◎ 沈 嵐

在小學(xué)自然的教學(xué)中，實驗是學(xué)習(xí)科學(xué)知識和技能的重要方式之一，也是學(xué)生解決實際問題的有效方式之一。實驗設(shè)計能力是指學(xué)生能在分析問題的基礎(chǔ)上，提出猜想與假設(shè)，并設(shè)計實驗方案、驗證猜想與假設(shè)，形成解決問題的能力?！读x務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對設(shè)計實驗的要求是這樣描述的：能基于所學(xué)的知識制訂比較完整的探究計劃；初步具備實驗設(shè)計的能力和控制變量的意識，并能設(shè)計單一變量的實驗方案。無論從實驗設(shè)計本身來講，或是課標(biāo)的要求，以及對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成，培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計能力都是非常重要的，因為培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計能力是提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、提升科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑。教師需要掌握提高學(xué)生實驗設(shè)計能力的有效策略，激發(fā)學(xué)生實驗設(shè)計的興趣，提高實驗設(shè)計能力。筆者與教研組全體成員針對日常實驗教學(xué)中存在的主要問題進(jìn)行了分析，并針對這些問題的解決策略進(jìn)行了實踐研究。

一、日常實驗教學(xué)中存在的主要問題

在日常課堂教學(xué)中，教師往往把實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)等同于單一的實驗操作技能的培養(yǎng)，學(xué)生獨立進(jìn)行實驗設(shè)計機會較少，實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)缺乏一定的系統(tǒng)性，因此普遍存在實驗設(shè)計能力不強這一問題，具體表現(xiàn)在以下三個方面。

（一）實驗設(shè)計成了“快設(shè)計”

實驗設(shè)計包括提出問題、作出猜想與假設(shè)、制訂計劃、實施計劃、得出結(jié)論、表達(dá)與交流等方面，過程長、環(huán)節(jié)多。為了在課內(nèi)獲得知識結(jié)論，完成課堂流程，教師往往要求學(xué)生在較短時間內(nèi)完成設(shè)計，設(shè)計流于形式。學(xué)生既沒有充分的思考、交流與討論的時間，又沒有修改與完善方案的機會。

（二）實驗設(shè)計成了“假設(shè)計”

雖然教師已經(jīng)意識到科學(xué)的課堂是由一個個活動、一個個實驗組織起來的，但是在活動設(shè)計的過程中缺乏實驗的目標(biāo)意識，以及對學(xué)生高階思維能力的培養(yǎng)意識，往往出現(xiàn)為實驗而實驗的現(xiàn)象。有時做實驗只是為了提起學(xué)生的興趣，帶動課堂的氣氛，只要學(xué)生動起來就可以了。有的教師認(rèn)為實驗的設(shè)計看上去并不熱鬧、組織起來又費力，因而常常用其他更簡單、易行的方式來代替，這樣一來，自然難以提高學(xué)生的實驗設(shè)計能力。

（三） 實驗設(shè)計成了“白設(shè)計”

實驗設(shè)計是探究活動的一個組成部分，為實驗證據(jù)搜集和問題解釋等活動做好準(zhǔn)備。但是在部分課堂中，教師由于無法完全預(yù)設(shè)學(xué)生的設(shè)計，或因為事前準(zhǔn)備不夠充分，即使有些學(xué)生的實驗設(shè)計有探究價值，但是不在教師預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，且無法落實到課前預(yù)設(shè)的實驗操作中，最后往往采用教師之前已經(jīng)準(zhǔn)備好的實驗設(shè)計。長此以往，學(xué)生會認(rèn)為自己的設(shè)計是無用的，就會對實驗設(shè)計產(chǎn)生厭倦、害怕甚至對抗的心理。

二、問題解決策略的實踐研究——以“侵蝕”一課為例

學(xué)生實驗設(shè)計能力是提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、提升科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑。教師需要掌握提高學(xué)生實驗設(shè)計能力的有效策略，激發(fā)學(xué)生設(shè)計實驗的興趣，提高實驗設(shè)計能力。

（一）課例的選擇

在小學(xué)自然的四大學(xué)習(xí)領(lǐng)域中，“地球與宇宙”領(lǐng)域下有一個主題是“地球上的巖石”。在學(xué)生認(rèn)識了巖石的組成、性質(zhì)和種類后，教師引申出學(xué)生感興趣的探究內(nèi)容，包含：①改變地貌的自然現(xiàn)象——風(fēng)化、侵蝕與沉積；②各種不同的地形地貌?！扒治g”就是這一主題單元中的一課，探究內(nèi)容是關(guān)于各種侵蝕現(xiàn)象。筆者主要從學(xué)生感興趣的身邊熟悉的地形切入問題，驅(qū)動學(xué)生去探究“風(fēng)化形成的小碎石去哪里了？”這一問題。根據(jù)課標(biāo)對小學(xué)中高年級的要求，學(xué)生通過搜集、交流自然界發(fā)生侵蝕的案例，了解自然因素對地表形態(tài)變化的影響。在前兩節(jié)課的基礎(chǔ)上，學(xué)生需要通過對案例的觀察和分析，自己發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象中的問題，并有依據(jù)地提出兩個及兩個以上可驗證的假設(shè)，再以小組為單位，自主設(shè)計實驗方案、分工并進(jìn)行模擬實驗，通過分析實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)影響侵蝕程度的因素。學(xué)生在搜集資料和模擬實驗的基礎(chǔ)上，認(rèn)識侵蝕所帶來的危害，設(shè)計減少侵蝕的方案，增強保護土壤的責(zé)任心和使命感。

（二）實踐的收獲

如何讓學(xué)生能充分有效地進(jìn)行實驗設(shè)計，并落實設(shè)計內(nèi)容，從而幫助學(xué)生掌握設(shè)計的方法，提升設(shè)計能力？筆者通過課堂觀察、案例分析后，逐漸總結(jié)與提煉出關(guān)于實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)策略。

1.創(chuàng)設(shè)問題情境——激發(fā)學(xué)生設(shè)計實驗的需求

黃河是中國的母親河，它給學(xué)生較深刻的印象就是河水呈黃色。而黃河水渾濁的原因是水中攜帶了大量的泥沙，而這些泥沙的產(chǎn)生是由侵蝕造成的。歷史上，黃河發(fā)生過多次改道，給當(dāng)?shù)氐木用駧砹藶?zāi)難。自然界中這一真實問題與教學(xué)內(nèi)容高度契合，因此在執(zhí)教“侵蝕”一課時，筆者選擇了這一真實問題作為課堂的問題情境。

本節(jié)課以黃河流經(jīng)黃土高原前后的兩張對比圖導(dǎo)入，學(xué)生通過對比觀察黃河水產(chǎn)生的變化，調(diào)動已學(xué)的有關(guān)侵蝕的知識解釋黃河水前后發(fā)生變化的原因。筆者考慮到學(xué)生對黃土高原還是比較陌生的，因此增加了一些關(guān)于黃土高原的圖片和資料，如黃土高原土質(zhì)疏松、降雨量多等。學(xué)生綜合分析造成黃土高原水土流失（侵蝕）的主要原因，即疏松的土壤受到雨水的沖刷侵蝕后隨雨水流進(jìn)黃河。

在黃土高原真實情境的驅(qū)動下，學(xué)生興趣被激發(fā)，主動地對問題進(jìn)行分析。由于情境的鋪墊，學(xué)生能調(diào)動與情境相關(guān)的知識，并用所掌握的知識解釋情境，從真實情境中發(fā)現(xiàn)問題——如何減少黃土高原的侵蝕現(xiàn)象？從而產(chǎn)生了解決問題的需求。由于是學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)并提出的問題，因此產(chǎn)生了強烈的想要解決問題的意愿。在課堂觀察記錄中，幾乎所有的學(xué)生都表達(dá)了需要通過模擬真實情境進(jìn)行實驗的愿望，為之后的實驗設(shè)計打造了良好的課堂氛圍。

2.提供假設(shè)依據(jù)——連接課堂與現(xiàn)實的通道

提出假設(shè)是實驗設(shè)計的關(guān)鍵步驟，假設(shè)能促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步思考問題解決的方案。假設(shè)是在分析問題的基礎(chǔ)上，針對問題解決的方案提出的猜想，而假設(shè)的提出需要一定的知識、事實和經(jīng)驗作為分析與推理的依據(jù)。

例如，本節(jié)課的問題是如何減少黃土高原地區(qū)的水土流失，要解決這個問題，學(xué)生需要了解造成侵蝕的因素有哪些，而影響侵蝕程度的因素是什么，等等。為了建立提出假設(shè)的基礎(chǔ)，筆者組織學(xué)生先后學(xué)習(xí)了侵蝕的概念，造成侵蝕的因素（流水、風(fēng)和冰川等）以及影響侵蝕程度的因素（土壤的類型、沉積物顆粒的大小、流水的強度、是否有植被等）。通過一系列的活動和視頻，筆者幫助學(xué)生理解上述因素是如何影響侵蝕程度的。經(jīng)過前期的學(xué)習(xí)積累，學(xué)生獲得了有關(guān)侵蝕的知識和事實的儲備。通過分析與推理，學(xué)生能針對問題提出解決方案，比如有學(xué)生提出通過種植植物能夠有效減少侵蝕，有學(xué)生提出用石頭或者網(wǎng)覆蓋住土壤，還有學(xué)生提出把海水引流到黃土高原以改變土壤的性質(zhì)，等等。

在實施本節(jié)課教學(xué)時，筆者還發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生能結(jié)合自己的生活經(jīng)驗提出假設(shè)，比如有學(xué)生提出用水泥修筑河堤，這一假設(shè)源于日常的生活經(jīng)驗。而學(xué)生的生活經(jīng)驗也是作出假設(shè)的重要依據(jù)之一。因此，知識、事實和經(jīng)驗是連接現(xiàn)實與課堂的通道，可以讓學(xué)生在設(shè)計中多一些真實可行，少一點天馬行空。

3.搭建活動支架——提升設(shè)計的合理性和有效性

為了幫助學(xué)生更好地開展實驗設(shè)計活動，筆者設(shè)計了相應(yīng)的實驗記錄表。記錄表包括問題闡述、方案、材料、預(yù)測、觀察記錄和得出結(jié)論，以及最后的評一評，并且在每一部分都有相應(yīng)的提示，以幫助學(xué)生快速理解實驗設(shè)計環(huán)節(jié)，并參與實驗設(shè)計活動。

筆者第一次執(zhí)教“如何減少黃土高原地區(qū)的侵蝕問題？”時，為學(xué)生提供的記錄表有兩個部分：一部分是關(guān)于方案的選擇和設(shè)計及材料的選擇；另一部分是關(guān)于驗證過程的記錄表，包含預(yù)測、觀察記錄、得出結(jié)論和評一評。其中，預(yù)測部分又分為兩條：一是預(yù)測流經(jīng)“黃土高原”之后水里的泥土含量是多還是少；二是預(yù)測“黃土高原”上剩余的土量是多還是少。在觀察記錄部分為空白表格，筆者希望學(xué)生能自主填寫觀察到的現(xiàn)象。而結(jié)論部分除了判斷小組方案是否成功，還需說出理由，如果不成功，需提出改進(jìn)意見。筆者實施起來發(fā)現(xiàn)此表格的信息量較多，而且部分有重復(fù)，因此學(xué)生沒有足夠的時間完成此表格。于是在第二次的教學(xué)中，筆者對學(xué)生記錄表格進(jìn)行改進(jìn)，在保留前半部分的前提下，將表格的第二部分與第一部分合并，再確定一個觀察點：流經(jīng)“黃土高原”后的水里的泥沙含量，然后學(xué)生完成預(yù)測、觀察和結(jié)論，并且將這一部分的內(nèi)容全部設(shè)計為以勾選方式完成。表格的呈現(xiàn)形式更加簡單明了，更能體現(xiàn)完整的實驗探究過程。

4.落實實驗設(shè)計——在完整的實驗過程中促進(jìn)學(xué)生實驗設(shè)計能力的提升

本節(jié)課從提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計實驗方案、搜集證據(jù)、分析交流這一完整實驗探究過程出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生完成各個環(huán)節(jié)相應(yīng)的活動。通過對觀察點的討論，學(xué)生在教師引導(dǎo)下搜集實驗現(xiàn)象，并根據(jù)實驗現(xiàn)象的觀察，得出結(jié)論。而當(dāng)學(xué)生有了初步的結(jié)論時，筆者引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)同一方案小組中不同的學(xué)生得出的結(jié)論有沖突，并思考其中的原因，進(jìn)而提出如何統(tǒng)一這個標(biāo)準(zhǔn)，目的在于引出對比實驗，在此過程中鍛煉學(xué)生的對比實驗思維能力。最后，在評一評環(huán)節(jié)中，學(xué)生對其他組方案進(jìn)行評價，通過對各組方案的反思和對比，進(jìn)一步提升實驗設(shè)計的能力。

為了幫助學(xué)生把自己的實驗設(shè)計落實到實驗操作中，筆者在課前做了充分的準(zhǔn)備，比如模擬黃土高原的實驗盒，幫助學(xué)生還原真實情境；準(zhǔn)備多種類的、充足的模擬材料，讓學(xué)生的每一個實驗設(shè)計都可以實現(xiàn)，盡可能地保護學(xué)生的設(shè)計動力。

5.評價實驗方案——促進(jìn)學(xué)生的實驗反思能力

第一次試教“如何減少黃土高原地區(qū)的侵蝕問題？”時，筆者主要關(guān)注學(xué)生對方案的提出及方案有效性的驗證，關(guān)注學(xué)生是否經(jīng)歷了完整的實驗探究過程。由于時間的限制，筆者沒有進(jìn)行其他活動。試教后，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生缺乏對方案的反思，經(jīng)過仔細(xì)思考之后，決定設(shè)置“評一評”的環(huán)節(jié)，從材料的選擇、搭建方式和改進(jìn)建議等方面，讓學(xué)生對其他組的方案進(jìn)行評價。

通過課堂觀察，筆者發(fā)現(xiàn)各組之間互相參觀，不僅可以對比各組之間的實驗設(shè)計，還能發(fā)現(xiàn)不同的設(shè)計方案。在參觀中，學(xué)生為其他組寫下自己的看法，并回答他人的提問，這樣的交流反饋也為學(xué)生提供了互相評價的平臺，促進(jìn)學(xué)生的評價思維發(fā)展。在評價其他小組方案的過程中，學(xué)生能夠反思自己小組方案的有效性和不足之處，認(rèn)識到同一問題可以有不同的解決方式，進(jìn)而反思問題解決的過程，促進(jìn)實驗?zāi)芰Φ奶嵘?/p>

三、對優(yōu)化問題解決策略的進(jìn)一步思考

（一）提供充分設(shè)計的時空，發(fā)展學(xué)生的分析思維

本節(jié)課中大部分的時間安排提供給了學(xué)生進(jìn)行實驗設(shè)計的活動。每一個環(huán)節(jié)或結(jié)合真實情境尋找方法，或提供支架幫助設(shè)計，或是討論交流激發(fā)思考。學(xué)生看似在做不同的活動，但是每一個活動都是為實驗設(shè)計而服務(wù)的，活動充分而不會感覺單一枯燥。從實驗?zāi)康牡奶岢?、對比條件的選擇、變量的控制和材料的選擇，都是學(xué)生通過分析綜合思考而來的。在設(shè)計過程中，由于對真實情境有足夠的認(rèn)知，從而能分析得出影響侵蝕程度的條件，成為支撐設(shè)計所需的必要條件。提供的設(shè)計表格又能作為設(shè)計的支架，幫助學(xué)生理清實驗路徑，令原本復(fù)雜的實驗設(shè)計過程變得清晰明確，學(xué)生的分析思維也在設(shè)計過程中得到了鍛煉。

一節(jié)課的時間是有限的，如何分配探究的時空是一門學(xué)問。在科學(xué)課堂中，如何為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、發(fā)展科學(xué)思維提供充分的時空，是筆者今后優(yōu)化問題解決策略的一個突破口。

（二）開展對實驗設(shè)計的評價，發(fā)展學(xué)生的評價思維

在學(xué)生相互評價之前，筆者對學(xué)生進(jìn)行了簡單引導(dǎo)，但是一部分學(xué)生評價的重點僅是關(guān)注方案是否有效，給出好或不好的評價，還有一部分學(xué)生關(guān)注到材料的數(shù)量上。筆者思考原因，可能是在有限的時間內(nèi)學(xué)生想要參觀更多的小組方案，基于直觀觀察而得出是否有效的判斷。另外，筆者沒有安排學(xué)生對本組設(shè)計方案及實驗過程進(jìn)行介紹，導(dǎo)致參觀的學(xué)生沒有全面了解設(shè)計意圖和實驗過程，可能也是影響學(xué)生評價的因素之一。如果增加參觀時的小組自我介紹環(huán)節(jié)，學(xué)生為了介紹清楚自己的設(shè)計和實驗，肯定會重新完整地思考自己的實驗設(shè)計目標(biāo)與方案，也是進(jìn)行了一次自我評價。因此，如何闡述評價要求和安排評價的流程，引導(dǎo)學(xué)生在對各組方案充分觀察的基礎(chǔ)上，選擇一個小組給予評價，是筆者今后優(yōu)化問題解決策略的另一個突破口。

培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計能力的手段和方法很多，如果將學(xué)生的思維能力、合作能力與操作能力作為切入點，那么在一定程度上可以提升學(xué)生的實驗設(shè)計能力。