“三重”实验教学设计策略,培养科学探究能力——以“用油膜法估测油酸分子直径”为例

赖佳颖 王铁桦

(复旦大学附属中学,上海 200433)

“科学探究”是物理学科核心素养之一，在物理教学中，它既是一种学习方式，也是一种关键能力.广义的科学探究是指探究者通过主动参与，发现问题，解决问题的过程，重要的是带着问题去思考、活动、学习.[1]与理论探究相比，实验探究在高中阶段占据更重要的教学地位，郭玉英教授认为基于实验的科学探究是当代物理教学的核心实践活动.[2]《普通高中物理课程标准(2017年版)》(下文简称《课标》)中也提出“实验是实践体验性最强的物理学习方式，是其他任何方式都无法代替的”.[3]那么如何在实验教学中提升学生的科学探究能力，使实验教学设计在落实科学探究能力的培养上具有可操作性，是当前教育教学改革中的关键问题.

“科学探究”主要包括问题、证据、解释、交流等要素，它们既是科学探究的重要环节，也是探究能力的组成部分，如果将它细分还可以分为提出问题、形成猜想与假设、制订方案、获取与处理数据、得出结论和交流反思的能力等.[3]要增强实验教学落实科学探究能力培养的指向性，可采用挖掘实验的特征、发挥实验特色、突出探究经历、感悟科学过程等方式将科学探究各方面的能力渗透在教学环节中，推进各种类型的实验教学改革.

“三重”实验教学设计策略正是通过重析实验教学目标、重塑实验教学结构、重构实验教学环境，给出提升科学探究能力在实验教学中的有效教学建议.本文将通过测量型实验——用油膜法估测油酸分子直径，分析“三重”实验教学策略的要点与实施.“用油膜法估测油酸分子直径”是选择性必修中学生必做实验的最后一个测量性实验，通过该实验学生能在宏观认知和微观结构中建立连接，实验方案中也涉及一些科学研究方法.

要点1：实验教学目标应根据实验类型、特征等，突出科学探究各要素的多元与组合培养.

科学探究的要素包括于科学探究的全过程中，教学时间和实验类型限制了学生在单个实验学习时经历全部要素，因此教师需要对科学探究的各要素特点进行提炼，通过挖掘每个实验的类型及特点，在单个实验中突出科学探究的不同要素，最终通过实验教学跨单元、跨学年地系统化目标设定，达成科学探究能力的全面提升.例如测量性实验的教学可偏重方案制订与数据处理环节，观察性实验可关注现象描述与问题提出的环节，探究性实验可重点关注问题提出与猜想形成的环节……

“用油膜法估测油酸分子直径”作为一个测量性实验，本课在设计之初，教师可将科学探究的重点落在方案设计及数据处理上.在选定了重点培养的要素后，教师在制订教学目标时便可有所针对，接下来是为教学目标寻找更具体的行为标准，这将指导教学环节的开展.

要点2：实验教学目标设定应结合学生的实际情况，体现科学探究能力的逐层提升.

随着实验教学的不断深入，学生的科学探究能力将得到提升和发展，因此设计教学目标还需要考虑学生在科学探究各要素中的表现情况，并对其进行规划和统筹，在课标的指引下体现能力的发展性和连贯性，提高教学效率.

“用油膜法估测油酸分子直径”实验作为选择性必修中最后一个测量性实验，在前序的实验教学中，学生经历了许多同类型的实验，提升了方案设计及数据处理环节的能力.在结合学情基础上，希望学生通过本实验的学习能在“实验方案设计”“实验数据处理”两方面向学业质量水平4发展，因此依据《课标》明确了学习结果的具体行为表现，这将使教学目标的设置更加具体和具有可操作性，详见表1.

表1 “用油膜法估测油酸分子直径”的科学探究要素及学业质量目标水平

值得注意的是，学生的学业质量表现从水平3提升到水平4并不是一蹴而就的，这需要累积与促进，才能在每个实验教学完成时逐步接近这一表现，设定每堂实验课的学业质量水平既需要凭借教师的经验，也要参照上一个实验教学后的评价结果.

要点3：教学目标设定应突出主线“为何做实验—怎么做实验—如何评价实验”，使教学目标设定紧密围绕核心素养的培养.

在设计具体课堂教学目标时，除了要通过实验培养科学探究能力外，还要落实概念和规律，培育科学责任与态度，因此教学目标的关键是能紧扣实验教学、逻辑清晰、范围全面.

围绕主线设定教学目标可以提高目标设定的可操作性和针对性.思考“为何做实验”是为了凸显实验的价值和意义，提升物理观念，挖掘本实验在认识事物、掌握规律、探索自然中起到的作用，有助于学生建立与原有的物理概念和规律间的关联，完善物理大厦的认知结构；
对“怎么做实验”的思考是为了将科学思维及科学探究落根于实验教学，挖掘物理实验中的思维方式、实验方法、数据处理方法和实验器材的使用方法等，设计“体验”“感悟”和“认识”的教学环节，这将比通过课本上“告知”既定的实验方案和步骤更有助于认知方式和探索手段的形成；
最后对于“如何评价实验”的考虑是为了鼓励学生参与评价、形成协作意识，评价就是交流、反思、论证的过程，该过程是学生改进实验过程、分析误差的关键环节，也是“内化”和“升华”的必经之路，还是学生体会科学精神的重要板块.

本实验围绕上述3个主线设定如表2所示的教学目标.

表2 本课依据主线设定的具体教学目标

要点1：实验教学活动应切实围绕实验教学目标，优化科学探究的亲历过程.

本节课的教学流程一般为“提出任务—讲授实验方案—学生操作实验—得出结论”，学生的学习主要是理解并执行.为了能够达成先前设定的实验目标，增加实验探究过程的感悟和体会，本课在原有的教学结构上做出了调整，教学流程图如图1所示.

图1 教学流程图

本课设计了2个突出重点教学目标的活动环节，分别是活动Ⅱ、活动Ⅴ.

活动Ⅱ为测量黄豆直径的活动.在开始分子直径测量前，设计测量黄豆直径的活动，既可以让学生通过联想、观察，对分子模型、单分子油膜层形成感性认识，也能够回顾和总结间接测量法和累积法.在实际教学中，教师让学生给出测量黄豆直径的方法，学生会各抒己见，有的提到使用游标卡尺，有的使用量筒等，通过讨论后发现当黄豆直径不断减小时，很多测量方法(工具)将无法使用，最终总结得到间接测量微观量的方法.这一活动设计，与教学目标的重点——方案设计相呼应，让实验方案在逐渐修改中不断完善，也让实验方法从学生的潜在意识中逐步得到提炼与显现，在这个过程中学生还能感受模型构建的重要性，并对估测和间接测量有了更进一步的认识.

活动Ⅵ为讨论分析实验误差.这一环节是针对学生发现的问题组织讨论，修正不足，重新获得实验数据.实验中，大部分小组的实验结果在3.0×10-10m～1.0×10-9m，个别数据明显偏大.这时教师除了引导学生关注分子直径的数量级外，还让学生通过阐述实验过程及结果，对比自己与其他组的实验结论及数据差异.最终，不少学生“意外”发现实验过程中呈现的锯齿状的油膜与光滑圆弧状的油膜可能会使结果存在较大不同，如图2所示.接着教师可因材施教，进一步解释或让学生们交流讨论方案，并鼓励学生利用现代技术(后文介绍)快速获得一组新的数据，这能巩固实验的学习成果，同时提升学生的交流论证能力.

图2 不同形状的油膜边界

要点2：实验教学环节应梳理其中的问题逻辑，发挥学生的主观能动性.

教师在课堂教学中应通过问题逻辑的设置，帮助学生构建知识、认知事物，提升科学探究能力.为了突出实验的方案设计环节，在讨论黄豆直径的测量方法后，教师抛出了主要问题——如何使用黄豆直径的测量方法类比测量分子直径，显然从这一问题开始到最终形成完整、可行的实验方案，学生还需要有很大的跨越.所以，当主要问题提出时，隐藏的问题逻辑也逐步显现.

问题1：如何让油酸分子像黄豆一样呈现在容器中？(油酸不溶于水，且比水轻)

问题2：将一滴油酸滴在水面上你看到什么？(油酸无法散开形成单分子油膜层)

问题3：如何让油酸分子展开成平面，减小体积占比呢？(油酸要稀释，溶于酒精)

问题4：如何确定一滴酒精油酸溶液的体积？(可以使用累积法)

问题5：有什么办法能观察到油膜的边界？(撒上一些容易被油酸推开的物质)

随着实验方案不断推进而被提出的一连串问题，可以让实验方案变得更加完整，也让学生体会到方案细化的过程.问题的提出和解决的过程，是学生不断反思和总结的过程，所以这些问题既不能太开放，让学生思维跨度过大，也不能太小，用是非问答框住学生各类可能的疑惑，这需要教师在教学前了解学情，并不断调整.

要点1：课堂的学习空间设置应兼顾认知规律发展，触发学生主动参与科学探究.

学习是在恰当的外部条件支持下发生的，[4]学习空间的设计是需要适合于学生认知发展，支持学习活动的开展的.高中生对宏观的事物认知较为完善，对微观世界的认识不足，但有探索自然的好奇心，有善于观察及较为扎实的数理分析能力，能快速学习新的信息并为实验所用，且愿意与他人分享等特点，因此在创造学习空间时，需要以满足认知需求，刺激学生认知发生为衡量标准.

本课在设计时采用环绕式的桌椅布局，减小了学生的空间距离，加强了实验时的外部互动；
本实验在实验室的专属环境中开展，便捷的设施与丰富的实验器材，提升了学生的环境感受，以上两项措施，从学习场所的角度营造了合适的学习空间.

不仅如此，本节课中为了更好落实教学活动，为学生准备了真实的黄豆、测量工具、油酸瓶使用的说明书等，从学习工具的角度，提供了学生探索的空间和感性的认知基础；
教师还为学生提供了基于信息技术的油膜面积测量方法(见下文)，便于学生快速开展第2次实验，从而了解实验数据存在较大差异的原因.

最后，在教学中教师为学生提供了常见的叶片在不同放大倍率下的照片，让学生感受宏观表象与微观结构间的差异，形成强烈的认知冲突，激发科学探究的意识；
教师还提供了包括德国卡尔斯鲁厄大学与阿伏伽德罗常数相关的材料作为阅读材料，设计了多处师生、生生对话的环节，增强了实验教学的互动性，推进了学生探究过程的认知发展.

要点2：课堂中的信息技术平台应辅助学习需求，简化科学探究过程.

《课标》中数次提及使用信息技术推进科学探究能力培养，而适合物理教学的技术平台有很多，例如Phyphox可以利用手机传感器测量各种物理量，Comsol仿真模拟软件还能够打破数学壁垒模拟复杂物理过程.

课堂中若出现图2(b)所示的油膜形状，重新实验并测量则势必消耗不少时间.因此在第2轮实验中，教师可以引入新的面积测量方法.本课采用的是各PDF编辑软件自带的面积测量工具，以WPS软件为例，其任务栏“批注”中有“测量工具—面积”这一选项，课堂中只需要将油膜边界画在透明方格纸上并拍照转成PDF，如示意图3(a)，便可采用编辑软件快速将油膜面积测出如图3(b)，为了建立参考还可以测量方格纸的一个方格面积如图3(c)，简单按实际比例计算便可获得油膜面积.

图3 使用PDF编辑软件测量油膜面积

采用这一软件并不只是为了减小实验误差(面积差别不大不影响分子尺寸的数量级)，更为了简化探究过程，让学生感受两次实验中的数据差别，验证猜想，改善实验过程.

综上，“三重”实验教学设计策略能够实现在实验教学中科学探究能力的跨单元、跨学年的逐层提升，强化教学目标的可操作性，增加教学环节的探究意义，重视实验环境的育人价值，促进教学评一致性，这将为物理实验教学营造新的形态，提升实验教学在科学探究能力中的育人作用.