国内科学探究研究内容的综述与展望
——以物理学科视角

郑柔纯 李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院,广东 广州 510006)

自《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》将科学探究作为核心素养的重要组成部分后,国内掀起了有关科学探究的研究热潮.基于此,本文整理并总结了近20年国内科学探究在中学物理教育的研究现状,对国内科学探究的路径建构、教学策略、评价测量等方面的研究进行分析探讨,以期对后续研究提供参考与建议.

1 国内科学探究研究成果的统计与分析

1.1 文献总体趋势分析

在“中国知网”数据库,以“科学探究”“物理教学”为主题进行高级检索,共有6962条结果.由图1可知,近20年国内关于科学探究的研究文献总体呈增长趋势,且在2011年与2020年呈现明显的波峰.分析可知,近20年来有关“科学探究”的研究经历了一个从无到有、逐渐发展、日臻完善的过程,从侧面体现了广大教育研究者对科学探究的认可度和关注度逐渐提高.

图1 近20年发文量统计

1.2 所选文献来源及主题分布

经过筛选,最终选取了2005～2022年间发表的11篇学位论文和31篇期刊论文.本文主要针对这42篇文献进行深入的探讨与研究,从而对国内科学探究的研究进展有更清晰、全面的认识与思考.

对42篇论文的来源分布情况进行统计,具体情况如图2所示.在所选的期刊论文中,共有26篇发表在核心期刊,研究侧重点主要基于应用层面,对科学探究在教学中的建构路径、策略分析、评价测量等方面进行深入探讨.由此可知,有关科学探究的研究在数量、质量以及层次方面相对比较可观.

图2 期刊文献来源分布图

进一步对所选文献研究的主题内容进行统计分析,可以将这些论文分为3大类:科学探究的内容研究、教学探讨、评价测量.表1显示,关于科学探究的模式探索、路径建构、策略分析等教学研究的文献占比最多,高达57.14%.

表1 文献内容分类表

2 国内科学探究研究的主要内容

2.1 科学探究内容的研究

目前对科学探究内容的研究主要聚焦在对内涵的解读和对相关的科学探究内容进行整理、概括.

(1) 内涵解读.

通过对文献的梳理,广大教育研究者从不同角度出发,对科学探究的内涵解读进行了深层次的探讨.例如,邓阳和王后雄从科学实践的角度深入探讨了科学探究的内涵,认为科学探究是对特定的科学现象表达自身见解,并能有效地进行论证的过程,凸显了解释与论证的核心地位.[1]王高指出思维活动是科学探究的灵魂,认为在科学探究中应对学生进行充足的思维训练,促进思维生长.[2]吕虎依据新课标中科学探究的4大要素,阐述了教师应以这4大要素为核心展开教学,进而培养学生的科学探究.[3]

总体来说,不管从哪个维度解读科学探究的内涵,大多数学者均认同其内涵应体现以下3大维度内容:一是探究中运用控制变量、提问等科学方法;二是在探究中拥有建构物理概念、规律的能力;三是具备正确的科学探究本质观.

(2) 内容的整理与概括.

目前的研究成果主要是以中学物理的内容为立足点,对教学中涉及的科学探究内容进行整理与概括.例如,有学者从宏观角度对高中新教材中的科学探究内容进行了整体的梳理、分析与统计.[4]又如有学者从内容主题出发,以“抛体运动”主题为例,整理了该章节中涉及的与科学探究相关的内容.[5]通过对相关内容的整理与概括,有利于深入进行教材分析、优化教学、培养学生的科学探究能力.

2.2 科学探究建构的教学探讨

2.2.1 科学探究建构的路径

为了达到有效地建构科学探究的目的,教师首先要引导学生在探究过程中逐步建构、理解、掌握新知识.在探究新知识的同时,教师需要加强科学方法的教育,积极主动地将重要的物理思想渗透在教学中,以期逐步发展学生的科学探究能力.

在注重知识建构、方法学习、思想渗透的教学的基础上,广大教育研究者提出了相应的建构路径.例如吴志明在教学中利用论证式教学构建科学探究,其基本环节如图3所示.[6]董光顺,李志坚将科学探究回归到科学实践本质的视域下进行理解,并构建了培养学生科学探究的4个关键活动,如图4所示.[7]王文清、郭玉英和贾永通过对物理学科及学生学习物理的认知心理的分析,提出了促进科学认知发展的探究教学路径,如图5所示.[8]肖化等人以STEM 教育为载体,构建了“创设现实问题情境—情境为主线的科学探究—教师补充—优化解决方案进行工程制作”为教学流程的探究教学模式.[9]

图3 论证式教学的基本环节

图4 物理科学探究中的4个关键活动

图5 促进科学认知发展的探究教学路径

总体来说,目前对科学探究的建构路径探讨的研究,数量上略显单薄,且大多是对具体案例的碎片化小结,更倾向于经验型的建议,而缺乏整体性与可迁移性.

2.2.2 教材分析

当前研究成果中关于教材分析的研究方向主要包括不同版本教材梳理比较、新教材深入解读、教材使用情况与建议3方面.例如,李永忠探讨了不同版本教材中科学探究的呈现方式、内容特点、要素体现等方面进行比较,在研究中领会教材的编写意图,有利于教材优化以及帮助教师利用教材落实科学探究培养.[10]吴霞从教材解读的角度切入,对科学探究在教学中的渗透,以及对教材内容能否体现科学探究的培养进行了深入研究,为教师探索更好的科学探究教学策略提供有效的帮助.[11]胡惠琪在教材编写上提出了独到的见解,例如教材应提高实验的开放水平、优化科学探究的过程.[5]总之,现阶段有关教材分析的研究文献不仅有利于优化教材中相关内容的表述方式、逻辑编写、素材运用等方面,而且对教师改善教学起着重要的作用.

2.2.3 教学策略

通过对文献的梳理,许多教育研究者对“如何在教学中培养学生的科学探究能力”这一问题十分关注,目前研究中涉及到的教学策略主要有以下4大方面.

(1) 注重实验教学,提供培养科学探究的重要路径.

物理是一门以实验为基础的学科,实验教学在培养学生科学探究能力方面具有独特的教育价值.很多学者针对实验教学提出相关的教学策略.例如,韩志强结合具体教学案例提出创新设计教材实验,突出学生主体性的教学策略;[12]张国平深入阐述了分组实验各环节的教学策略,设计了“规范格式—书写检查—展示交流—你问我答—改进提升—电子存档”的实验报告书写流程,促进学生的科学探究能力螺旋式上升;[13]颜辉提出利用DIS实验器改变当前套路化的探究过程的教学策略,进而优化与延伸科学探究功能与过程.[14]

(2) 渗透物理学史,夯实科学探究的根基.

物理学史是科学知识的发展史,蕴含着丰富的教育资源.目前学者提出的有关运用物理学史的教学策略有以下几方面.其一,创设历史情境,引导学生了解当时科技水平及科学家的知识背景;其二,再现科学的探究过程,帮助学生构建知识网络;其三,展示历史上科学家进行探究时运用的科学方法,促使学生从知识习得转向能力进阶;其四,凸显科学家探究过程中的科学精神,引导学生树立对科学的使命感与崇敬感.[15-17]

(3) 建构概念规律,凸显科学探究4大要素.

物理概念、规律的建构首先要让学生获得丰富的感性材料,再通过理性加工、抽象概括等方式,促使学生从表象认识过渡至本质理解,实现知识的升华.目前学者们研究较多的策略有以下几点:其一,利用实验、实物、模型、动画模拟等创设物理情境,激发学生的问题意识;其二,通过引导学生自主设计实验方案,动手操作实验,观察实验现象,记录并处理实验数据,巩固学生的证据意识;其三,引导学生描述、解释实验结果,分析实验误差产生的原因,发展学生的解释意识;其四,引导学生在探究活动中积极主动地与他人合作交流,培养交流合作意识.[18]

(4) 融入PBL、STEM教育,促进科学探究的落地.

PBL教学法注重以问题为导向,STEM教学法强调科学技术在生产生活中的应用.这两种教学法的应用均有利于提升科学探究.有学者通过分析PBL教学法与科学探究要素间的联系,结合具体实例提出“连接问题—设立框架初探问题—再探问题—成果或活动—评价表现和问题”这5个环节的教学策略.[19]也有学者提出了基于STEM教学理念的高中物理教学流程,初步阐述了培养学生科学探究的教学策略.[20]

此外,也有学者从科学探究过程的基本步骤出发,着重探讨了各步骤的教学策略.总体来说,从文献上看,尽管目前很多研究成果提出了丰富的教学方法与策略,但大多是从理论层面给出,相关的实证研究略显贫瘠,还有很大的研究空间.

2.3 科学探究的评价测量研究

通过科学探究的测量评价,不仅能从宏观上把握当前中学生的科学探究现状,还能为教学策略上的优化提供有效的反馈与指导.现阶段,对科学探究评价测量的研究主要围绕“评价水平划分”“评价的内容、方式及指标”“中学生科学探究能力现状测查分析”3方面展开.

2.3.1 科学探究的评价水平划分

新课标将科学探究划分为5个水平.有学者以此为依据,比较分析了不同版本新教材相关案例的科学探究的水平层次.[5]也有学者认为新课标的划分水平相对比较抽象,因而进一步细分了科学探究的水平层次,增强了实际评价过程中的可操作性.例如邱文婷根据教师(教材)与学生在探究活动环节的参与程度,构建了物理教材科学探究水平分析框架.[21]张国平设计出问题、证据、解释、交流这4大要素的水平表现表及评价细则,制订出科学探究的水平评定量化表.[22]

2.3.2 科学探究的评价内容、方式及指标

在评价内容上,分析文献可知,起初很多学者将科学探究作为核心素养的某个组成部分进行评价.然而这种求大、求全的研究很难系统、全面地对科学探究进行评价.因此,不少学者开始单独对科学探究水平的测量评价展开深入探索与实践.例如陈华生基于STEM教育对高中生科学探究现状进行调查研究.[23]与此同时,也有学者开始尝试围绕科学探究的某一要素进行细致的、更为翔实的评价,例如黄宽宽着重探讨与评价了科学探究中的猜想与假设能力.[24]

在评价方式上,很多研究者倾向于以问卷调查、试卷测评等纸笔测验为主,访谈、书面评语、课堂问答等方法为辅,对中学生科学探究进行评价.在开发相关测试卷的过程中,不少学者参照新课标提出的科学探究的能力层次水平,制订出多个维度的评价量表.例如金芝以Rasch模型为基础,编制出一套物理科学探究测试量表;[25]徐瑞璟和李春密在新课标的指导下,制订了中学生物理科学探究能力的PTA评价量表.[26]同时,有学者设计出操作性较强的科学探究水平划分框架进行评价,并利用具体试题探讨了纸笔测验中探究性试题的规律特点与编制策略.[27]此外,也有学者通过设计表现性任务进行指向性评价.例如周莹通过观察学生在探究小灯泡的伏安特性曲线的分组实验中各环节的行为表现进而评价科学探究的水平.[28]

在评价指标上,目前的研究成果大多数围绕科学探究的要素及关键步骤编制评价指标,确保了评价方向的正确性.有些学者将新课标提出的学业质量水平细分为评价指标.[29,30]也有学者从多元智能的角度出发,构建出新的科学探究的评价指标.[31]

2.3.3 中学生科学探究能力现状测查分析

很多学者曾利用纸笔测验对中学生的科学探究现状进行调查分析,总体研究结果如下:大部分中学生的科学探究已达到一定层次水平,但总体发展程度不高,各要素间的发展不均衡,尤其在提出问题、设计实验、反思评价等能力方面比较欠缺.不少学者对现状成因进行由外而内的深度剖析,总体来说,这种现状主要受学校、教师以及学生自身3方面的影响.其一,迫于应试教育、高考的压力,学校对科学探究的培养力度不强,相关课程资源提供不足;其二,教师对科学探究内涵理解不深,未能在课堂上有效地引导学生进行科学探究;[32]其三,学生深受应试教育影响,科学探究意识相对比较薄弱.[33]因此,如何改善中学生科学探究发展程度不高、发展不平衡的现状,是广大教育研究者需要进一步思考与探索的问题.

3 思考与展望

随着新课程改革的推进,有关科学探究的研究持续被广大物理教育研究者关注.因此,笔者依据以往的文献研究,从科学探究的建构和评价两个维度,提出以下几点思考.

3.1 科学探究的建构

(1) 细化新课标对科学探究要素的具体要求,促使教材编写与教师教学有据可依.通过对文献的梳理,发现目前研究者对新课标中关于科学探究各要素的分阶段要求关注较少.因此,建议在后续对新课标的研究中,能进一步对其中概念规律的建构、实验教学等方面中有关科学探究的要素提出更细致、更完善的建议和要求,从而为教材的编写与审定、教师的实际教学提供指导方向.

(2) 推进探究教学理论研究与实践检验融合发展,提高探究教学的科学性.目前研究成果中提出的相关建构路径、教学策略等大多数从理论层面出发,结合具体案例进行分析,在实证研究方面比较薄弱,并未能很好地指导实际教学.因此,建议学者们在提出相关路径、策略后,最好通过实证研究进一步检验理论假设的可行性,以确保教学的科学性与适切性.

(3) 拓宽教材分析的研究内容,促进教材二次开发及教学优化.目前关于教材分析的研究成果较为丰富,但大多数研究将关注点聚焦在教材各个栏目、实验内容中科学探究的对比分析上,对于考查科学探究层次水平的教材习题研究较少,且很多文献中互相借鉴、重复研究的多,取得实质性创新作品的少.因此,建议着重关注教材中习题的研究、教师对教材的使用问题,以及拓宽不同版本教材的纵横对比,从而为教学改进和教材再次开发提供宝贵建议.

3.2 科学探究的评价

(1) 注重评价方式多元化,促进定性评价与定量评价相结合.目前评价方式大多局限于纸笔测验,模式单一,忽略了学生间的差异及个性发展,其科学性与合理性有待提高.因此,建议丰富评价方式,且评价中应具备质性评语与具体分值,定性与定量评价双管齐下,致力于促进学生更好地发展.

(2) 探索科学、高效的评价指标体系,凸显评价的导向作用.目前学者们对科学探究的评价指标研究方面相对比较欠缺,且现有的评价指标体系实质性创新不足,评价的信度与效度系数还有待考证.因此,基于新课标构建一套科学、高效、操作性强的评价指标体系,应是评价改革深入探讨的关键所在.