在建构主义理论的影响下,从上世纪70年代末、80年代初开始,国外研究逐渐显示实验的教学效果与教育功能之间存在一定的差距,由此引发了科学教育界对实验教育功能与实验教学效果之间的不匹配及其产生原因和对策的研究,这一研究主题成为30年来实验研究的热点问题。这一浪潮对实验教学和实验教学研究产生了重要影响。当然,这一浪潮的目的并不是动摇或削弱实验的地位和作用,更不是把实验从科学教育中清理出去,而是为了重新评估实验的教学功能,找出影响实验效果的因素,为提高实验教学效果献计献策。在国内,对国外这一浪潮鲜有介绍,俗话说“他山之石,可以攻玉”,为了借鉴国外先进实验教学经验,介绍他人最新的研究成果,为了提高我国实验教学的水平,解决我国课程改革中实验教学所遇到的问题,下面从实验教育功能研究、实验教学效果研究和对我们的启示三部分进行介绍。

一、实验教育功能研究

自从科学教育进入学校以来,对实验教学就存在着两种对立的观点。一种观点认为实验是科学教育中理所当然的事情,实验对于科学教育就像厨具对于厨房一样是不可或缺的。另一种观点认为“花那么多的时间、人力和物力用在实验上值吗?”在科学教育发展过程中,由于科学教育工作者的不懈努力,实验已成为科学教育的特色和必要的组成部分。为了回答“实验在科学教育中的作用是什么?”,人们总结了系统而丰富的实验功能。

1962年J. F. Kerr在总结实验研究成果的基础上,把实验的功能总结为20项。1966年他把这些功能概括为10项,并对各项内容进行了准确界定。这10项内容是:①培养观察和记录能力,②培养科学思维习惯,③训练操作能力,④训练解决问题能力,⑤满足实验考试要求,⑥帮助理解理论知识,⑦证实科学事实和科学理论,⑧发现科学事实和科学理论,⑨激发和保持学习科学的兴趣,⑩感受科学现象的真实性。J. F. Kerr认为各项之间并不是孤立的,而是相互联系的,根据各项之间的内在联系,他绘制了实验功能关系图,有连线的项目之间表示它们之间有联系,如图1所示。J. F. Kerr的工作具有一定的代表性,他对实验功能的界定和分析不仅对当时的科学教育具有指导作用,而且对我们现在理解实验教学也具有借鉴价值。

由于社会的进步和科学教育研究的不断深入,实验的功能也在随着科学教育理论的发展而不断丰富,如随着STS、探究和科学本质观在教学中的出现,这些内容在教育功能中也反映出来,如何通过教学实现新的实验功能已成为实践中需要解决的问题。

二、实验教学效果研究

D. Hodson通过分析认为传统的实验教学是基于以下几点假设之上的:科学开始于观察;科学观察是可信的、无偏见的;从观察得出客观、无价值倾向的数据;从这些数据中通过总结可以得出事实和规律;从这些数据中通过归纳可以得出以原理和理论为形式的解释;通过进一步的观察和实验可以直接和明确地证实理论。以上这种研究方法是基于“客观、中立的观察观”之上的归纳方法。18世纪休谟提出的“归纳问题”早已是困扰归纳方法的难题,在上世纪60年代,美国科学哲学家汉森提出了“观察渗透理论”哲学观点,这一观点不仅对哲学产生了重大影响,而且也动摇了传统科学教育的哲学基础。与此同时,从上世纪70年代开始,对学生认知结构的研究不断揭示了学生前概念的顽固性和科学教育效率低下这一现实。在这一大背景下,从70年代末、80年代初人们开始对实验教学效果、对实验的教育功能提出质疑,其中有代表性的研究见表1。

从表1中可以看出,研究人员大多来自美国、澳大利亚、加拿大、以色列、英国等科学教育研究较发达的国家。研究方法有教学实验、课堂观察、师生访谈、文献综述和思辨研究等。在这些研究中,除了一篇研究认为实验对学生的学习有积极作用外,其余的观点或研究的基础都是实验的功能与教学效果不匹配。具体的表现是:学生不能观察到教师想让学生观察的现象;演示实验反而强化了学生原有的错误认知;在实验中,学生按照“菜谱式”的实验步骤,寻找答案;学生在实验活动时只操作仪器,而没有“操作”思维等等。

影响实验的教学效果,造成实验的教育功能与实验的实际教学效果不匹配的原因包括哲学基础、课程设计、教学行为、教师素质、教学资源等方面。由于哲学基础直接影响其他因素,因此实验所依据的哲学理论落后是其中最主要的原因。传统的实验受“观察的客观、中立”观影响,这一观点认为,观察是客观的、中立的,任何人所看到现象都是一样的,并都能从现象中归纳出规律和理论。这种哲学观忽视了学生在学习科学之前就对相关的现象有自己的认识,而这些认识将影响他们的观察结果。同时由于他们没有教师所具有的理论知识,不能从背景中筛选出教师释放的“信号”。在课程上,认为实验是无所不能的,这种观点影响实验教学功能的界定和教材的编写。在教学上,缺少对学生实验技能的评价,教师没有对学生的实验描述和解释进行及时的反馈,也降低了学生的兴趣和动机。在教师素质上,教师缺乏实验指导能力,不能准确把握成功实验教学的评判标准,这些都影响了实验教学效果。另外,缺乏适合学生概念转变的实验教学资源也是其中的原因。

从表1和以上的分析可以看出,改进实验教学效果的措施包括以下方面:在哲学上,要抛弃归纳实证的哲学,采用哲学界和科学教育界广泛接受的科学哲学认识论。在课程上,要根据实验的具体贡献来确定实验的功能。在教学中,要把实验的教学目标落在实处;通过利用预测—观察—解释演示策略把实验与学生的前概念联系起来,使学生原有的认知与所学的科学对话;通过讨论使实验与学生个人原有认知、同伴的观点发生共鸣,最终实现学生概念的改变,等等。

三、启示

1.从社会建构理论和科学本质观的角度重新审视实验教学

传统实验教学是建立在归纳方法基础之上的,不仅科学研究的过程是归纳的过程,而且学生学习的过程也是归纳的过程。由于这种理论与科学研究的过程和学生个体的学习过程不一致,因此导致了实验功能与实验教学效果之间的不匹配。早在1990年D. Hodson就呼吁“归纳模型早已被科学哲学家抛弃,现在科学教育工作者也应该抛弃它”。应该用社会建构观

和科学本质观对我国的实验教学进行反思。在课程、教材、教学过程、实验评价等实验教育的方方面面对归纳方法进行清理,而树立更能反映科学探究和学生学习规律的哲学观。

2.关注实验教学效果

虽然我国实验教学具有自己的特色,但是中外实验教学肯定有共同点,国外实验教育功能与教学效果之间存在差距,在我国也应该具有同样类似的现象。因此,应该开展对我国实验教学效果的研究,找出实验教育功能与实验教学效果不匹配的原因,为提高我国实验教学水平寻找对策。在研究中可以借鉴国外的先进经验,例如Miller的实验教学评价模型,他通过比较实验教学目标、实验教学设计、课堂上学生的实际活动和学生实际学到的内容,来评价实验教学效果。这一模型不仅为确定教学效果提供理论支持,而且能为一线教师落实实验教学目标提供实践工具。

3.用新理论指导学生实验学习

在我国,对实验制作和改进等硬件方面的研究较多,而对实验的教学和教学过程等软件方面的研究却不多。国外的实验研究浪潮告诉我们应该关注实验教学的细节,不仅关注教师的教,而且更应该关注学生的学,把这些细节放大,从中勘察学生实验学习的特点及影响学习的因素。例如:在演示实验教学中,教师的教学目标是什么?教师计划如何实现这些目标?在教学时教师实际行为是怎样的?学生的学习活动与教师的教学设计有何差别?学生的学习结果与教师的预期有何差别?哪些因素影响实验教学效果?如何提高实验的教学效果?教师和学生的实验观现状是什么?哪些因素影响教师和学生的实验观?如此等等。

在以上的研究中,可以借鉴国外的先进经验,例如参与理论从行为、动机和情感3个方面分析学生在实验教学中的参与程度,能帮助理解学生虽然喜爱实验,但是实验教学效果并不好这一事实。其原因是学生在演示实验中,虽然在“凝视”实验,但不是“观察”实验,更不是“看到”实验。再如,把学生的学习分为可观察领域和思维领域,把教师的教学目标和教学意图区分开来等等,这些新的理论都可以开阔我们的视野。

4.针对学生的前概念设计和选择实验及其教学方式

学生不是空着脑袋走进教室,等待教师向里面“灌”知识;学生也不是白板,等待教师在上面刻画知识的痕迹;学生是自主建构的主体,在走进教室之前,他们已经形成了个人自洽的日常概念体系。在课堂上,只有当学生的日常知识与所教的科学知识发生对话时,学生的日常概念才可能向科学概念转变;只有当学生与同伴之间相互交流时,学生才可能体会科学的本质。因此如何利用实验创设这样的教学情景是需要研究的问题。首先,根据学生前概念设计和选择有针对性的实验。其次,利用有效的教学策略实现概念转变。例如:利用预测—观察—解释演示策略可以使学生产生认知冲突,进而达到概念转变。再如,通过讨论,既可以使学生对实验的描述和解释得到反馈,与同伴的观点相互比较,又可以使学生所学的内容与原先的知识、日常经验相联系。

5.培养胜任实验教学的教师

国外研究显示教学人员不能完全胜任实验教学也是导致实验教育功能和实验教学效果不匹配的原因之一,这就为教师的培训提出了新的挑战。常规的教师培训,特别是教师的职前培训主要是熟悉实验器材硬件方面的内容。单有这些还不够,在以后的教学中,除了训练师范生对仪器的熟悉和操作能力外,还应该培养他们正确的哲学观和科学本质观,使他们具有有效实验教学能力、实验教学评价能力和开发适合学生认知发展的实验资源的能力。