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观察和实验是科学研究的基本方法，是获得感性材料、探索科学规律、认识科学世界的基本手段。由实验在物理学等自然科学学科中的重要性，推出实验在物理等理科教学中也具有举足轻重的地位，似乎理所当然。但现实远不是如此。在课堂中讲实验、黑板上画实验的教学仍很盛行。不少教师认为这样的方式远比让学生自己动手做实验要高效得多。那么事实是否确实如此？在“建立中小学生学业质量分析、反馈与指导系统”项目（简称SAAE项目①）中，笔者所在的科学学科研究组连续八年承担了八年级学生科学学业水平测试卷的命制、影响学生科学学业水平因素调查的设计以及测试结果的分析反馈工作，积累了大量的数据。基于这些珍贵的资料，通过深度挖掘数据统计特征背后的深层和具体原因，开展深入的教学研究，厘清一些似是而非却在很大程度上左右着教师教学行为的问题，是意义重大而深远的课题。本文通过对一道试题及其测试结果的深入分析，试图为回答以上具有相当普遍性的教学问题提供更具实证意义的依据。
一、典型试题
下面是项目2010年公布的一道关于小孔成像的测试题，有7个地区6万多名八年级学生（平均年龄15岁）参加测试。
例：（2009年第22题）如图1所示，不透光的纸上有一个足够小的三角形小孔，则在光屏上形成的像是（）
这道题考查的是小孔成像的基本规律。烛焰通过小孔在光屏上成的像是烛焰倒立的像，与小孔的形状无关。要得出正确答案C，对学过相关知识的初中生来说，应该难度不大。
然而，实际的测试结果如何呢？
从图2可以看出，不同地区学生的表现差别很大，得分率最低的地区只有58.5%，得分率最高的地区达到了85.6%。这样的测试结果并不令人乐观。哪些因素导致了不同地区的学生对该知识点的理解有如此大的差异呢？
二、访谈结果
对于选择题，为保证每一个选项的设计都有依据，试题命制过程经过了对部分学生用开放题进行的访谈和小范围测试。学生最常见的错误就自然被编入了选项之中。学生在错误选项上的分布，也为我们理解一些学生的学习困难提供了基本的信息和启示。
从下页表1可以看出，在所有的地区中，选A的比例在错误选项中都是最高的。大部分地区其次选择的是D选项，只有地区2与地区7是例外，选B选项的比例远大于选D选项。
SAAE项目一个更有价值的设计，就是对每道测试题都进行了测后的抽样访谈。样本以随机方式从参测学生中抽取。访谈的问题包括：对问题的理解、对答案的解释和对问题的兴趣。笔者随机抽取35份访谈记录分析学生对答案的解释，发现：
选A选项的同学往往认为这与大孔的情况一致，他们并没有将这一情况与小孔成像联系起来。典型的回答是“就像窗子在墙上的亮斑一样”。当问到它们有没有可能是小孔成像时，他们会说“这不可能是小孔成像，因为小孔成像用的是小圆孔”。可见，“圆”这个特征比“小”这个本质特征给了学生更深刻的印象。还有部分学生认为“光屏能承接的都是倒的，所以是倒的三角形”。这类学生显然将透镜成像中的现象当成结论背了下来，只记得一些支离破碎的片断。实际上“倒”与“不倒”应是相对于“物”而言的，这里学生只是说三角形是倒的，并非相对于蜡烛这个“物”所指，更好像是相对于孔，但对于孔并没有倒过来这一事实却视而不见。
选B选项的同学的典型回答是“圆的。小孔成像都是圆的，因为太阳经过树叶后的形状都是圆的。小孔变成三角形，成的像也是圆形。”这类学生大多做过树阴下圆形光斑的探究实验，他们理解树叶的缝隙各有不同，三角形的孔足够小也能做小孔成像实验，但并不理解不同的光源都可以做小孔成像的实验，并且成像不同。
选D选项的同学把这个现象与透镜成像联系起来，认为是正立还是倒立取决于光屏的位置；或是把三角形孔当成平面镜，用平面镜成像类比。
结合测试数据和访谈结果，我们得以发现，遇到新的情境，只有40%的学生能使用正确的模型解释现象，有20%的学生使用生活经验来类比推断，还有40%的学生用记忆中不完整的规则或模型判断，极少有学生通过光路来预测将出现的现象。
三、影响学生作答的因素分析
影响学生对一个问题解答的因素很多，但测试数据提供的信息，可以让我们把注意力集中在主要的影响因素上。
1.认知水平
一个本不太复杂的试题，有比例不低的学生答错，这一结果首先提示的问题是试题所要求的认知能力是否超越了学生的认知水平？本调查中参测的学生群体平均年龄为15岁，这个年龄段的学生学习在同种均匀介质中光沿直线传播，且要求能用光路来解释小孔成像的原因，是否合适呢？
前人对没有系统学习过光学的儿童对光的认识研究表明，[1]10～11岁的孩子在解释影子的形成时大多使用“光—源”或“光—效”型概念，仅注意到物体形状的重现这一事实，不能根据光的直线传播概念给出具有解释性的模型。而大部分13～14岁的学生已经会使用“光是空间中存在的一种实体”的概念，但有些仍和年龄较小的学生一样用“反射”来解释影子的形成。如果他们有了“光是空间中的一种实体”的概念，就会把光定位在光线上。所以光路问题对于10～11岁的学生来说毫无意义，而13～14岁的学生比年龄稍小的学生有较大的进步。
本题中，烛焰可以看成是由一个个点光源组成的，每一个点光源发出的光线通过小孔投射在接收屏上就形成光斑，光斑的形状由小孔形状决定，位置由点光源与孔的位置决定。而一个个光斑组成的才是我们看到的像。若屏的位置不变，孔越小每一个光斑也就越小，相当于分辨率越高，像就越清晰。但同时，孔越小通光量就越小，成的像也就越暗。这样的知识内容，从已有的研究来看，对15岁左右的学生应该是合适的。
2.教材版本
一个有趣的发现是，教材中实验情境与题目的相似程度与答题的正确率相关不大，但却与错误选项的分布有较大相关。
参测的7个地区使用的是5个不同版本的教材，各个教材在这一知识点上呈现的方式各不相同。若将光源、小孔和接收装置作为此实验的三个变量，地区3使用的教材中的实验与题目情境最为相似，它使用的是打孔易拉罐蒙上塑料薄膜观察蜡烛的实验，测试题的情境与课本上的实验区别只是将易拉罐换成了两个光屏，小圆孔换成了三角形的小孔，但该地区的正确率反而是最低的。而地区5所用教材中的设计是用同样的易拉罐装置观察窗外景物，从光源到小孔和接收装置都不一样，但正确率却是最高的。地区4和地区6所用教材中没有出现小孔成像，也没有相关实验，他们的得分率处在中上。地区2和地区7使用的教材采用的是树阴下的光斑探究实验，正确率低于平均得分率，且有更多同学选择B选项。
3.教师教学策略
调查结果表明，教师是否给学生探究的机会与得分率有较大相关。
SAAE项目另外一个重要的特点，就是除学业水平测试卷外，还有配套的背景问卷，对学校、学生和教师的基本情况以及教师教学方式和学生学习方式等信息进行调查了解。这为进行学生学业表现的深度挖掘提供了研究价值较高的信息。笔者抽取学生背景问卷中与前述题目情境最为相近的一道题目，对调查结果进行分析：
例：（2009年学生问卷第113题）在学习平面镜成像的内容时，（可多选）
（1）我们在课堂上没有学习关于这个内容的实验。
（2）我们在课堂上听到了老师对这个内容的实验讲解。
（3）我们在课堂上看到老师演示这个内容的实验。
（4）我们按照教材里写的实验步骤动手做了这个内容的实验。
（5）我们设计并动手做了这个内容的实验来检验自己的想法。
如图3，在“课堂上听到了老师对这个内容的实验讲解”和“看到教师演示这个内容的实验”这两个选项上学生选择百分率最高的是地区3，且远高于其他地区。在“自己设计并动手做了这个内容的实验来检验自己的想法”这个选项上选择百分率最高的是地区5，地区1紧随其后。对比图3和图2，我们可以发现尽管地区3有最多的学生听到和看到教师对这个内容的讲解和演示，却是得分率最低的。而地区5虽然选项2和选项3上的比例远远低于地区3，却是得分率最高的地区。地区5和地区3的学生该题得分率的差别达到了27%，在物理知识内容试题总的得分率上差别也达到了23%。
也就是说，尽管“听教师讲解和演示”远比学生“自己设计实验检验自己的想法”省时，但远远不是想象的那样高效。地区3的教材实验情境与测试题相似，但学生自己设计实验探究的机会最少，得分率也最低。地区5和地区1给学生自己探究的机会最多，得分率也更高。地区4和地区6的教材中甚至没有相关实验，仍然取得了较好的成绩。在小孔成像模型之上的是光在同种介质中沿直线传播的规律，如果学生能理解并应用这个规律，那么即便是遇到陌生的情形也能通过光路图找出成像的情况。如果学生只是得到了一个信息：“这样的装置能显示小孔成像的现象”，将来他也许能在脑海中重现这一现象，但却很难迁移到其他情境中。探究是使学生对概念和规律形成深层次理解的最可能的途径，尽管费时却未必不高效。
科学学科研究组经过八年的探索，在情境性试题开发、开放性分级计分问答题上都做了许多先行的尝试，并取得了不少显著的成果。本文选取的是一道与寻常考试题颇为接近的测试题，因而对现行的教学更具有参照性。上述的数据分析尽管不全面，也许还有其他的影响因素，但传递了这样一个明确的信息：即便是从学生答题的角度看，教师越俎代庖的实验教学也不见得是高效的。
①SAAE项目是“建立中小学生学业质量分析、反馈与指导系统”项目的简称，自2005起该项目每年对全国部分省市的中小学生进行学业水平测试。在此感谢SAAE项目组允许使用有关数据。
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