培养拔尖创新人才的物理实验教学“三度”策略

摘要

为提升拔尖创新人才培养对象的科学探究素养，采取活用实验内容关键知识、布局实验学习活动环节和架构实验素养评价体系3个改进策略，即对实验教学的知识、活动和评价进行理解深度、参与效度和评价精度等富有针对性的改进，据此践行“点线面体”的立体化改进方案，以期实现拔尖创新人才培养对象物理实验素养的提升。

Graphical abstract

关键词

物理实验 / 拔尖创新人才 / 理解深度 / 参与效度 / 评价精度 / 教学改进 / 培养策略

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》^［1］提出对学生物理核心素养的培养要求，高中物理学科作为拔尖创新人才培养的主要学科^［2］，在其中发挥着举足轻重的作用。然而，目前的物理实验教学存在3个问题，成为拔尖创新人才培养的短板。①内容掌握浅表化。比较拔尖创新人才培养对象与一般学生在常规测试中物理实验部分的表现发现，在一些基本仪器操作规范和原理、实验方法的运用以及数据处理细腻度等方面，培养对象并没有显示出特别强的优势。②活动参与形式化。笔者跟踪观察发现，作为培养对象的学生，只是专注于自己的思考、设计与研究，在小组合作探究时缺乏引领作用，反而成为旁观者或局外人，缺少知识的表达与输出。③评价方式片面化。纸笔测试是目前主流评价方式，导致学生对自己的实验素养认知局限于测试的分数。这样的评价过于片面、单一，不能从科学探究素养的多个维度（问题、证据、解释和交流等要素）进行有效评价，往往存在忽视某些重要素养的问题，阻碍了学生的进一步发展与成长。

综上所述，开展培养拔尖创新人才的高中物理实验教学改进策略的研究，是符合时代发展的趋势。笔者基于所在学校实验教学现状进行了有针对性的实践研究。

1 物理实验教学“三度”改进策略研究框架

笔者着重从实验知识“点”上聚焦，在实验活动“线”上激活，在素养评价“面”上覆盖，尝试对实验教学的知识、活动和评价进行理解深度、参与效度和评价精度的改进，借助实验教学整“体”的改良，以期实现拔尖创新人才培养对象物理实验素养的提升，同时为实验教学改进的路径，拟定了“点线面体^［3］：培养拔尖创新人才的物理实验教学‘三度’改进策略”框架，如图1所示。

2 具体的改进策略及实施过程

2.1 活用实验内容关键知识：突破理解深度

该策略主要解决实验内容“怎样内化”的问题。主要通过梳理教材实验的重点内容，引领学生深度学习实验仪器、测量方法和数据处理等关键知识点，实现知识的内化，有效培养学生的物理观念、实验思维和实验技能。

（1） 分类细研以驾驭实验仪器。

筛选物理教材所涉及的常规实验仪器，按“机械类”和“电子类”进行分类，结果如表1所示。引导学生自主学习不同类型的实验仪器，教师进行有针对性的辅助指导，包括仪器的设计原理、使用的操作规范及注意事项等内容。学习方式根据仪器特征进行适当调整。以电子类仪器为例，采用先阅读后操作的模式进行学习；而对于机械类仪器的学习，可以增加动手拆卸器材、分析结构、明晰工作原理等方式，督促学生进行自主研究。

（2） 典例储备渗透测量方法。

教师整理出高中几种主要的测量方法（如比较法、放大法、转换法和模拟法等），结果如表2所示；引导学生回顾对应测量方法所涉及的实验（学生实验或教材中介绍的科学家设计的实验）；辅助学生区分测量方法之间的差别；最后，归纳整理每种测量方法的典型案例，以便进行知识储备。例如，“放大法”主要用于微小量的测量，分为累积放大法、机械放大法、光学放大法和电学放大法，其中，累积放大法的使用条件是待测物体具有某种对称性，其典型案例有测单摆振动周期等。

（3） 模拟科研以掌握数据处理方法。

创设实验情境，呈现真实的实验数据。教师提供几种主要的数据处理方法（列表法、作图法和线性拟合法等），让不同小组的学生采用不同的数据处理方法进行实践，将得到的结果进行交流和评价，分享经验和教训，总结各种数据处理方法的操作注意事项、基本功能、优缺点、使用案例等，并共享收获。以“作图法”总结为例，作图时须将图线调整为均匀地分布于图纸上，画线尽量平滑，不要求数据点都落在图线上，目的是有利于错误数据的剔除。该方法适用于处理多元关系的实验数据等。

2.2 布局实验学习活动环节：提高参与效度

该策略主要解决的是学生“怎么融入”的问题。参与实验活动是学生实验素养培养的一种途径，主要通过活动中的方案设计、数据获取和报告交流等3个环节的递进展开，引导学生深度参与实验研究的关键步骤，借此促进学生思考、合作和交流素养的养成，促其成为一个有思想、会合作、能表达的拔尖创新人才。

（1） 创设多元方案的设计活动。

主要创设“常规实验翻新（对教材上原有实验进行实验原理、使用器材和测量方法等的改变）”和“玩转趣味实验（开放性设计校本开发的课外实验）”两项实验方案设计活动（表3），选定每次活动的主题实验（从表3中选择）后，以6人为一组进行团队设计。设计活动的评价标准包括5个方面：方案的科学性、操作的安全性、方法的合理性、测量的准确性以及图纸的美观性。这些标准促使实验小组根据已有的经验和知识对接新的任务，完成知识的重组与拓展，解开思维束缚，激活创造思维。

（2） 打造合作获取数据的环境。

根据主题实验的领域范围（如力学、电学等）提供所需的实验器材，供实验小组自主选择，但对测量性器材的选择提出“数量限定”或“组合限定”的要求，造成数据获取的两难困境。当小组成员有不同想法时，建议通过组内的讨论作出决策。因为不同小组在最终器材的选择上出现差异，所以会有数据读数难易程度与记录方式的差异，而这就为学生之间合作环境的打造创造了有利条件，学生在相互合作的环境中能够突破操作困境，提高测量精度，完成数据获取，最终强化互助合作的实践意识。

（3） 搭建个性报告交流的平台。

在完成实验后，实验小组成员进行数据的分析与处理，并进行相应的误差分析，最终归纳出实验结论，形成书面实验简报；随后，制作课件并集中展示交流，即每个小组推荐学生代表上讲台分享成果，主要分享实验过程中遇到的问题以及解决方法，同时对实验得出的结论进行阐述与解释；展开交流，鼓励其他小组成员对展示的成果作出相应的评价（包括质疑和反驳）。所有参与实验的学生都进行积极交流，在不断反思、分析和交流过程中，学生的表达交流能力普遍得到提高。

2.3 架构实验素养评价体系：校准评价精度

该策略主要解决实验素养“如何测评”的问题，要知道，评价体系是衡量学生实验素养的参考坐标。根据新课标要求以及布鲁姆教育目标分类学理论，通过重构素养模型、制作水平量表、对标寻找问题等手段构建评价体系，并通过该体系全面、精准、及时地评价学生实验素养的达成程度，以便发现学生的问题，并为进一步的学习矫正提供依据。

（1） 重构实验素养定模型。

①分解维度以设定因子。该模型设置了3个维度：素养层面（x轴）、探究过程（y轴）和水平等级（z轴）。每个维度下设置了不同的因子，素养层面有3个因子：知识、方法和情感；探究过程包含4个因子：问题、证据、解释和交流，以表现各方面素养的差异性；水平等级设立5级水平，用以表现同一维度下各元素的差异，如图2所示。

②确定成分解析内涵。通过x和y维度相互作用，形成12个成分（x×y=3×4）；将这12个成分中的每个成分在x轴上投影，表示完成物理实验的必备素养；各成分在y轴上投影，是该成分在探究过程中的具体表现。这12个成分包括了学生实验素养的全部内容，成分内涵如表4所示。

（2） 细化评价指标制量表。

①指标细化：根据科学探究的内容，将其细化为5个一级指标和多个二级指标，如表5所示。

②制作量表：为直观展现个体水平，结合指标制作评价水平量表，对素养水平进行5级划分并对每个等级进行赋分，如表6所示。作为培养对象的学生，其实验素养水平赋分总和应在48分以上。

（3） 对标评价水平找问题。

根据制作的评价水平量表，采用以下两种评价方法对学生进行评价。①多元主体评价：采用教师点评、生生互评、学生自评等方式，从不同主体的视角对学生在实验学习过程中的各项表现进行评价。②多样方法评价：采用传统纸笔测试的单项、定量、终结性的素养考查，以及运用观察行为表现的整体、定性、形成性的评价方法。

结合两种评价方法所反馈的结果与学生交流，确定学生所处的素养状态，并及时发现其实验素养的缺陷，随后根据具体问题对其进行专项矫正。

3 结语

以“点线面体”^［3］的立体化方案进行实验教学的改进，形成了突破理解深度、提升参与效度、校准评价精度的教学改进操作策略，从而对实验教学的知识内容、活动设计以及素养评价3个方面进行全方位的优化，最终促进拔尖创新人才物理实验素养水平的提升。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 叶晟波，余潘.物理实验教学培养拔尖人才创新素养的探索［J］.物理教师，2022，43（04）：10-15.

[3] 庞慧慧，陈静.“复变函数与积分变换”课程“点线面体”式教学新模式的探讨［J］.大学数学，2019，35（05）：50-54.

基金资助

嘉兴市教育科学规划“高中创新拔尖人才”专项招标课题“点线面体：培养拔尖创新人才的物理实验教学‘三度’改进策略研究”(JZ23136)