中学实验教学研究.docx
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中学实验教学研究
中学实验教学研究
一、实验教学的概念
1、国外
十九世纪初期，科学开始进入学校。
从那时起，实验教学就在科学教材中占有重要的地位。
在使用美国英语的国家，实验教学是“laboratoryactivities”；在使用英国英语的国家，实验教学被称为“practicalactivities”。
在科学进入课堂的将近200年时间里，实验在科学教育中使用的很频繁，以至于人们感觉对这一术语没有必要进行定义。
学校实验包涵着一系列丰富的内涵。
V.N.Lunetta等人认为学校实验这一术语是指在学校环境中，学生接触具体物体或二手的数据（例如天文照片和虚拟实验等），来观察和理解物质世界的经历（Thetermshavemeantexperiencesinschoolsettingswherestudentsinteractwithmaterialstoobserveandunderstandthenaturalworld）。
这些活动既包括学生个人的实验、小组或班级的演示实验，也包括持续数周的探究或项目研究（project），以及在校外进行的相关活动。
在韦氏大词典中，experiment的词义是为了揭示未知事物所进行的活动或过程；laboratory的词义是进行科学实验或研究的地方或建筑物；demonstration的词义是使事情变得明显、易懂的活动、过程或手段。
2、国内
意大利人、耶稣会士利玛窦（MatteoRicci,1552-1610）于明末（1582年）来华，以此为标志，我国的西学东渐活动开始，西方的科学技术知识开始传入中国，我国也进入近代科学的萌芽阶段。
在西学东渐的大背景下，大量的科学著作被带到中国，并通过口授或者翻译为国人了解。
在这一过程中，科学术语也随之翻译过来。
在我国物理学发展早期，对其影响最深的是由江南制造局翻译的《物理学》。
这本书是日本的物理学家饭盛挺造编著，腾田丰八和王季烈翻译的。
这是中国第一部全面系统的物理学书籍，我国的“物理学”这一术语也是在这本书中开始被使用的。
在这本书中，experiment被译为“试验”。
在洋务运动推动下，1862年清政府设立了京师同文馆，1866年同文馆增设天算馆，1888年增设格致馆，自此物理学在各级各类学校开始开课讲授。
在解放前，我国科学教学方法深受美国杜威的影响，陶行知的思想具有代表性。
在此期间，自制简单仪器的思想也已出现（解放后，这一思想由朱正元等推广）。
查找中国期刊全文数据库和20世纪我国中小学物理学科课程标准和教学大刚发现，在解放前演示实验被称为“表演实验”或“示教实验”，直到解放后1956年，“演示实验”这一术语才出现在中学物理教学大纲中，与此同时，其它的称呼也随之消失。
雷树人最早使用演示实验这一术语。
教学实验术语的变化原因可能是在解放后，教育界全面学习苏联，“演示实验”可能是由俄语翻译而来的。
在解放后对我国物理教育界影响较大的是前苏联的兹那敏斯基，他的著作《中学物理教学法》对我国教学论教材的结构影响深远。
与此同时，在前苏联教育思想的影响下，课外实验这种实验类型也在教学中出现。
3、实验教学的概念
（1）物理实验是有目的、有计划地运用仪器、设备，在人为控制条件下，使物理现象反复再现，从而进行认真观测，获取大量资料的一种科学研究方法。
物理实验的主要特点有二：
一是可控性，二是可重复性。
在物理教学中做的物理实验是物理教学实验，新课程注重科学探究，实质上是注重真正体现物理学研究过程和方法的物理实验。
物理实验教学在新课程实施中占有重要地位。
（2）在生物学教学活动中，以实验作为重要教学内容的教学，称为生物学实验教学。
具体说是指根据生物学的教学目的、学生的认知水平、教学条件，有目的地安排、设计一些类似科学实验的模式、程序，在规定的较短时间内进行实验操作，以达到实验目的要求的教学实践活动。
（陈继贞等，生物学实验教学研究，科学出版社，2004年6月）。
（3）化学实验是实验者根据化学实验目的，运用一定的科学仪器和设备等物质手段，在人为的控制实验条件、变革实验对象的条件下，通过实验观察获得各种化学科学事实的一种研究方法。
在化学教学中，化学实验是学生学习化学知识、训练化学实验技能、培养以实验能力为主的多种能力的实践性教学活动和方法手段。
（文庆城，化学实验教学研究，科学出版社，2003年9月）。
4、实验教学的作用
教学实验和科学实验在本质上有许多共同之处。
教学实验是有选择地把一部分研究或探索物理现象和规律的实验和事实，在集中的时间内显现给学生、教给学生。
它既是物理教学的重要基础，又是物理教学的重要内容、方法和手段。
实验在物理教学中的地位和实验本身的特点，决定了它在物理教学中起着重要的作用。
主要表现在以下几方面：
（1）．激发学生的兴趣和求知欲
中学生有着强烈的好奇心和求知欲，而物理实验具有真实、直观、形象和生动的特点，易于激发学生的兴趣。
学生观察老师做实验，自然会产生自己动手的欲望。
看到实际的物理现象和情景，学生会产生探其究竟、发现现象背后的规律的求知欲望。
（2）．创设有效学习环境、促进学生对知识的掌握
物理概念和规律是从大量的具体事例中抽象出来的。
实验可以提供精心选择的、经过简化和纯化了的感性材料，能使学生对物理事实形成明确具体的认识。
“我听了，会忘记；我看了，能记住；我做了，才理解。
”这是对实验与掌握知识的关系的通俗概括。
让学生进入实验情景，在教师的引导下，通过观察、实验、操作等亲身实验体验，主动去探索新知识、获得新知识，是使学生牢固掌握知识的有效途径，也是教师突破教学重点难点、提高教学质量的重要保证。
（3）．训练学生的科学方法
物理学是一门以实验为基础的自然科学，许多科学方法是在物理实验中形成的，如控制变量法、图像法、归纳法等等。
在实验教学中，通过让学生经历观察、思考、合理测量、处理数据、分析与论证等过程，切身体会实验科学的研究过程和研究方法，有助于学生提高科学探究能力，加深对所学知识的信任度和理解力；可以使学生逐步掌握和运用各种实验方法和手段；同时有利于培养学生科学的观察习惯、正确的操作方法和实事求是的科学态度。
（4）．培养学生的实验能力
物理实验教学有助于培养各方面的实验能力。
通过观察实验现象、可以培养学生敏锐的感知和观察能力；通过亲自动手，可以培养学生的操作能力，包括基本仪器的使用、数据的读取、仪器设备的组装、故障的排除等；通过分析和处理实验数据，进行比较、判断和推理，可以培养学生的思维能力；通过设计实验，可以培养学生的创新能力。
（5）．培养学生的科学态度和情感
实验除了对知识的掌握、技能的提高和方法的学习有明显的作用之外，对非智力因素的培养也有显著的作用。
实验不仅能培养学生实事求是的科学态度，而且有助于学生产生热爱科学、尊重科学规律、勇于克服困难、想要进行科学探索的情感。
总之，通过实验教学，可以使学生的科学素养得到全面发展。
如上所述，实验在中学物理教学中有着十分重要的地位和作用。
在中学阶段，物理实验教学的任务主要有以下几方面：
（1）获取和巩固物理学的理论知识，学会测量某些物理量。
（2）学会使用基本物理仪器。
（3）明确进行物理实验的一般规范。
（4）能按要求正确完成实验操作，分析和处理所得实验数据。
（5）学习操作物理实验仪器、观察物理现象的基本技能、技巧。
（6）学习和初步运用误差理论。
（7）明了观察和实验手段研究物理现象的基本程序。
（8）培养学生在物理实验中的观察、思维和操作能力。
（9）使学生端正实验态度，养成良好习惯，培养探索精神。
（10）使学生感受学习物理的乐趣，激发求知欲和动手操作兴趣。
二、实验教学的现状
1、国内实验教学现状—“行动上的巨人，思想上的矮子”
实验教学研究涉及到实验教学的方方面面，研究人员的层次丰富，研究成果的数量庞大，同时成果的档次也有差别，为了能高效地确定我国实验教学研究的现状，选择博士论文和代表性的期刊做为研究对象。
在期刊中，选择《课程•教材•教法》、《物理实验》和《实验教学与仪器》三份对实验研究有代表性的期刊，《课程•教材•教法》是基础教育理论研究水平较高的期刊，而《物理实验》主要是面向高等教育物理实验教学人员，《实验教学与仪器》主要是面向基础教育实验教学教师，由于对三份期刊的文献分析有相同的结果，在此只呈现《课程•教材•教法》这一期刊的结果。
由于查找范围狭窄，在研究中肯定会出现挂一漏万的现象；然而从中可以窥视我国实验教学研究的形状。
（1）博士论文情况
2008年4月26日，利用国家图书馆的公共目录查询系统对学位论文中有关教学实验的研究进行检索。
选中学位论文，在正题名中输入“实验”，共有27162篇论文。
再进行二次检索，在论文专业中输入“教育学”，有17篇论文，与教学实验有关的博士论文是罗星凯的《实验室情景下学生学习的研究——一个建构主义的视角》；在论文专业中输入“心理学”，有144篇论文，与教学实验有关的博士论文是李春密的《高中生物理实验操作能力的发展研究》；在论文专业中输入“教育技术学”，有14篇论文，与教学实验有关的博士论文是朱敏的《虚拟实验与教学应用研究》和傅骞的《实验技能测评自动化理论与应用研究》；在论文专业中输入“课程”，有44篇论文，与教学实验有关的博士论文是张伟的《“非常规”物理实验教学理论与实证研究》和王鑫的《多普勒效应综合开放实验室教学系统的建构》。
利用北京师范大学学位论文检索系统，在论文题目中输入“实验”，共有博士论文31篇，其中有3篇与实验教学有关。
他们是傅骞的《实验技能测评自动化理论与应用研究》、李春密的《高中生物理实验操作能力的发展研究》和张伟的《“非常规”物理实验教学理论与实证研究》。
《实验室情景下学生学习的研究——一个建构主义的视角》是在我国教育专家、北京师范大学顾明远教授指导下，由罗星凯于1999年完成。
本研究通过临床观察和问卷相结合的方法，从“思”和“行”两个方面，揭示了学生关于科学实验研究本质的认识图示和解决实验情景问题的主要障碍与特殊模式。
该研究以建构主义的视角揭示了实验室教学的巨大投入与其实际效果的落差，为实验室教学实践和实验教学研究指出了方向。
《高中生物理实验操作能力的发展研究》是在我国教育心理学专家、北京师范大学林崇德教授的指导下，由李春密于2002年完成。
该研究根据操作能力的理论，结合物理实验操作的实际，提出了实验操作能力的结构模型。
并以该模型为基础，设计学生、教师调查问卷。
通过调查揭示了高中学生物理实验操作能力的现状和发展规律。
这一研究为理解操作能力的本质、把握学生实验操作能力的发展规律、学生实验操作能力的培养提供了理论依据。
《实验技能测评自动化理论与实践研究》是在我国教育技术专家、北京师范大学何克抗教授的指导下，由傅骞于2004年完成。
该研究在分析纸笔测试、实验报告、表现性评价和检核表等形式实验技能测评的局限性基础上，指出了研究基于计算机的自动化测评的必要性。
本研究以化学实验技能为切入点，开发出虚拟化学实验室平台，实现了实验技能测评的自动化，为实验技能的教学和测评提供了新的思路。
《“非常规”物理实验教学理论与实证研究》是在我国物理教育专家、北京师范大学郭玉英教授的指导下，由张伟于2007年完成。
本研究根据物理实验教学的实践，通过专家访谈和问卷调查界定了“非常规”物理实验。
该研究在理论上理顺了“非常规”实验、自制实验和低成本实验之间的关系，在实践中对“非常规”物理实验的制作、设计、教学提供了建议。
《虚拟实验与教学应用研究》是在华东师范大学张际平教授的指导下，由朱敏于2006年完成。
该研究包括理论和实践两个层面。
在理论层面，以混合式学习理论为基础，对虚拟实验进行了分析；在实践层面，以大学物理实验为例，开发出“温度传感器特性的研究”，并以此为基础调查了虚拟实验的使用情况，为虚拟实验的教学提出了建议。
《多普勒效应综合开放实验室教学系统的建构》是在华南师范大学肖化教授的指导下，由王鑫于2007年完成。
（2）《课程•教材•教法》综述
《课程•教材•教法》创刊于1981年，已有29年的历史，它是基础教育各门学科理论研究的前沿阵地。
2008年4月26日，利用北京师范大学图书馆注册号查询中国期刊全文数据库。
在刊名中输入“课程教材教法”，然后在篇名中输入“实验”进行二次查询，共有312篇文章。
其中有关实验教学的文章共66篇，而篇名中包含有“演示实验”的只有一篇，即2007年叶歆和李春密的《主体性物理探究演示实验教学策略的建构》。
本研究以主体性教学理论为依据，把探究式教学扩展到演示实验中，提出一种新型的教学策略。
这一研究为演示实验的设计、教学和研究提供了新的视角，扩大了探究式教学的使用范围。
对这66篇文章按学科进行统计，其结果为物理31篇、化学23篇、生物5篇、数学2篇、心理2篇、小学自然2篇、地理1篇。
为了研究的方便，把实验理论研究分为新型实验研究、教材和大纲研究、实验资源的开发和利用、实验功能研究、实验教学、教学方法、实验教学效果及其评价研究、教师培养、实验室的建设和管理、国外实验教学研究等几个方面。
根据文章的主要研究内容，对文章进行分类、统计，结果见表一。
表一《课程•教材•教法》中与实验有关文章的分类统计表
分类
内容
总数
新型实验研究
探索性实验（84、88、99、00、01）、边学边实验（92、97）、对比实验（97）、“非常规”物理实验（07）、差异性实验（08）
10
教材、大纲研究
高中化学教材（81）、中师物理（88）、初中物理（96）、高中物理大纲（97）、高中物理教材（98）、初中生物（99）、中学化学（06）、实验化学（07）
8
实验资源的开发和利用
自制教具（86）、电脑模拟（94）、教育技术（99）、微型实验（07）、生物实验资源（07）
5
实验功能
创新思维能力（87）、思维训练（90）、实验能力（94）、能力（94）、实验教学目标（96）、科学素质（99）、能力（99）、创新能力（01）、化学实验思维能力（04）、设计实验能力（07）
10
实验教学
教学（83、85、85、96）、设计（85）、实验练习课和复习课（86）、分组实验（86）、地理实验（87）、生物实验（87）、思维定势（88）、生物实验（90）、调研（91）、实验教学规范（93）、自然（94）、心理学（95、95）、实验变式（98）、数学实验（03、07）
19
教学方法
实验引导探索（89）实验探究（95）、主体性物理探究演示实验策略（07）
3
实验教学效果及其评价
态度（00）、实验与探究能力评价（07）、
2
教师培养
高师实验教学（84）、高师教法实验（87）、高师化学实验教学研究（06）
3
实验室的建设和管理
建设（83）、建设（83）、
2
国外实验教学研究
假说实验（88、88）、中外比较（01）、美国教材（07）、
4
注：
在内容栏，文章主体后面的数字为发表时间。
2、国外实验教学研究的现状
（1）《scienceeducation》中有关实验文章的统计分析
美国的《科学教育》杂志创刊于1916年，是最早专门研究科学教育的期刊，对该期刊文章的研究能窥视国外实验教学研究的历史和现状。
对《科学教育》（scienceeducation）杂志从1930年到现在的论文进行检索（在北京师范大学图书馆电子资源库中，没有1930年前的数据）。
在题名中输入“demonstration”，共有46篇文章；输入“laboratory”，共有195篇文章。
两者随年代的变化情况见下图，其中系列1为题目含有“demonstration”的论文，系列2为“laboratory”的论文。
各个年代的论文数量见表三。
图演示实验研究和实验室教学研究数量比较图
表三演示实验研究和实验室教学研究数量统计表
年代
三十
四十
五十
六十
七十
八十
九十
世纪初
总计
演示实验
11
15
5
8
3
0
3
1
46
实验室
13
48
68
28
18
6
4
6
195
从图二和表三可以清楚得看出：
第一，对实验室教学的研究明显多于对演示实验的研究。
由于科学教育对科学方法和科学研究过程的追求，在上世纪二十美国经济大萧条复苏后，教育工作者开始关注实验室教学和实验室教学研究。
在国际上流行一句我国的古谚语“Ihearandforgot,IseeandIremember,IdoandIunderstand.”也成为倡导实验室教学的支撑。
在杜威提出“learningbydoing”后，“hands-on”、发现式学习和探究式学习的陆续提出可能是导致实验室教学研究增多的原因。
第二，八十年代演示实验研究落入低谷。
在对演示实验的46项研究中，有9项研究是关于演示实验与实验室教学效果的比较研究。
虽然演示实验具有成本低、让学生远离危险等优点，但是主要由于它不能实现在技能、概念、认知能力、科学本质观、态度和动机等方面的目标，在研究中节节败退下来，因此出现八十年代没有一篇文章研究演示演示这一冷落的现象。
第三，九十年代演示实验又被关注。
一百多年来，实验在不同的时代被赋予不同的教育功能，科学教育的任何功能好像它都能实现，好像它是无所不能似的。
在七十年代末和八十年代初，科学教育界内外开始怀疑实验的教学效果，即实验的教育目标和学生学习结果之间的差距。
在这一背景下，科学教育者开始从社会建构的视角来分析实验教学实际效果低下的原因，并提出提高实验教学效果的对策和措施。
3、我国实验教学研究的优点和存在的不足
（1）优点
a.在实践中探索出多种实验类型
探索性实验、边学边实验、对比实验、“非常规”实验、差异性实验这些是我国科学教育工作者自己探索出来的新型实验类型，这些研究不仅丰富了实验的理论，而且在教学中发挥了一定的作用。
针对教学中验证性实验过多的现象，我们提出了探索性实验并对此展开了深入的研究。
有五篇文章涉及到这一主题，时间从84年到01年，跨度为18年，既有教学实践，又有理论的提升。
边学边实验也是我国一线教师在教学实践中，通过教学改革实验所提出的新型实验类型，有两篇文章研究这一内容。
边学边实验现在已与演示实验、学生实验、课外实验一起，在我国被称为实验的四种类型。
b.对实验教学功能进行了翔实的研究
对实验教学功能的研究是我国科学教育界一直关注的课题。
从87年到07年一直有文章出现，研究内容既有宽泛的能力，也有具体的实验思维能力和实验设计能力，涉及的学科也是多样的。
c.研究内容从笼统到具体
纵观28年的研究可以明显地发现，有关实验研究的内容从笼统到具体。
如在八十年代，许多文章的题目大而笼统，如《加强实验教学，培养实验能力》、《加强化学实验，提高教学质量》、《加强实验，提高化学教学水平》等等，早期的一篇文章往往涉及到实验的功能、实验器材的准备、实验的教学、实验的评价等全方位的内容。
近期的文章较具体。
d.文章类型从经验总结到理论研究
纵观28年的研究可以明显地发现，文章类型从经验总结到理论研究。
早期文章的写作方式往往是，文章的小标题是经验的总结，段落的内容是具体的教学案例。
现在的文章要么有理论指导，要么有调查数据支撑。
（2）不足之处
a.实验教学策略缺乏细致的研究
虽然有19篇文章论述实验教学，但是由于涉及的学科较多，不仅有物理、化学、生物、地理等科学学科，而且也有5篇有关数学、心理学科的研究。
这些研究大多在早期，大多为教学经验的总结，而没有上升到理论的层面。
上升到理论水平的研究有实验引导探索、实验探究、主体性物理探究演示实验策略三项研究。
b.忽视对学生学习、教学效果的研究
当代教育的理论和实践重点已从教师的教转向学生的学。
然而在实验领域，与教师的教相比，对学生学习的研究却很少。
只有两篇文章涉及该领域。
张军鹏的研究利用问卷调查了中学生对实验的态度。
杜明荣、廖伯琴的研究通过对英国的GCE物理A水平考试的分析，为我国的实验和探究能力的测评提供了借鉴。
c.教师专业化发展研究不足
在实验方面对教师教育的研究较少，且缺乏对教师专业化发展的系统研究。
有关研究有《谈谈高师物理实验与中学物理实验的结合》、《在实验教学中培养学生的实际能力》、《高师“化学实验教学研究”课程教学现状的调查分析与改革措施》。
这三个研究都是为了改进高师教材教法实验课程所做的研究工作。
d.中外实验研究交流缺乏
在国外实验研究方面，有日本板仓圣宣的“假设实验授课法”的介绍，林长春的中外理科实验教学比较、陈娴的美国物理教材分析和杜明荣、廖伯琴的英国GCE物理A水平考试研究，这些研究为我们了解国外的实验教学情况，促进我国实验教学和研究的发展发挥了作用。
但总体来看，我国的实验教学的研究“本土化”比重较大，这在呼唤“本土化”研究的时代是值得庆幸的事。
然而也要看到事情的另一面，在当今全球化的时代，我国的实验研究几乎处于封闭状态，缺乏对国外实验教育研究成果和理论系统的介绍和研究，这将不利于我国实验教学理论和教学质量的提高。
从对博士论文和《课程•教材•教法》粗略的分析可以看出，我国实验教育研究具有以下不足之处：
第一，对演示实验教学研究的关注较少；第二，对实验教学的研究偏向对教师的教，而忽视对学生学；第三，对国外实验教学研究关注少。
第三学生分组实验的教学策略研究
学生分组物理实验，是指教师依据课程标准，有计划地设计实验内容、系统地训练学生的实验技能和习惯的教学方式。
分组实验中，学生在教师的指导下，独立完成实验操作，处理实验数据，得出实验结论。
学生分组实验是培养学生实验能力和科学态度的主要途径，也是发展学生创造思维和进行科研启蒙教育的重要途径。
学生分组实验的目的如下：
（1）了解基本实验仪器的构造、原理，学会基本仪器的使用；
（2）探索和验证物理规律；
（3）培养学生独立实验的能力。
按实验内容不同，学生的分组实验可以分为：
测定性实验：
以测定物理量值和常数值为主要目的的实验。
如测量玻璃的折射率等。
训练性实验：
以掌握仪器的性能和使用方法，提高操作技能为主要目的的实验。
如伏-安法测电阻等。
验证性实验：
以验证已学过的物理规律为主要目的的实验。
如牛顿第二定律的验证等。
在分组实验中，学生既是实验的主体，又是观察的主体。
多人一组进行实验，会出现许多情况，需要教师进行各方面的准备和指导。
对于学生分组实验，教学的基本要求如下：
（1）实验要确保安全性，无人身危险，操作不宜过繁。
要尽量减少和控制干扰因素。
仪器要比较牢固。
设计实验时应注意让基本仪器在不同实验中重复出现，增加学生的练习机会。
（2）要求学生在实验前明确实验目的、原理及现象发生的大概情况，实验结束后，要求写出实验报告。
（3）引导学生理解观察内容的真实性，鼓励学生发现和分析意外现象及异常情况所发生的原因。
（4）重视引导学生从观察的直接兴趣转入操作兴趣，进而通过研究实验和分析实验体会物理本身的规律。
一、以教师设计为主的探究性实验策略
以教师设计为主的探究性实验指的是：
在实验教学中，为了引导学生探索、发现物理规律，获取新的物理知识，由教师提出或在教师引导下由学生提出问题，设定好实验方案，让学生自己动手，通过一系列的观察测量活动去探索研究，从而归纳总结，得出结论。
简要地说，是“教师和学生共同提出问题、设计方案，学生操作，观察探索，共同分析”。
在这类实验中，学生在实验之前并不知道会有怎样的结论，而是在教师的引导下，通过亲自动手、思考、总结，发现规律。
探究性实验一般可分为三个阶段，即准备阶段、实验阶段和总结阶段。
1．准备阶段
探究性学生实验要冒一定的风险，实验有可能失败，得不出应得的规律，不利于教学工作顺利进行。
因此，实验的准备工作非常关键。
准备实验时应当考虑到各种可能出现的情况和影响实验的因素。
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