指向问题解决能力的高中实验教学理论建构与实践

摘要

实验教学是国家课程方案中重要的教学内容，是培养创新型人才的重要途径。以“用传感器采集数据”实验为例，从明确实验主题、整合实验内容、构建学习路径、制定评价方案及设计实验报告5个维度，系统设计并实施了教学活动。通过对教学实践与成效的分析发现，实验教学能够提升学生的问题解决能力。

Graphical abstract

关键词

实验教学 / 传感器 / 评价方案 / 问题解决能力

实验教学是国家课程方案中重要的教学内容，是培养创新型人才的重要途径。《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》（教基〔2019〕16号）明确指出，要制定中小学实验教学实验基本目录和操作指南，指导中小学实验教学开展^［1］。《基础教育课程教学改革深化行动方案》（教材厅函〔2023〕3号）提出：要研制中小学实验教学基本目录，推动地方加强中小学实验室建设^［2］。2023年11月，教育部教育技术与资源发展中心制定的《中小学实验教学基本目录（2023年版）》（以下简称《基本目录》）指出，实验教学应基于真实情境实验和跨学科实验等方式进行，旨在努力提升学生解决真实情境中的复杂问题、完成真实任务的能力^［3］。从这些文件发布的时机和内容来看，教育部对实验教学十分重视。

通过梳理实验教学的相关文献，发现当前实验教学主要聚焦于物理^［4］、化学^［5］、生物学^［6］等领域；部分实验教学往往过于注重实验过程与实验细节，对提升学生问题解决能力的关注尚有不足，值得进一步研究。因此，笔者以高中信息技术实验教学为研究对象，立足《基本目录》，围绕如何提升学生问题解决能力，设计教学路径，开展教学实践，以期为实验教育的理论研究与实践应用提供参考。

1 教学理论设计

1.1 问题解决能力

问题解决能力是核心素养的重要组成部分，是培养学生实践与创新能力的基础，具体体现为学生根据实际情况，整合所学知识并有效解决问题的综合能力^［7］。关于问题解决的过程，杜威、Gick等学者提出了多种模式，尽管各自观点存在差异，但其核心过程大致涵盖提出问题、表达问题、分析问题、解决问题与反思问题等环节。问题解决能力的划分体系已在相关文献中有所提及，黄茂在和陈文典提出了“面对问题的态度”“处理问题的方法和策略”“问题解决的品质”3个维度体系，在此基础上，刘友霞^［8］构建了更精细的维度体系，将每个一级维度细分为3个二级维度，最终形成了9个二级维度，具体划分如表1所示。在本文中，问题解决过程模式是教学设计路径的重要依据，问题解决能力的划分对明确教学目标至关重要，同时也为评价方案的制订与学习路径的规划提供了有力支撑。

1.2 教学设计路径

为有效提升学生的问题解决能力，笔者以问题解决过程模式为理论基石，结合信息技术实验教学实践，构建了教学设计路径（图1）。

在该教学设计路径中，以提升学生的问题解决能力为核心目标，遵循问题解决的基本模式（包括提出问题、表达问题、分析问题、解决问题和反思问题等），结合实践教学经验，构建的实践教学设计路径包含5个环节。

（1） 确定实验主题。该环节旨在通过设计真实情境和建构问题环境，使学生身临其境，考查学生面对问题的态度。

（2） 整合实验内容。真实情境下的问题通常呈现复杂性和无序性，给学生的分析与归纳带来较大挑战。实验教学应围绕主要问题展开，通过优化问题结构，突出核心问题，弱化次要问题的干扰，从而降低学生分析与归纳问题的难度。

（3） 构建学习路径。在厘清主干问题的基础上，设计学生学习路径，包括学习环节、学习活动与学习支架等要素。通过这一路径，学生能够构建问题解决过程，有效提高其问题解决能力。

（4） 制订评价方案。评价方案涵盖课程教学成效与学生问题解决能力提升成效的评估。前者采用过程性评价与总结性评价相结合的方式；后者则基于相关理论基础，通过构建问卷与访谈体系，开展综合的评价。

（5） 设计实验报告。实验报告作为教学设计路径中的关键环节，旨在考查学生在问题解决过程中的总结、归纳、迁移与应用能力。同时，实验报告也是评估学生问题解决能力的重要参考依据。

2 教学实践案例

2.1 明确实验主题

以“用传感器采集数据”为实验主题，主要基于以下2点：①该主题符合《基本目录》的规定，符合大纲要求，符合教学规律；②《基本目录》强调实验教学应基于真实情境，而传感器作为一种技术，广泛应用于日常生活，其采集数据的过程贴近学生实际需求。因此，笔者设计了如下具体情境（表2）。

在上述情境中，课程的核心目标包括2个方面：一是培养学生利用传感器采集与处理信息的能力，强化其动手与编程应用能力；二是引导学生在问题解决过程中抽象出一般步骤，并实现实验方法的迁移与创新应用。

2.2 整合实验内容

为实现课程目标，需要对实验过程与内容进行整理，而对实验过程与内容的整理，需要明晰实验过程，因此，设计了实验过程（图2）。同时，为厘清实验过程各环节内容，从环节、实验目标、实验支持与问题解决能力4个维度，设计了实验内容整合表（表3）。

2.3 构建学习路径

整合实验内容不仅有助于教师规划学生学习路径，还能为学生提供必要的学习支持。在实验过程中，学生的行为是构建问题解决能力的关键，为引导学生高效学习，以表3为基础，从环节、学习活动与学习支架3个维度设计了学生学习路径表（表4），希望能帮助学生实现高效学习。

2.4 制订评价方案

课程评价应从实验过程与问题解决能力成效2个维度展开。前者主要目的是确保课程顺利实施，可采用小组互评表、组长评价表与学生自评表（表5）。通过这些工具，既能了解学生的自我认知，又能间接反映学生的问题解决能力。后者重点是衡量课程对学生问题解决能力的提升效果，可以使用实验报告、问卷调查与访谈等评价策略。例如，实验报告能够反映学生对实验问题的理解、分析、设想、实施、总结、归纳与应用等环节的思考；问卷调查是基于问题解决能力的二级维度进行的设计，能够有效评估学生问题解决能力；访谈则作为问卷调查的补充，深入探讨学生的学习体验和反馈。

2.5 设计实验报告

实验报告既是指导学生开展实验的重要材料，也是评价学生问题解决能力的重要依据。从实验步骤、实验支持及问题解决能力2个维度设计了实验报告，其具体内容如表6所示。

3 案例成效评估

案例成效可以从诸多方面不同程度呈现，可从实验成果与学生自评表2个方面呈现案例成效。实验成果主要是实验设想、数据采集和实验代码，这些实验成果能够说明案例教学顺利开展，学生能够完成实验要求。学生自我评价表是反映案例成效的重要依据。通过对学生自我评价表的分析发现：①85%的学生自我评价等级为优，9%的学生自我评价等级为良或合格；②近85%的学生认为自己能够分析问题、解决问题；③几乎所有学生都认为自己能够梳理用传感器采集数据的过程和方法；④75%的学生认为自己能够总结知识，发现不足，举一反三。为进一步探究研究中发现的问题，笔者设计访谈提纲并进行了访谈。

通过对学生的访谈，发现存在如下问题：①实验设想受限于实验器材。例如，H学生表示我想可以使用瞳孔来解决问题，但是发现没有相关的传感器；②问题解决方案的动态调整，例如，W学生表示我们一直在调整方案，想要更优化一些，导致浪费了很多时间，没有办法进行讨论和总结；③缺乏实验经验，无法迁移实验内容，例如，Q同学表示我以前做的实验很少，虽然我掌握了这个实验，但我不知道如何将这个实验的方法应用到其他实验中。上述发现表明，实验教学对学生问题解决的思路、策略、思维方法及结果归纳与经验推广等具有一定增益作用，但在教学方面仍存在诸多问题。

4 反思与展望

实验教学作为未来教育的重要组成部分，在提升学生问题解决能力方面具有重要意义。以“用传感器采集数据”实验为例，开展了实践教学活动，深入探讨了实验教学对学生问题解决能力的影响。然而，在教学设计方面，仍存在器材准备不足等问题；在问题解决能力成效分析上，缺乏前后对照实验，无质性研究的支撑。针对上述问题，笔者将会在后续教学实践过程中持续深入探究，力求完善，期望能为教育工作者提供有益的借鉴与参考。

参考文献

[1] 教育部.教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见（教基〔2019〕16号）［EB/OL］.（2019-11-22）（2025-01-23）.

[2] 教育部办公厅.教育部办公厅关于印发《基础教育课程教学改革深化行动方案》的通知（教材厅函〔2023〕3号）［EB/OL］.（2023-05-26）（2025-01-23）.

[3] 教育部.2023年版中小学实验教学基本目录正式发布［EB/OL］.（2023-11-24）（2025-01-23）.

[4] 金航涛.核心素养导向的高中物理演示实验教学策略：以“静摩擦力”教学为例［J］.物理教学，2024，46（09）：20-23.

[5] 姚远，石小倩，吕召东，等.基于真实情境的“配合物”实验教学：探究工业盐酸呈黄色的奥秘［J］.化学教育（中英文），2024，45（21）：33-38.

[6] 高微.基于学习进阶理论的“微生物的纯培养”实验教学［J］.生物学教学，2024，49（11）：57-60.

[7] 魏相琴.面向问题解决能力培养的任务驱动式教学设计与实践研究：以初中信息科技课为例［D］.兰州：西北师范大学，2023.

[8] 刘友霞.高中生问题解决能力发展的实证研究：以S市为例［D］.上海：华东师范大学，2015.