科學探究視域下學生自主創新實驗的情境價值

劉作志 湯金波

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

《義務教育物理課程標準（2022 年版）》強調基于情境的問題化學習，這是由學科核心素養的社會適用與問題解決指向決定的?？茖W探究是物理學科核心素養的重要組成部分，包括問題、證據、解釋、交流四大要素。在國內外廣大一線教師的教學實踐中，科學探究形式化的情況并不鮮見，這也是“美國新一代科學教育標準”將“科學探究”改為“科學實踐”的緣由之一。深度的科學探究需要深度的學習情境，要解決科學探究形式化的問題首先要考慮的是如何激活科學探究的學習情境。學生自主創新實驗有別于常規實驗和一般非常規實驗，其情境內涵極其豐富，值得深入挖掘。

一、學生自主創新實驗及其情境內涵

“學生自主創新實驗”就其本身而言是一項綜合實踐活動，即學生基于物理學科乃至跨學科學習主題，利用身邊的生活物品，自主設計實驗，經歷探究過程，產出實驗微視頻、自制實驗器具、創新實驗方案、原創實驗命題等實踐成果的學習活動。近年來，基于學生自主創新實驗的教學與評價研究日漸豐富，逐步發展為一種教學模式。［1］學生自主創新實驗豐富而深刻情境內涵，與其活動特質密切相關。

（一）參與性

情境認知理論認為，學習即社會參與，是通過“合法的邊緣參與”同時建構意義和身份的過程。［2］學習情境的首要作用是賦予學習以意義，賦予學生以身份。學生自主創新實驗強調學生自主，圍繞自主創新實驗的共同主題，班級構成實踐共同體，每一個學生都是這一實踐活動的主體，這就賦予了學生實踐共同體成員的合法身份。意義的構建則來自學生經驗與學習情境的密切關聯，這種聯系一是指學習情境與學生個人認知經驗的聯系，二是指學習情境與學生社會認知環境的聯系。學生作為同主題創新實驗活動的參與者，已經具備了認知的錨點，與共同體其他成員進行實踐比較的認知沖動，又構成了學習動機。有別于其他實驗情境，學生是自主創新實驗情境中不可或缺的一部分，人在境中，境在人中。

（二）實踐性

依據情境認知理論，學習并非先在頭腦中灌輸一套知識技能，再將之應用于實踐情境；相反，學習是通過參與實踐改變理解的過程，是對不斷變化的實踐的理解與參與。［2］因此，對情境的理解不應局限在靜態的、離身的背景式情境、習題式情境、思辨式情境，而應更多關注動態的、具身的實踐式情境，尤其是以實踐為本質屬性的科學探究，更應該在實踐中學習實踐。學生自主創新實驗是一種實踐性情境，這種實踐性有兩重含義：一是來源于實踐，作為情境素材的實驗微視頻、自制實驗器具、創新實驗方案等均來自學生具身的實踐活動；二是回歸于實踐，情境展開的方式例如對實驗結論的驗證、對實驗現象的再現、對實驗器具的操作等，都是實踐性的。

（三）協商性

作為情境認知理論的認識論基礎，建構主義認為“學習是知識的社會協商”?；趯W生自主創新實驗的教學模式，其基本思路是“實踐—展示—批判—改進—創新”。課前自主創新實驗的實踐活動產出了情境素材，這種情境素材消解了教材實驗和教師實驗的權威性，成為可商榷的不完美實驗，在此情境下人人可批判、人人可改進。［3］批判和改進的過程是班級社會協商的過程，所謂批判即實踐共同體的其他成員，基于個體的實踐提出有異于情境案例的觀點。所謂改進即成員在觀點的碰撞中去偽存真，去粗取精，達成指向理解的共識——知識，指向實踐的共識——創新。如果知識是由社會協商而建構，則創新是必然的結果，雖然這里的創新多數是教育意義上的，但教學實踐中發現，具有社會價值的創新成果也時有誕生。

二、學生自主創新實驗的情境價值挖掘

（一）引玉之磚——“問題”深一度

情境案例1：糟糕的溫度計

在學習“溫度”一節前，讓學生自主預習，自制一個溫度計，錄制微視頻并將作品帶到學校。某個學生制作的溫度計，放入熱水后發現，液柱停留在瓶中，上升并不明顯。

由此，教師提出驅動問題：對比該同學作品與實驗室用溫度計，對自制溫度計失敗的原因提出猜想。

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

將社團課上制作的瓶子大小不同、瓶內液體不同、管子粗細不同的自制溫度計提供給學生，讓學生嘗試設計實驗驗證部分猜想，剩余猜想供學生課下自主設計實驗驗證。

價值探討：進行科學探究首要的是提出問題，問題應自情境中來；提出問題后應做出假設，假設須以情境信息為依據。學生的自主實驗往往是不完美的甚至是失敗的，這種“糟糕”的實驗恰恰可以作為“引玉之磚”，讓學生在質疑和批判中發現問題，提出假設。由于是基于共同的實踐活動，問題的具體性與假設的指向性更強，因而更具有探究價值。

（二）百煉之爐——“證據”深一度

情境案例2：動能影響因素的百變探究

在學習“動能”之前，讓學生利用身邊的物品仿做教材上的實驗，學生就地取材設計了精彩紛呈的實驗方案。其中四種實驗方案，教師在課前截取4 個微視頻的精彩片段制作成gif 動圖。學生觀看后，教師提出問題——4 位同學的實驗方案與教材原型相比有哪些優點或不足？

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

教師總結學生觀點后，引導學生取長補短，基于自己原有的方案，提出改進后的更優實驗方案。

價值探討：獲取證據包括設計制訂方案和獲取處理信息。囿于固定器材，常規實驗的方案設計容易流于形式，因而通過常規實驗，學生設計制定探究方案的能力往往得不到有效發展。因器材的生活化，學生自主創新實驗更具設計自由度，同一探究主題不同實驗方案的匯集，作為情境恰似一個熔爐，將學生的設計創意熔煉在一起，在這個熔爐中學生不僅掌握設計方法，也體悟設計思路，滋養設計靈性。另外，多樣化的信息獲取手段也將豐富實驗信息處理的教學內涵。

（三）深掘之鎬——“解釋”深一度

情境案例3：兩則造霜實驗

在“升華與凝華”一節，人教版教材中有這樣一個課后實驗——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現白霜。某同學對該實驗做了改進——取三個易拉罐甲、乙、丙，甲、乙放入等質量的冰塊和鹽，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，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。

另有學生設計了如下的創新小實驗：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。

以這兩則實驗為情境，如表1，可以引導學生基于現象，挖掘證據，做出深度的解釋：

表1 對兩則造霜實驗的解釋

價值探討：對“解釋”這一要素的理解常常窄化為數據分析與結論得出。［4］作為一種素養，對現象的解釋能力實則比對數據的解釋能力更有價值。具有新異性的創新實驗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，層層剝離現象，抓住證據，得出結論。拋開引人入勝的創新情境與實驗問題，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

“質量是物體的固有屬性，與物態無關?！睘轵炞C這一結論，如圖1，一名學生設計了創新實驗：用電子秤分別測量結冰前后的棒冰的質量，實驗發現，結冰后比結冰前重了0.1g。以此為情境讓學生討論到底是實驗有問題還是教材結論有問題。

圖1 驗證質量與物態無關

經討論學生普遍認為實驗有問題，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 僅僅是實驗誤差，可以忽略；另一派注意到，凝固后的棒冰表面有一層霜，認為增加的質量來自由空氣中水蒸氣凝華成的霜。教師進一步讓學生根據自己的假設，對該實驗提出改進方案，部分學生方案如下：

方案1.用多根棒冰一起做實驗，彌補電子秤精度不夠的缺點；

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

方案3.兩次測量都在冰箱內完成，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量，冰凍后先在冰箱中放入泡沫塊，再拿出測總質量；

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

………

教師設置家庭實踐作業，提供測量工具，讓學生按照自己的方案完成實驗驗證并在班級學習平臺交流實驗結果。

價值探討：若科學探究的過程和結果是既定的，“交流”便喪失了一多半的價值。交流不僅是對探究問題、過程和結果的表達，更是基于評估和反思對實驗結果提出質疑，對實驗過程提出建設性的意見。［6］學生自主創新實驗作為情境的魅力在于——通過創意的過程得到反常的結果，以聚焦的質疑為始，以發散的創新為終，仿佛星火燎原。

三、結語

新課程標準注重科學探究，突出問題導向，強調真實問題情境。解決科學探究特別是實驗教學的情境問題十分必要。學生自主創新實驗以其與生俱來的參與性、實踐性與協商性，極具情境價值。從科學探究素養的四要素來看，學生自主創新實驗作為誘發問題的情境，使問題與假設有憑據、有線索；作為獲取證據的情境，拓寬了實驗設計與信息處理的自由度；作為延伸解釋的情境，更突出科學思維的內在價值；作為促進交流的情境，更強調批判性的結果評估和建設性的過程建議。

當然，科學探究的情境創設不應也不必局限于自主創新實驗，常規實驗仍然在科學探究特別使實驗教學中葆有著不可取代的教育價值，生活情境、社會情境、歷史情境在發展科學探究素養過程中，均有各自特殊的價值。如何將各類情境資源、各類實驗教學資源有機融合到物理課堂以落實學科核心素養，是值得長期、深入探討的問題。