规实验和一般非常规实验，其情境内涵极其丰富，值得深入挖掘。

“学生自主创新实验”就其本身而言是一项综合实践活动，即学生基于物理学科乃至跨学科学习主题，利用身边的生活物品，自主设计实验，经历探究过程，产出实验微视频、自制实验器具、创新实验方案、原创实验命题等实践成果的学习活动。近年来，基于学生自主创新实验的教学与评价研究日渐丰富，逐步发展为一种教学模式。［1］学生自主创新实验丰富而深刻情境内涵，与其活动特质密切相关。

（一）参与性

情境认知理论认为，学习即社会参与，是通过“合法的边缘参与”同时建构意义和身份的过程。［2］学习情境的首要作用是赋予学习以意义，赋予学生以身份。学生自主创新实验强调学生自主，围绕自主创新实验的共同主题，班级构成实践共同体，每一个学生都是这一实践活动的主体，这就赋予了学生实践共同体成员的合法身份。意义的构建则来自学生经验与学习情境的密切关联，这种联系一是指学习情境与学生个人认知经验的联系，二是指学习情境与学生社会认知环境的联系。学生作为同主题创新实验活动的参与者，已经具备了认知的锚点，与共同体其他成员进行实践比较的认知冲动，又构成了学习动机。有别于其他实验情境，学生是自主创新实验情境中不可或缺的一部分，人在境中，境在人中。

（二）实践性

依据情境认知理论，学习并非先在头脑中灌输一套知识技能，再将之应用于实践情境；
相反，学习是通过参与实践改变理解的过程，是对不断变化的实践的理解与参与。［2］因此，对情境的理解不应局限在静态的、离身的背景式情境、习题式情境、思辨式情境，而应更多关注动态的、具身的实践式情境，尤其是以实践为本质属性的科学探究，更应该在实践中学习实践。学生自主创新实验是一种实践性情境，这种实践性有两重含义：一是来源于实践，作为情境素材的实验微视频、自制实验器具、创新实验方案等均来自学生具身的实践活动；
二是回归于实践，情境展开的方式例如对实验结论的验证、对实验现象的再现、对实验器具的操作等，都是实践性的。

（三）协商性

作为情境认知理论的认识论基础，建构主义认为“学习是知识的社会协商”。基于学生自主创新实验的教学模式，其基本思路是“实践—展示—批判—改进—创新”。课前自主创新实验的实践活动产出了情境素材，这种情境素材消解了教材实验和教师实验的权威性，成为可商榷的不完美实验，在此情境下人人可批判、人人可改进。［3］批判和改进的过程是班级社会协商的过程，所谓批判即实践共同体的其他成员，基于个体的实践提出有异于情境案例的观点。所谓改进即成员在观点的碰撞中去伪存真，去粗取精，达成指向理解的共识——知识，指向实践的共识——创新。如果知识是由社会协商而建构，则创新是必然的结果，虽然这里的创新多数是教育意义上的，但教学实践中发现，具有社会价值的创新成果也时有诞生。

（一）引玉之砖——“问题”深一度

情境案例1：糟糕的温度计

在学习“温度”一节前，让学生自主预习，自制一个温度计，录制微视频并将作品带到学校。某个学生制作的温度计，放入热水后发现，液柱停留在瓶中，上升并不明显。

由此，教师提出驱动问题：对比该同学作品与实验室用温度计，对自制温度计失败的原因提出猜想。

学生对比讨论后提出了如下猜想：1.瓶子太大，瓶内液体受热膨胀慢；
2.橡皮泥封口不严，气密性欠佳；
3.管子太粗，同体积液体上升高度小；
4.瓶内液体不满，液面太低；
5.瓶内液体是水，受热膨胀率低；
6.测温时没有完全浸没，温度计受热不充分；
等等。

将社团课上制作的瓶子大小不同、瓶内液体不同、管子粗细不同的自制温度计提供给学生，让学生尝试设计实验验证部分猜想，剩余猜想供学生课下自主设计实验验证。

价值探讨：进行科学探究首要的是提出问题，问题应自情境中来；
提出问题后应做出假设，假设须以情境信息为依据。学生的自主实验往往是不完美的甚至是失败的，这种“糟糕”的实验恰恰可以作为“引玉之砖”，让学生在质疑和批判中发现问题，提出假设。由于是基于共同的实践活动，问题的具体性与假设的指向性更强，因而更具有探究价值。

（二）百炼之炉——“证据”深一度

情境案例2：动能影响因素的百变探究

在学习“动能”之前，让学生利用身边的物品仿做教材上的实验，学生就地取材设计了精彩纷呈的实验方案。其中四种实验方案，教师在课前截取4 个微视频的精彩片段制作成gif 动图。学生观看后，教师提出问题——4 位同学的实验方案与教材原型相比有哪些优点或不足？

学生讨论后提出：实验（a）用带有格子的本子作斜面，方便根据格子控制小球每次下落的高度，但是，由于本子是软质的，小球运动方向容易偏移；
实验（b）用胶带作为滚落物体能更好地控制变量，改变物体质量只需在胶带中心塞入一个小球，这样改变质量的同时不改变接触面和滚动半径，但是，作为被撞击物体，小木块容易转动，不好标记末位置；
实验（c）用小车代替被撞击的木块，效果更明显且不容易偏移，用自制的标示卡片标记位置非常方便；
实验（d）借用玩具搭建斜面，凹槽约束小球定向滚动，但斜面形状不规则，阻力大，小球到达水平轨道时的速度小，撞击效果不明显；
等等。

教师总结学生观点后，引导学生取长补短，基于自己原有的方案，提出改进后的更优实验方案。

价值探讨：获取证据包括设计制订方案和获取处理信息。囿于固定器材，常规实验的方案设计容易流于形式，因而通过常规实验，学生设计制定探究方案的能力往往得不到有效发展。因器材的生活化，学生自主创新实验更具设计自由度，同一探究主题不同实验方案的汇集，作为情境恰似一个熔炉，将学生的设计创意熔炼在一起，在这个熔炉中学生不仅掌握设计方法，也体悟设计思路，滋养设计灵性。另外，多样化的信息获取手段也将丰富实验信息处理的教学内涵。

（三）深掘之镐——“解释”深一度

情境案例3：两则造霜实验

在“升华与凝华”一节，人教版教材中有这样一个课后实验——将冰块放入易拉罐中并加入适量的盐，搅拌半分钟会在易拉罐的下部和底部发现白霜。某同学对该实验做了改进——取三个易拉罐甲、乙、丙，甲、乙放入等质量的冰块和盐，丙仅放入冰块。甲放在湿毛巾上，乙、丙放在干毛巾上。搅拌后观察到甲罐壁有较多的白霜出现，并且底部和湿毛巾粘连在一起，乙罐壁霜较少，丙罐壁无霜但有水珠。

另有学生设计了如下的创新小实验：1.将樟脑丸压成粉末装入玻璃瓶；
2.将瓶子浸入热水里，静置五分钟。注意热水高度与樟脑丸粉末相平；
3.观察到屏蔽上有“霜”出现。

以这两则实验为情境，如表1，可以引导学生基于现象，挖掘证据，做出深度的解释：

表1 对两则造霜实验的解释

价值探讨：对“解释”这一要素的理解常常窄化为数据分析与结论得出。［4］作为一种素养，对现象的解释能力实则比对数据的解释能力更有价值。具有新异性的创新实验情境为师生提供了一把刨根问底的镐头，通过对比、分析与综合，层层剥离现象，抓住证据，得出结论。抛开引人入胜的创新情境与实验问题，则“解释”将失去深度和温度。

（四）燎原之火——“交流”深一度

情境案例4：增加的0.1g

“质量是物体的固有属性，与物态无关。”为验证这一结论，如图1，一名学生设计了创新实验：用电子秤分别测量结冰前后的棒冰的质量，实验发现，结冰后比结冰前重了0.1g。以此为情境让学生讨论到底是实验有问题还是教材结论有问题。

图1 验证质量与物态无关

经讨论学生普遍认为实验有问题，主要分为两派：一派注意到前后两次测量电子秤的位置不同，另外测量工具的精度也不够，0.1g 仅仅是实验误差，可以忽略；
另一派注意到，凝固后的棒冰表面有一层霜，认为增加的质量来自由空气中水蒸气凝华成的霜。教师进一步让学生根据自己的假设，对该实验提出改进方案，部分学生方案如下：

方案1.用多根棒冰一起做实验，弥补电子秤精度不够的缺点；

方案2.将结冰后的棒冰放在密闭的包装袋里测出总质量，等到棒冰融化再测量总质量，可避免凝华问题的影响；

方案3.两次测量都在冰箱内完成，避免棒冰取出后水蒸气凝华增重；

方案4.泡沫块打孔放入棒冰测总质量，冰冻后先在冰箱中放入泡沫块，再拿出测总质量；

方案5.准备两只棒冰，其中一只冷冻，测两只棒冰总质量，将冷冻的熔化并擦干表面，将未冷冻的冷冻，再测两者的总质量。

………

教师设置家庭实践作业，提供测量工具，让学生按照自己的方案完成实验验证并在班级学习平台交流实验结果。

价值探讨：若科学探究的过程和结果是既定的，“交流”便丧失了一多半的价值。交流不仅是对探究问题、过程和结果的表达，更是基于评估和反思对实验结果提出质疑，对实验过程提出建设性的意见。［6］学生自主创新实验作为情境的魅力在于——通过创意的过程得到反常的结果，以聚焦的质疑为始，以发散的创新为终，仿佛星火燎原。

新课程标准注重科学探究，突出问题导向，强调真实问题情境。解决科学探究特别是实验教学的情境问题十分必要。学生自主创新实验以其与生俱来的参与性、实践性与协商性，极具情境价值。从科学探究素养的四要素来看，学生自主创新实验作为诱发问题的情境，使问题与假设有凭据、有线索；
作为获取证据的情境，拓宽了实验设计与信息处理的自由度；
作为延伸解释的情境，更突出科学思维的内在价值；
作为促进交流的情境，更强调批判性的结果评估和建设性的过程建议。

当然，科学探究的情境创设不应也不必局限于自主创新实验，常规实验仍然在科学探究特别使实验教学中葆有着不可取代的教育价值，生活情境、社会情境、历史情境在发展科学探究素养过程中，均有各自特殊的价值。如何将各类情境资源、各类实验教学资源有机融合到物理课堂以落实学科核心素养，是值得长期、深入探讨的问题。

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