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基于学生自主创新的物理实验设计与评价研究 潘书朋* 摘 要：学生自主创新实验有助于学生创新实践能力的培养，是落实学生核心素养的重要途径之一。教师可以通过设计激发认知冲突的课前预习性作业、改进创新物理课本中的演示分组实验、转化创新课后物理习题中的实验、探究复习阶段的拓展实验、设计课题研究性学习活动等方式，引导学生进行自主创新实验；同时通过及时的展示交流和有效的科学评价，激发学生主动学习物理的积极性，培养学生的创新精神和探究意识，让学生在动手实践中提升科学素养。 关键词：学生自主创新实验 物理作业 PTA量表法 实验设计与评价 中图分类号：G633 文献标识码：A 文章编号：1672-6715（2022）08-0056-09 “学生自主创新实验”是学生用自己的智慧去创新实验设计，意味着自己会分析实验原理，自己思考并选择实验器材，自己设计操作步骤，教师在其中只是起到指导者、帮助者与促进者的作用。[1]开发学生自主创新实验可以在内容和形式上突破传统实验教学的框架，使学生在自主的实践活动中，提升创新实践能力、科学态度和物理观念等科学素养。笔者结合与学生历时八年进行“学生自主创新实验”的实践经验，从“开发学生自主创新实验的途径方法”以及“评价学生自主创新实验的多元思辨”两个层面，阐述对“学生自主创新实验”的思考与做法。 一、开发学生自主创新实验的途径方法 （一）激发认知冲突的课前预习性作业[2] 家庭是学生进行小实验的很好的场所，有的小实验可以让学生利用身边的器材提前在家里进行预习性实验操作，这样就能为学生的课堂学习做好充分的准备。 创新实验1：白纸和小镜子哪个亮 在学习鲁科版物理八年级上册“镜面反射和漫反射”这部分内容时，课本有这样一个小实验：“想想议议”——思考白纸和小镜子哪个亮，哪个暗[3]。这个小实验需要在光线较暗的环境中进行，课堂上无法完成，因此教师选择在课前布置学生在家里进行实验。由于实验要求明确，很多学生都积极进行了实验操作并且成功地做出了实验现象（图1）。尤其值得欣慰的是，有的学生对做出的实验现象产生了质疑（实验现象与自己的原有认知发生了冲突），当天晚上师生之间就及时进行了思维碰撞、沟通交流。在第二天的课堂教学中，教师发现，学生对于这部分知识掌握得很好。
图1  创新实验：白纸和小镜子哪个亮 以往引导学生进行课前预习时，教师往往只是注重学生对知识的学习，对于一些类似课本小实验之类的内容，则容易忽略。其实有些课本上的小实验完全可以在课前安排学生在家里完成，充分发挥学生的可塑性与主动性，这对于课堂教学而言是一个有力的保障。 （二）物理课本演示分组实验的改进创新 物理课本演示分组实验是非常经典的，但由于一些“唯分数论”的评价机制，使“刷题”成为获取高分的一种捷径，导致不做实验而“画”实验、背实验成为部分物理课堂的主流，长此以往，学生的动手能力越来越差，科学素养的提升更是无从谈起。同时，由于长期机械性“刷题”，不少学生对于课本上的经典演示分组实验的操作步骤、实验结论甚至评估交流环节的误差分析等都已经“烂熟于心”，逐渐出现了“审美疲劳感”，对物理实验失去了探究的兴趣，反而对“刷题”带来的成就感非常青睐，这对于核心素养的发展是非常不利的。 鉴于此，教师尝试利用“学生自主创新实验”这一有利举措，引导学生对物理课本演示分组实验进行改进创新，让学生换一种“口味”再来学习同一物理概念、探究同一规律，学生自然就会有非常新奇的兴奋感和成就感。例如，在学习“物体间力的作用是相互的”时，学生就自制了“瓶子转轮”这一非常有趣的小制作。 创新实验2：瓶子转轮 如图所示是小菲同学用吸管和空矿泉水瓶制作的“瓶子转轮”（图2）：首先将两支吸管的弯头部分剪下（距离弯头2cm剪开），弯成90°备用，将空矿泉水瓶从中间剪开。在空矿泉水瓶距底部3cm的地方剪两个相对的孔，使吸管能穿过去。先用另一根较长的吸管从两个孔中穿过，验证这两个孔是否是相对的，然后抽出这根吸管，将上面那两根已弯折成90°的吸管分别插入两个孔中（注意：插入孔中后，从上面看上去是沿顺时针方向弯折的），再将这两支吸管用胶带固定好。最后，在瓶子上方的边缘处钻两个孔，用线穿过去。往这个瓶子中装水，可以观察到装入水后，瓶子开始迅速转动起来（图3）。
图2 图3 创新实验：瓶子转轮 学生这个小制作就是利用身边一些看似无用的废旧物品——吸管、空矿泉水瓶做的实验，当“瓶子转起”的时候，学生是很兴奋的。课本上有关“物体间力的作用是相互的”传统实验现象学生早已非常熟悉了，如果能够引导学生开发类似这样的“自主创新实验”，有利于学生在动手实践的基础上更好地理解重难点。譬如“瓶子转轮”这个小制作，不仅考查了“物体间力的作用是相互的”这一知识点，还蕴含了“液体压强”等知识，看似简单的操作中，思维度其实是很高的。类似这样的实验还可以开发很多，如好玩的吸管飞箭、喷气式气球、水中陀螺、蒸气船等等。 （三）课后物理习题创新实践的实验转化 作为师者，传授给学生的不应该仅限于课本中有限的知识，更应该重视方法的指导。在物理教学中，教师要尽量创造条件让学生动起来，使其在愉悦的环境中学习，并不再认为课堂学习是一种折磨，而是一种享受，从而深切感受物理课堂之美。为此，对于课后一些比较有难度的习题，教师可以创造模拟情境，引导学生借助“自主创新实验”突破自己的思维障碍。 创新实验3：模拟月光下走路 情境：一天晚上，刚刚下过雨，路上出现了一个个小水坑，但月光非常明亮。小刚要到小明家玩，出门之前，妈妈嘱咐道：“路灯坏了，小心点！亮的地方是水坑。”小刚听妈妈的嘱咐，果然没踩到水坑。小刚很快从小明家回来，走之前小明嘱咐道：“小心点！不亮的地方是水坑。”小刚听小明嘱咐，也没踩到水坑。小刚糊涂了：“怎么一会儿亮的是水坑，一会儿不亮的是水坑呢？”（如图4所示）。试根据甲、乙两幅示意图加以解释。
图4 习题：一个雨后的晚上，天刚放晴，地面虽干，但仍留有不少水潭。为了不踩在水潭里，下面的判断正确的是：（ ） A.迎着月光走时，地面上发亮处是水潭 B.迎着月光走时，地面上暗处是水潭 C.背着月光走时，地面上发亮处是水潭 D.背着月光走时，地面上暗处是水潭 这是学生在学习“光的反射”相关知识之后经常遇到的一道经典习题。在以往的学习中遇到的尴尬是，教师在黑板上反复画图讲解分析，到最后还是有很多学生不明所以。对此，教师可以引导学生在家里（或黑暗的环境下）利用手电筒、小镜子、玩偶等生活用品进行“月光下走路”模拟实验（图5），在经过实验操作之后再来画图分析，这个难点就很容易化解。其实学生遇到的物理习题，有很多是以实验素材为命题情境的，如果能够将这类习题与实验操作相结合，就可以给学生搭建一个降低习题思维度的台阶。
图5 创新实验：模拟月光下走路 （四）物理复习阶段实验拓展的深度探究 在复习阶段，如果能够巧妙利用好学生的自主创新实验，引导学生进行一些物理创新实验活动，可以避免枯燥练习带来的倦怠感。教师引导学生进行自主创新实验，就是让学生全方位参与深度学习，进行基于主题单元教学的深度研究。学生的问题意识是深度学习的设计之源，因此，推进学生的深度学习，更需关注学生问题意识的培育，这就需要引导学生基于真实情境发现问题、提出问题，利用身边的物品自主设计创新实验解决问题、深化问题。例如，在“探究冰的熔化实验”的评估交流环节，教师可以预设一系列有思维度的问题，引发学生批判质疑和探究的欲望，促使学生设计并进行自主创新实验，从而培养学生的批判性思维，提升其创新能力。 师：冰的熔点一定是0℃吗？在日常生活中你还有哪些发现？ 生：撒盐融冰。 师：请你利用身边的物品设计一个创新实验进行“情境模拟”。 创新实验4：绳子钓冰 将冰块（小块的效果更好）放到盘子里面（图6），将细棉线（如果冰块充足，可以多找几种质地不同的细线）平放到冰块表面，然后用手捏一小撮食盐（只需要一点点，多了反而不成功），均匀地撒在细棉线旁边的冰面上（图7），等待片刻，提起细棉线，会发现，冰块被“钓”了上来（图8）。
图6 图7 图8 创新实验：绳子钓冰 一般来说，盐水的凝固点要低于零度，如浓度15%的盐水的凝固点是-40℃。当把盐粒撒在冰块上，盐会慢慢融化到冰表面的水里，随之产生一些盐水，而此时的温度远没有达到使盐水结冰的程度，冰块继续慢慢融化。但在冰融化过程中，又要吸收大量的热，使得与冰块“亲密接触”的湿棉线再次被冻入冰块表面，在这种情况下，拉动细棉线，就能把冰块“钓”起来。 这个实验有时可能会不成功，原因是气温高会导致冰块融化速度过快。所以，教师布置实验任务时，应提醒学生不要在空调房等温度过高的环境里做实验，否则冰块很容易变成“冰水”。此外，教师要让学生明白，做这个实验要有耐心，不能因为追求成功而一味加快速度，否则容易消磨探索的热情。总之，要鼓励学生多准备些冰块，自己“玩实验，学物理”。 学生自主创新实验是一种全新的课堂教学模式，同时也是学生思维参与的深度学习方式。深度学习的前提是深度思考，深度思考的成果取决于有无强烈的“问题意识”。在传统复习课堂中，学生很难提出有价值的问题，究其原因，就在于学生没有真正参与实验之中，也就不会有深度思考和持续研究。在复习课中采用“实验问题—深度研究—实际问题—拓展延伸”的模式，以“优质问题串”激发学生深度思考，利用身边的物品自主设计创新实验，从而培养学生科学严谨、求真务实的科学精神。 （五）课题研究性学习活动的创新设计 学生课后作业负担过重是一个非常复杂的问题，即使是物理这样的以实验为主的自然科学，学生在课后也往往是泡在“题海”里，长此以往，学生容易觉得学习枯燥，进而产生畏难厌学的情绪。为此，课后把传统的巩固性习题类作业模式改变为创新实验研究性学习的方式，或者引领学生进行课题式研究性学习，让学生基于真实生活情境解决实际问题，这属于发展学生高阶思维的层面。 创新实验5：影子课题之系列实验 在探究“光的直线传播规律”之后，小展同学做了一系列有关“影子课题”的自主创新实验，以探究影子的形成条件。 材料准备：手电筒、干电池(不透明物体)、平板玻璃(透明物体)、塑料杯(半透明物体)、记录纸、笔。 实验操作：（1）把三种物体放在桌面上，用手电筒分别照射，观察是否出现影子。（2）变换手电筒位置照射干电池(不透明物体)，观察记录干电池形成的影子。 在探究得出影子形成的条件之后，小展同学继续开发了其他有关“影子课题”的相关实验，例如：太阳照射下影子的长短变化（图9）、探究无影灯的形成原理（图10）、汽车车灯的安装（图11）、手影游戏（图12）等等。
图11 图12 创新实验：探究无影灯的形成原理 创新实验：汽车车灯的安装 创新实验：手影游戏 基于学生自主创新实验进行课题式研究性学习，其中主题的确立是研究性学习活动的灵魂，“正确选题”是研究性学习成功的一半。没有主题，活动就会失去方向，活动的内容就会零散、缺乏内在联系，就不利于学生完整知识、能力、情感结构的形成。课题式研究性学习的主题不是预设的，而是要看学生关心什么，对什么感兴趣。只有学生自己感兴趣的事，他们才会乐此不疲地去学、去读、去探究。因而在教学中，教师要密切关注学生的需求和期待，善于捕捉研究性学习的主题，引导学生主动发现具有探究价值的课题。 二、评价学生自主创新实验的多元思辨 （一）展示交流——及时性 为了有效指导学生做好自主创新实验，及时解决学生在实验操作过程中遇到的问题，可以利用好班级QQ群、微信群、微信公众号等平台，及时发布学生自主创新实验的进展情况，这样就更加方便师生之间、生生之间进行互动交流。成果交流互动的形式有很多，课堂汇报展示是比较受学生欢迎的方式之一。 例如，“声现象”一章学习结束之后，学生在课堂上展示自己“设计并制作一件乐器”的成果。有学生制作PPT描述：说明我的乐器是如何设计制作的，告诉同学我是怎样解决设计制作中遇到的问题的，我还有哪些没有解决的问题需要大家帮助；用我自制的乐器示范怎样演奏不同的音符、怎样改变乐器的音调和响度，并尝试演奏一首简单的曲子。 对于学生进行的自主创新实验，一定要把握好展示交流的时机。这个阶段学生的心理和年龄特点决定了交流、评价和激励等手段更易让他们体验成功的喜悦，从而促进他们更加积极地参与到自主创新实验的探究之旅中去。 （二）科学评价——有效性 为及时改进学生的实验操作，对于学生进行的自主创新实验，需要进行科学合理的评价。评价遵循“不与人比较，只与自己比较”的原则，让学生通过自身的评价结果变化来更清楚地认清自我，进而作出更有利于自身发展的调整。为此，可以采用PTA量表法对学生自主创新实验进行表现性评价。PTA量表法（Primary Trait Analysis）又称基本要素分析法，是一种具有表现式评价功能的评价方法。PTA量表是美国教师沃尔弗德与安迪生以及她们的同事所倡导和开发的一种针对学生作业的评分工具，具有表现性特点。[4]换句话说，PTA量表是将学生的某种行为从多个基本要素出发进行单独评价，最后将这些单要素评价进行整合来对个体的整体行为进行综合评定。[5]PTA量表的制定就是基于基本要素的判定与等级划分两个过程展开的，其步骤如下：首先需要对进行该评价起重要作用的要素进行判定并最终确定若干基本要素；其次为制定的每一个基本要素编制2-5个水平评价量表；最后是通过这些标准来评价学生的表现。[6] PTA量表的编制过程需要编制者依靠以往的经验，借助同事和师生之间多方位的交流与合作来完成，这是一个不断循环、修正以及完善的过程。具体实施方法是：基于每个基本要素给予一定的等级分数，再根据每个要素相应的权重将其分数相加，便可得到学生的整体表现分数。 下面以“摩擦力”主题单元学习评价为例，阐述PTA量表编制的流程和具体操作步骤，重点对学生自主创新实验表现性评价指标体系中的“评价标准解读及分级描述”进行详细阐述[7]。 1.确定评价内容和评价要素 科学评价最重要的一点是要基于课程标准要求来确定核心素养的评价内容（物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任）和16个评价要素。比如，“摩擦力”相关主题单元的教学内容中，其对应的课程标准要求就是“通过常见事例或实验，了解摩擦力”。 2.确定表现性任务和评价标准分级描述 对于每一个评价要素的评价，要结合具体的课程主题，选取若干个基本点（不是全部），确定表现性任务，并将其细化为若干评价标准，进行师生观测评价并赋予一定的分值，实现课程学习的成绩等级+评语制评价（如表1所示）。 表1 主题单元学习评价量表
例如，在“影响滑动摩擦力大小的因素”实验探究中，针对“科学探究”素养要求，可以设计如下评价标准。 评价要素1：提出问题 【表现性任务1】能够基于真实的生活情境，提出有思维度的问题，进行合理的猜想和假设。 【评价标准分级描述】优秀:善于从“生活中的摩擦”现象中发现和提出两个或两个以上的问题，进行猜想并说出理由，有解决问题的兴趣和热情。合格：能从“生活中的摩擦”现象中至少发现和提出一个相关的问题，进行猜想并说出理由，有解决问题的兴趣和热情。需改进：对从“生活中的摩擦”现象中熟视无睹，提出的假设和问题不相符，解决问题的兴趣和热情不高。 【表现性任务2】明确实验目的，设计具体的实验探究方案。 【评价标准分级描述】优秀：能依据特定情境和具体条件，制定出科学合理的实验方案；并具备在一定复杂条件下的良好行动力。合格：能依据特定情境和具体条件，制定出科学可行的实验方案；在复杂环境中行动的能力一般。需改进：不能选择制订探究方案（有部分错误）；没有在复杂环境中行动的能力。 评价要素2：收集数据 【表现性任务】收集数据并如实记录，正确规范操作。 【评价标准分级描述】优秀：积极与小组内同学合作进行“探究影响滑动摩擦力大小的因素”等活动，有非常完整的数据记录表格，认真做好实验探究的数据记录和分析。合格：积极与小组同学进行“探究影响滑动摩擦力大小的因素”等活动，数据记录表格基本完整，能够做好实验探究的数据记录。需改进：基本能参与探究活动，基本不进行讨论，数据记录表格不完整甚至存在错误，基本不做实验探究的数据记录。 评价要素3：分析解释 【表现性任务】分析实验数据，验证假设，考虑实验的控制变量法分析得出实验结论。 【评价标准分级描述】优秀：能理解和掌握有关“探究影响滑动摩擦力大小的因素”基本的科学原理和方法，对控制变量法有深刻理解和应用；尊重在科学探究中观察到的事实和收集到的证据，培养良好的求知态度和严谨的治学理念。合格：基本了解有关“探究影响滑动摩擦力大小的因素”基本的科学原理和方法，对控制变量法有清楚地认识和一定的了解；可以尊重事实和证据，具备一定的实证意识和求知态度。需改进：对“探究影响滑动摩擦力大小的因素”的相关基础知识和科学原理比较模糊；在科学探究中操作不够严谨。 评价要素4：交流评估 【表现性任务】能够对实验操作进行反思评估，提出修改建议，并设计改进性创新实验。 【评价标准分级描述】优秀：能积极参与组内及组间的交流评估活动，善于发言，互相交流，能将自己的成果与他人分享，设计的改进实验非常具有创新性，例如：用拔河比赛探究影响滑动摩擦力大小的因素[8]。合格：能积极参与组内及组间的交流评估活动，善于发言，互相交流，设计的改进实验有一定创新性，例如：能够解决实验过程中最关键也是最困难的操作“拉动物体做匀速直线运动”这一难点。需改进：基本能参与组内及组间的交流评估活动，不会设计改进性的创新实验。 本文系山东省教育科学“十四五”规划2021年度一般自筹课题“基于核心素养的初中物理课内外创新实验研究”（课题批准号：2021ZC319）阶段性研究成果及烟台市教育科学“十四五”规划课堂教学改革专项课题“做中学：指向物理学科关键能力和必备品格的实践行动”（课题批准号：KXXBZX007）阶段性研究成果。 参考文献： [7]潘书朋，汤金波，朱行建.基于PTA量表法的学生物理核心素养自主创新实验表现性评价研究[J].福建基础教育研究，2021（8）：104-106. [8]潘书朋，汤金波.学生自主创新实验的思维可视化研究[J].福建教育，2020（06）：57-59. |
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