【摘要】教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，有助于提高學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為問題解決程序的能力，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)知識(shí)的內(nèi)化。本文結(jié)合初中科學(xué)新課程實(shí)踐，闡述了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則，結(jié)合具體課題探討了教師指導(dǎo)學(xué)生有效開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的具體操作，并對相關(guān)問題進(jìn)行了深入思考。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；基本原則；指導(dǎo)策略

隨著年齡和學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的增長，初中學(xué)生能夠聯(lián)系社會(huì)、生活、生產(chǎn)的實(shí)際思考問題。如果在教師的指導(dǎo)下再綜合運(yùn)用所學(xué)的科學(xué)知識(shí)，進(jìn)行一些力所能及的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，嘗試解決一些現(xiàn)實(shí)問題，將更能促進(jìn)知識(shí)能力的發(fā)展。因此，在初中科學(xué)探究性學(xué)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力是非常有益的。

一、遵循實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則

1.科學(xué)可行性原則。它是指設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)所運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)原理在實(shí)施中切實(shí)可行，所選用的實(shí)驗(yàn)藥品、儀器、設(shè)計(jì)等方法在初中的條件下能夠得到滿足。在實(shí)驗(yàn)資料上要有相關(guān)的數(shù)據(jù)、材料、事例可取。選擇的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要適合學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，緊密聯(lián)系現(xiàn)實(shí)生活。即要以學(xué)生現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)為起點(diǎn)，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生探索未知世界。如果教師提出的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過深、過繁，超出了學(xué)生的知識(shí)、技能和能力水平，那么，學(xué)生不僅不能解決實(shí)驗(yàn)問題，無從發(fā)揮實(shí)驗(yàn)?zāi)軇?dòng)性，而且還會(huì)降低實(shí)驗(yàn)興趣，影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.趣味性和安全性原則。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要能有助于學(xué)生興趣的發(fā)展，這樣一方面使學(xué)生從發(fā)展興趣的領(lǐng)域中獲得實(shí)驗(yàn)的滿足感，另一方面使學(xué)生的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與其它令人滿意的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)聯(lián)結(jié)在一起，以產(chǎn)生情境類比遷移。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免使用有毒的藥品和具有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)操作，如果必須使用，應(yīng)在設(shè)計(jì)的方案中詳細(xì)注明注意事項(xiàng)，以防造成環(huán)境污染和人身傷害。

3.自主性和獨(dú)創(chuàng)性原則。以學(xué)生為主體，讓學(xué)生主動(dòng)參與，親身實(shí)踐，學(xué)生可以根據(jù)自己的愛好和興趣，進(jìn)行自我設(shè)計(jì)、自我組織、自我評價(jià)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有一定的新穎性、先進(jìn)性和實(shí)驗(yàn)性，充分體現(xiàn)創(chuàng)造性原則，運(yùn)用創(chuàng)造性思維獨(dú)立去認(rèn)識(shí)新知識(shí)。

二、指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的具體操作

有鑒于學(xué)生學(xué)生對水和沙子相當(dāng)熟悉，但對它們吸熱、放熱時(shí)溫度變化情況卻一知半解。為此，我結(jié)合《科學(xué)》教材，選取了學(xué)生生活中最常見的一個(gè)課題——《沙與水吸熱、放熱時(shí)溫度變化比較》讓學(xué)生探究，并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

1.有效提出探究課題。初中生具有的科學(xué)知識(shí)是極其有限的，往往都是些經(jīng)驗(yàn)性的知識(shí)，這種知識(shí)準(zhǔn)備上的不足使得他們所提出的問題很多是簡單或膚淺的，缺乏一定的深度，教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的興趣、身心發(fā)展水平以及課程的內(nèi)容對探究活動(dòng)的問題進(jìn)行設(shè)計(jì)。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中，教師可以就一些社會(huì)生活中常見的科學(xué)問題來設(shè)計(jì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，也可以將常規(guī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微型化的改造。這種教師精心設(shè)計(jì)的問題對于學(xué)生問題意識(shí)的培養(yǎng)、知識(shí)能力水平的提高往往具有特殊重要的意義。于是我從學(xué)生生活中最常見的現(xiàn)象向?qū)W生提出問題：“夏天中午，烈日當(dāng)空，人們揮汗如雨，你光著腳在沙子鋪的馬路上行走，會(huì)有什么感覺?”“腳底很燙”、“腳板象著了火”“我會(huì)穿涼鞋走”同學(xué)們學(xué)習(xí)的興趣一下子就提了起來。我不失時(shí)機(jī)地繼續(xù)問：“如果旁邊有一個(gè)小水坑，你把腳放進(jìn)去，又會(huì)有什么感覺”“感到很涼爽”“很舒服”?！斑@是什么原因呢? ”，“馬路上沙子溫度高，水坑里的水溫度低”。在充分肯定的同時(shí)，我繼續(xù)發(fā)問：“同樣是太陽照射，并且照射時(shí)間也是相同的，那為什么馬路上的沙子溫度要高，而旁邊水坑里的水的溫度要低些呢?”學(xué)生陷入沉思之中……

教師在教學(xué)過程中必須有意識(shí)地重視培養(yǎng)學(xué)生提問、質(zhì)疑的能力，引導(dǎo)學(xué)生由教師提出問題逐步轉(zhuǎn)向?qū)W生自己提出問題，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)，但不能急于求成，學(xué)生提出問題能力的培養(yǎng)可以貫穿于學(xué)習(xí)活動(dòng)的始終，且自然地進(jìn)行，而不必刻意追求從一開始問題就是由學(xué)生自己提出來的。

2.猜想與假設(shè)

猜想與假設(shè)是人們根據(jù)己有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和客觀事實(shí)材料，運(yùn)用一定的科學(xué)方法對所探索的問題提出假定性的解釋。從一定意義上說，科學(xué)的發(fā)展過程就是猜想或假設(shè)不斷被證實(shí)或證偽的過程。猜想與假設(shè)是科學(xué)結(jié)論的先導(dǎo)，如果猜想或假設(shè)得到實(shí)踐結(jié)果的支持，它就可能發(fā)展成為科學(xué)結(jié)論。在科學(xué)探究中，教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的水平層次，引導(dǎo)學(xué)生自己提出假設(shè)或在教師的點(diǎn)撥下提出假設(shè)。于是我鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行討論，很快，討論就有了結(jié)果，并且達(dá)成共識(shí)，認(rèn)為是在相同條件下吸收熱量時(shí)，沙子溫度上升要快些，水的溫度上升得慢些。“怎樣證明你的假想呢?”“做實(shí)驗(yàn)”?？梢?，學(xué)生積極大膽地運(yùn)用“自己的眼睛”看世界，用“自己的腦子”想問題，用“自己的語言”明示問題，不斷地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，這是成功地實(shí)施科學(xué)探究的重要保障。

3.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

假設(shè)或猜想一旦提出后，接著就要通過實(shí)踐進(jìn)行假設(shè)或猜想的證實(shí)或證偽。為使這一實(shí)踐能順利而有效地進(jìn)行，就必須精心設(shè)計(jì)方案、制定計(jì)劃。由于探究能力的不同、探究程度的不同，一部分學(xué)生在探究的開始可能感到無從下手，此時(shí)，教師可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，給予必要的指導(dǎo)和幫助，力爭每位同學(xué)都能夠自主地、順利地開展探究活動(dòng)。

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程中，教師應(yīng)該給予學(xué)生適當(dāng)?shù)奶崾荆骸耙鲞@一實(shí)驗(yàn)，需要哪些器材?”學(xué)生發(fā)言踴躍：“要沙子和水”“要有溫度計(jì)”“還要有一個(gè)給沙和水加熱的熱源”“還要一個(gè)鐘表記錄給它們加熱的時(shí)間”……學(xué)生你一言我一語，拼湊出器材。我給予充分肯定，并向?qū)W生說明：熱源，我們可用一個(gè)100瓦的燈泡來代替?！盀榱擞欣诒容^，對水和沙子，有什么要求沒有?”學(xué)生思考后回答：“要一樣多”“沙里面要放點(diǎn)小石頭”“沙子里面應(yīng)該不能含有水，要用干沙”學(xué)生的思維非?；钴S，我給予積極的肯定，繼續(xù)發(fā)問，“為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的，我們要測出哪些物理量呢”“加熱前，先要測出水和干沙的溫度”，“還要測加熱的時(shí)間”“還有，加熱一段時(shí)間后水和干沙的溫度也要測出來”“很好，同學(xué)們思維很敏捷”。我給予鼓勵(lì)并抓住高漲的勁頭，繼續(xù)引導(dǎo)，“要準(zhǔn)確地測出這些物理量同時(shí)又要便于我們操作，我們應(yīng)如何來組裝這些器材?”“最好是用一個(gè)大容器，將裝有沙和水的小燒杯裝起來”“這個(gè)大容器必須是透明的”，“蓋上應(yīng)打幾個(gè)孔把溫度計(jì)懸掛起來”。如圖所示，連接好實(shí)驗(yàn)裝置。

4.學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，收集證據(jù)

科學(xué)探究的重要特征之一就是重視實(shí)證資料數(shù)據(jù)的收集，收集證據(jù)是探究學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)。為了驗(yàn)證假設(shè)，就需要收集一定數(shù)量的數(shù)據(jù)資料，然而，并非所有的數(shù)據(jù)資料都可以作為證據(jù)，只有能夠支持和證明假設(shè)、并用以解釋的數(shù)據(jù)才是證據(jù)。在教學(xué)過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用多種方式、途徑收集證據(jù)，或者提供必要的支持與幫助，同時(shí)培養(yǎng)他們對信息、資料、數(shù)據(jù)的判斷和篩選能力。

我將學(xué)生分成4個(gè)小組，把事先準(zhǔn)備好的器材提供給他們，讓他們自己組裝，動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)過程，并提示學(xué)生用電安全和溫度計(jì)的使用及讀數(shù)的方法，接通電源，如圖所示。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入下表中(教師巡視并給予指導(dǎo))

教師組織學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(讓裝置繼續(xù)加熱)

組織小組代表匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給予積極的肯定。

5.結(jié)論與解釋

科學(xué)結(jié)論的形成，離不開一定的證據(jù)，但證據(jù)的簡單堆砌，并不就是科學(xué)結(jié)論，信息數(shù)據(jù)僅僅是對某一特定事實(shí)現(xiàn)象的客觀描述，而探究結(jié)論是在事實(shí)證據(jù)的基礎(chǔ)上通過一定的思維方法，分析論證而得出的具有普遍意義的規(guī)律。

教師：“分析表格中數(shù)據(jù)，你可以得出什么結(jié)論?”

學(xué)生：“干沙的溫度升高得快些”。“是在什么情況下，干沙溫度升高得快?”我引導(dǎo)學(xué)生回答規(guī)范，并及時(shí)概括：相同質(zhì)量的水和沙在吸收相同的熱量時(shí)，水的溫度變化要小，沙子的溫度變化大。據(jù)此結(jié)論，我將學(xué)生思路引入生活，解釋生活中的一些現(xiàn)象?！把谉岬南娜眨谒镉斡?，會(huì)感到是清涼的，為什么?”“汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)常用水來冷卻，又是為什么?”

通過以上實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生都能正確地解釋此類現(xiàn)象。

6.進(jìn)行反思與評價(jià)，深化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在科學(xué)探究中，需要探究者在收集大量證據(jù)的基礎(chǔ)上，對事實(shí)與證據(jù)進(jìn)行加工與整理，找出它們之間的相互聯(lián)系和與假設(shè)是否被事實(shí)與證據(jù)證實(shí)、設(shè)計(jì)的方案和計(jì)劃是否合理有效、收集的證據(jù)是否真實(shí)可靠、給出的結(jié)論是否正確等方面進(jìn)行反思與評價(jià)。此時(shí)，我通過反問將學(xué)生引入反思與評價(jià)活動(dòng)中：“以上是水和沙在吸熱的情況下所表現(xiàn)出來的特征。如果是放熱，那結(jié)果又會(huì)怎樣呢?”“是呀，是呀，放熱時(shí)，又是哪個(gè)溫度降低得快呢?”同學(xué)們表現(xiàn)出濃厚的興趣，“做實(shí)驗(yàn)看一下吧?！蔽页脽岽蜩F，點(diǎn)燃學(xué)生思維的火花：“要進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們又需測哪些物理量?”“先要測出關(guān)電之前沙和水的溫度，再測出關(guān)電一段時(shí)間后，沙和水的溫度，前后兩次溫度進(jìn)行對比就可以了?！睂W(xué)生邊思考邊講出了需要測的物理量。于是，我就要求學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，將數(shù)據(jù)填入下表：

組織學(xué)生分析后自然得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：相同質(zhì)量的水和干沙，在相同的時(shí)間內(nèi)，放熱時(shí)，干沙溫度降低得快，水的溫度降低得慢。

7.交流與討論

在探究過程中，由于每位學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)背景、心理特點(diǎn)、習(xí)慣偏好不同，他們的思維方式也有所不同，對同一問題的理解也有所差異；并且在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)條件不同，所采用的方法、觀察的角度不同，所獲取的數(shù)據(jù)資料也不一樣，這當(dāng)中有正確的一面，也有不正確、不客觀、不全面的一面，這就需要同學(xué)之間相互交流與討論，相互補(bǔ)充，相互更正，以求對所學(xué)知識(shí)的正確理解和全面把握。同時(shí)，經(jīng)過交流和討論，可以共同分析探究成果和體會(huì)，增進(jìn)人際交往，增強(qiáng)溝通與協(xié)調(diào)能力，在思想的激烈碰撞與融合中獲得快樂與滿足。教師需要積極創(chuàng)設(shè)輕松自由、民主平等、相互尊重的氛圍，鼓勵(lì)學(xué)生積極發(fā)言、大膽討論，認(rèn)真傾聽并積極參與學(xué)生的討論。

根據(jù)得出的結(jié)論，我又將學(xué)生的思路引入生活，解釋生活中現(xiàn)象：北方的冬天，人們常常用熱水慢慢流過暖氣片，來取暖，為什么?寒冷的冬天，有經(jīng)驗(yàn)的菜農(nóng)常常在菜地里放一些水來防凍，是何道理?學(xué)生對以上現(xiàn)象都能很好地作出解釋。完成了這兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)后，我又引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)出水的特性：和自然界中絕大部分等質(zhì)量的常見物質(zhì)相比，水在吸收和放出相等的熱量時(shí)，溫度變化要小得多。為了進(jìn)一步鞏固水的這一特性，結(jié)合教材相關(guān)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生展開討論：我們地球表面是三分陸地，七分海洋，為什么夏天不是太熱?而冬天又不是太冷?月球上沒有水，根據(jù)水這一特性，你推知月球上白天和晚上溫度應(yīng)是怎樣的?對于內(nèi)陸地區(qū)來說，為什么夏天比沿海熱?而且是冬天又比沿海冷?為什么一天之內(nèi)氣溫的變化也比沿海大？盡管到了下課時(shí)間，學(xué)生仍然在辯論中思考……

三、開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)活動(dòng)的收獲與思考

1.收獲?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的開展能夠提高學(xué)生綜合素養(yǎng)。讓學(xué)生參與實(shí)踐與調(diào)查、信息資料的搜索、分析與處理的方法和研究探索、實(shí)驗(yàn)實(shí)證，從而獲得科學(xué)的學(xué)習(xí)方式，體驗(yàn)科學(xué)探究活動(dòng)的過程和方法，以此發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力，領(lǐng)會(huì)科學(xué)的本質(zhì)，形成合作、分享、積極進(jìn)取等良好的個(gè)性品質(zhì)，以及熱愛科學(xué)，對自然、社會(huì)、他人的關(guān)愛與責(zé)任感。同時(shí)也提高學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，促進(jìn)學(xué)生問題解決能力的提高。

2.思考。關(guān)注學(xué)科成績的傳統(tǒng)觀念制約著社會(huì)、家長，擔(dān)心搞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作會(huì)影響其學(xué)習(xí)。由于實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性、開放性與“課堂授課制\"之間存在著很大的矛盾，教師基本上都是上一堂課，時(shí)間和精力上也不允許。加上現(xiàn)在學(xué)生參加校外學(xué)科知識(shí)輔導(dǎo)時(shí)間眾多，也沒有很多時(shí)間和精力鉆研實(shí)驗(yàn)，很大程度上壓抑了學(xué)生的積極性。而實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)操作恰恰是提升學(xué)生綜合素質(zhì)的重要途徑之一，需要社會(huì)、家庭、老師、學(xué)生的共同參與、協(xié)作、關(guān)注。同時(shí)我們殷切期望社會(huì)能夠創(chuàng)建生活化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)操作的良好氛圍，營造一個(gè)良好的可持續(xù)發(fā)展環(huán)境。

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