姚國明

摘要： 實踐中存在實驗教學質(zhì)量不高這一普遍問題。為推進優(yōu)質(zhì)實驗教學，應(yīng)處理好四個方面的核心問題： 一是實驗設(shè)計，要從注重實驗結(jié)果轉(zhuǎn)化為重視設(shè)計過程;二是實驗組織，要從強化啟發(fā)引導(dǎo)轉(zhuǎn)化為強調(diào)探究發(fā)現(xiàn);三是實驗?zāi)康?，要從關(guān)注知識技能轉(zhuǎn)化為聚焦科學思維;四是實驗價值，要從關(guān)注問題解決轉(zhuǎn)化為凸顯思想方法。

關(guān)鍵詞： 實驗教學; 設(shè)計過程; 探究發(fā)現(xiàn); 科學思維; 科學方法

文章編號： 1005-6629（2022）05-0058-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

實驗是初中科學教學的重要內(nèi)容，也是學生學習科學的重要途徑。在初中科學教材中，實驗活動通常是和科學探究活動融合在一起的，有關(guān)要求在《義務(wù)教育初中科學課程標準（2011年版）》課程性質(zhì)部分中明確指出，“科學是以多樣統(tǒng)一的自然界為研究對象的探究活動”而“科學探究是創(chuàng)造性思維活動、實驗活動和邏輯推理交互作用的過程”;教科書編寫特點部分指出，“科學實驗是科學研究的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)科學實證的基本途徑”。實踐中，科學教師在觀念上都認同實驗在教學中的地位和作用，在行動上也在積極開展實驗教學，但存在的一個突出問題是實驗教學質(zhì)量不高，典型的表現(xiàn)是學生會做實驗不會分析現(xiàn)象，會分析現(xiàn)象不會概括本質(zhì)，能得出結(jié)論不會解決問題，能解決問題不會遷移應(yīng)用，即在科學能力、科學思維、科學方法等方面沒有得到很好的訓(xùn)練和提升?？茖W課程對實驗教學的要求為何難以落實？實驗教學又如何走出困境提高質(zhì)量？筆者就其四個方面的核心問題分別作一探討。

1 實驗設(shè)計： 既要注重實驗結(jié)果，更要重視設(shè)計過程

科學教材在每個章節(jié)中都設(shè)計了不少實驗活動，對這些實驗活動大多給出了實驗方案，這為教師的實驗教學提供了方便。然而，不少教師機械照搬教材中的實驗方案，忽視實驗方案背后的設(shè)計過程或意圖，實驗效果大打折扣。如在“實驗室制取氧氣”的實驗教學中，大多數(shù)教師是按照教材給出的實驗方案進行實驗，待完成實驗后再解釋實驗操作要點。實驗教學看似完成，然而教材中呈現(xiàn)的實驗方案的價值真正達到了嗎？如果仔細洞察，會發(fā)現(xiàn)該實驗價值還遠遠沒有實現(xiàn)，一個最典型的表現(xiàn)就是許多學生面對之后類似的“實驗室制取二氧化碳”實驗時不會遷移應(yīng)用，一臉茫然。如為什么要選擇長頸漏斗或者分液漏斗、長頸漏斗末端為什么要插入液面下、為什么要用到有孔隔板、為什么要有膠管夾等等，其中道理就蘊含著豐富的科學知識和學生認識發(fā)展的過程。

其實，從認知角度看，這個實驗裝置設(shè)計和操作要點理解并不難。因此，該教學的難點不在實驗結(jié)論，而在于實驗方案的設(shè)計。教師若能重視實驗方案的設(shè)計過程，事先不直接拿出發(fā)生器給學生，而是先演示在大試管里加入二氧化錳和雙氧水放出氧氣，在了解反應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，從大試管開始，分析矛盾，解決矛盾，采取問答形式逐步把發(fā)生器裝配起來，非常有利于學生思維的發(fā)展。下面采取圖示法簡述實驗設(shè)計的引導(dǎo)過程（如圖1所示）。

可見，重視實驗的設(shè)計過程，雖然在一定程度上可能會拉長實驗的時間，但是實驗本身的價值就能得到最大程度的體現(xiàn)。學生在參與實驗設(shè)計的過程中，由淺入深地思考問題和不斷地解決問題，逐漸調(diào)整并優(yōu)化方案，原有的經(jīng)驗被充分喚醒，思維產(chǎn)生連續(xù)沖突，實驗素養(yǎng)和思維水平得到提升。因此，在實驗教學中，教師要轉(zhuǎn)變觀念，不僅要關(guān)注實驗結(jié)果，更要重視實驗的設(shè)計和優(yōu)化過程。“一個好的科學探究過程的設(shè)計，實際上就是學生思維發(fā)展的過程，就是在實際情境中綜合運用知識、技能來解決真實問題和提升關(guān)鍵能力的過程”[1]。

2 實驗組織： 既要強化啟發(fā)引導(dǎo)，更要強調(diào)探究發(fā)現(xiàn)

按實驗類型劃分，教材中的實驗活動包含驗證性實驗和探究性實驗兩種。從教學要求看，每種類型實驗都有其相應(yīng)的價值，教師只要依綱務(wù)本、按部就班完成實驗即可。但站在學習角度看，探究性實驗是一種更符合學生認知特點和需求的學習方式。從教學角度看，探究性實驗在學生主體激發(fā)、思維發(fā)展和師生積極交互等發(fā)面也更有作為。因此，“在科學教育中，應(yīng)給學生提供充分的科學探究機會，讓學生通過手腦并用的探究活動，體驗科學探究的過程，如此才能使學生更深刻地理解科學知識，更好地掌握科學方法，體會科學思想和精神”[2]。然而，在實際教學中，不少教師對探究實驗熟視無睹，不僅無法將驗證性實驗轉(zhuǎn)化成探究性實驗，甚至將原本探究性實驗演變成了驗證性實驗。

比如“二氧化碳與水反應(yīng)”這個實驗，教師一般是按照教材中的實驗方案（如圖2所示），在兩支試管中分別倒入適量的水和二氧化碳與水混合的液體，然后分別滴加紫色石蕊試液，結(jié)果左邊試管中的紫色石蕊試液沒有變色，右邊試管中的紫色石蕊試液變紅色，由此得出結(jié)論“二氧化碳能與水反應(yīng)生成一種酸”。實驗有對比，有結(jié)論，看似很完美，其實這樣的實驗過程既缺少“探究味”，學生的思維發(fā)展也不充分，教師是在不知不覺中完成了一次“偽探究”;從探究角度看，實驗設(shè)計很不嚴謹，變量控制不到位，二氧化碳是否也會使紫色石蕊變色呢？教師并沒有排除這個因素對實驗結(jié)果的干擾。

那么如何設(shè)計這一教學環(huán)節(jié)才能凸顯科學“探究味”呢？有教師作了以下嘗試，他先將紫色石蕊滴入到裝有二氧化碳與水混合后的液體的a試管中（如圖3所示），結(jié)果發(fā)現(xiàn)紫色石蕊試液變紅了，學生很驚訝，不禁產(chǎn)生疑問“紫色石蕊試液為什么會變紅”。此時，教師追問“根據(jù)剛才的實驗過程，大家猜測使石蕊變色的可能是哪些物質(zhì)？”學生經(jīng)過思考，認為有三種可能性： 一是水使石蕊變色;二是二氧化碳使石蕊變色;三是二氧化碳與水反應(yīng)后的生成物使石蕊變色。那么如何設(shè)計實驗來證明你的猜測呢？此時，教師再演示“紫色石蕊試液滴加到鹽酸中變紅色”的實驗，直觀地讓學生明確“紫色石蕊試液可以用來檢驗酸性物質(zhì)”

這一事實。根據(jù)以上事實，學生自主設(shè)計實驗如圖3所示，通過比較a、 b、 c三支試管中的實驗現(xiàn)象，很順利地得出了“二氧化碳與水反應(yīng)生成了酸”的結(jié)論。

同樣的教學內(nèi)容，類似的實驗方案，兩種不同的設(shè)計理念，實驗的“探究味”完全不同，實驗效果也完全不同?？茖W的本質(zhì)特征是探究，在科學教育的過程中應(yīng)體現(xiàn)科學探究的精神，讓學生親身經(jīng)歷以科學探究為主的學習活動，不僅符合學生的認知特點，而且對他們的長遠發(fā)展有重要意義[3]。因此，在實驗教學中，教師應(yīng)強化科學探究的意識，用科學探究的理念來設(shè)計實驗，用科學探究的方式來呈現(xiàn)實驗過程。如此，不僅讓實驗教學過程充滿魅力，更能實現(xiàn)學生思維從低階到高階的轉(zhuǎn)變。

3 實驗?zāi)康模?既要關(guān)注知識技能，更要聚焦科學思維

科學教育的核心目標是促進高階思維能力的發(fā)展[4]，因此，作為一種教學方式，實驗教學的根本目的也應(yīng)該是通過實驗活動訓(xùn)練學生的思維。然而，現(xiàn)實中的實驗教學仍然習慣性地聚焦操作技能訓(xùn)練，而忽視思維的培養(yǎng)。思維能力培養(yǎng)的不足導(dǎo)致學生能力發(fā)展不足，無法靈活解決現(xiàn)實情境中的真實問題[5]。如在“質(zhì)量守恒定律”實驗教學中，教師往往是利用教材中給出的兩種方案，引導(dǎo)學生一步步實驗，最后通過實驗數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出了質(zhì)量守恒定律。然而，由于學生對實驗設(shè)計思路并不清晰，因此對實驗中為什么要在封閉環(huán)境下進行并不理解，只是機械地按照教材給出的實驗步驟進行實驗，雖然最后得出了結(jié)論，但其實對質(zhì)量守恒定律意義的認識并不深刻。這就是為什么很多學生會做質(zhì)量守恒定律實驗，但一碰到質(zhì)量守恒定律的實際問題仍舊束手無策的原因。

若以思維線來設(shè)計這個實驗，實驗教學效果就完全不同。教師先以生活中兩個現(xiàn)象“木頭燃燒后變成了灰燼，質(zhì)量減少了;蠟燭燃燒后質(zhì)量幾乎為零”設(shè)問： 化學反應(yīng)中物質(zhì)的質(zhì)量如何變化？此時學生大都認為物質(zhì)燃燒了，質(zhì)量會減小。教師再設(shè)計在開放體系中“碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的變化”實驗（如圖4所示），我們可以看到在開放體系中，反應(yīng)后質(zhì)量減小了。至此，學生再次堅定“質(zhì)量減小”的判斷。此時，教師呈現(xiàn)封閉體系中“碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的變化”實驗（如圖5所示），結(jié)果發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后質(zhì)量沒有改變。同樣的反應(yīng)原理，為什么前后兩次實驗結(jié)果不同呢？學生在頭腦中產(chǎn)生了激烈的認知沖突。究竟哪個實驗才是準確反映化學反應(yīng)中的質(zhì)量變化呢？學生通過對比分析兩次實驗結(jié)果不同的原因，推理得到“化學反應(yīng)中質(zhì)量守恒”的結(jié)論，進而也明確了開放條件下的“質(zhì)量不守恒”恰恰是由于“質(zhì)量守恒”下產(chǎn)生的一種表現(xiàn)。

那么，如何解釋木頭和蠟燭燃燒質(zhì)量減小的現(xiàn)象呢？要證明木頭和蠟燭燃燒前后質(zhì)量不變，你又會如何設(shè)計實驗?zāi)兀繉W生經(jīng)過討論大都能給出正確解釋和實驗設(shè)計思路。此時，教師再組織學生針對教材中的兩個實驗方案進行評價（如圖6所示）。學生從實驗操作、實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)果和實驗設(shè)計思路等方面進行分析，選出最佳實驗方案。

科學思維是科學研究的靈魂[6]，而實驗是科學學習的重要方法。沒有實驗的科學課堂不是真正的科學課堂，而沒有思辨的科學實驗活動，同樣也不是完美的科學課堂。聚焦科學思維是實驗教學的核心目標和根本任務(wù)。布魯姆目標分類理論認為，知識、理解、應(yīng)用是低水平的思維表現(xiàn)形式，分析、評價、創(chuàng)造等才是高水平的思考。因此，實驗教學中，教師應(yīng)將高階思維作為思維培養(yǎng)的核心指向和主要落腳點。

4 實驗價值： 既要關(guān)注問題解決，更要凸顯科學方法

科學方法是人們在認識和改造世界中遵循或運用的、符合科學一般原則的各種途徑和手段，包括在理論研究、應(yīng)用研究、開發(fā)推廣等科學活動過程中采用的思路、程序、規(guī)則、技巧和模式。簡單地說，科學方法就是人類在所有認識和實踐活動中所運用的全部正確方法[7]?？茖W方法作為科學課程標準的重要組成部分，是科學教育的重要內(nèi)容，也是學生學習科學的重要方法。初中科學實驗中蘊含著許多基本的科學方法，如觀察、歸納、演繹、轉(zhuǎn)化、理想實驗、推理、模型、類比、等效替換、控制變量等等，教師在實驗教學中滲透這些方法思想，引導(dǎo)學生將這些方法轉(zhuǎn)化為學習科學的思維方式和能力，不僅能使學生的學習提高效率，還能幫助學生提升學習科學的興趣。但不少教師在實驗教學中習慣性地強調(diào)實驗技能和實驗結(jié)果的應(yīng)用，而忽視實驗中蘊含的科學方法和科學思想的教育，這種指向知識和技能的實驗教學目標，使實驗教學的“最后一公里”沒有打通，實驗教學變得膚淺且無色彩。

如“空氣中氧氣含量測定”實驗，教師經(jīng)常是以法國化學家拉瓦錫測量空氣中的成分故事引入，然后借助現(xiàn)有的器材演示教材中的“空氣中氧氣含量測定”實驗（如圖7所示），之后再分析實驗現(xiàn)象，通過觀察分析得出空氣中的氧氣含量。但是為什么要用水來求氧氣的含量？其中充滿了實驗設(shè)計的思想和方法。

如果教師以“紅磷燃燒”切入，引導(dǎo)學生對瓶內(nèi)氣壓進行分析。在明白了水為什么會倒流到廣口瓶中，教師提問：“燒杯中的水是否會無限流入廣口瓶中？什么樣的情況下，廣口瓶中水位不再上升了呢？”在學生作出判斷后，再問：“空氣中的氧氣含量能否直接測量？該實驗對測量空氣中氧氣含量有什么啟示？”學生自然而然會想到“用水位上升的體積來間接反映空氣中氧氣的含量”的測量方法。至此，教師再演示“空氣中氧氣含量測定”實驗。

此時，教師引導(dǎo)學生得出“對于一些看不見摸不著的現(xiàn)象或不易直接測量的事物，通常用一些非常直觀的現(xiàn)象去認識或用易測量的事物間接測量，這種研究問題的方法叫轉(zhuǎn)化法”。

在理解了上述實驗原理后，不少學生針對實驗中紅磷點燃方法的不足想出了用“白磷”代替“紅磷”的改進方案（如圖8所示）。受此啟發(fā)，學生的實驗設(shè)計思路被進一步打開，隨即想到了“把空氣中氧氣的含量”轉(zhuǎn)化為“活塞移動體積”來進行測量的方案（如圖9所示）。

科學方法是科學知識轉(zhuǎn)化為科學能力的橋梁和紐帶[8]，科學方法的教育是學生科學素養(yǎng)形成的關(guān)鍵[9]，多樣化的實驗活動是訓(xùn)練學生科學方法的重要途徑[10]。教師應(yīng)在指導(dǎo)學生通過實驗解

決科學問題的同時，潛移默化地滲透科學研究方法。在學生了解、理解、掌握科學方法后，再有意識地引導(dǎo)學生運用相應(yīng)的科學方法去分析或解決科學問題，不僅能提高學生對科學現(xiàn)象、概念或規(guī)律的認識和理解能力，而且對培養(yǎng)學生的科學思維方法和習慣、提高科學素養(yǎng)大有裨益。

參考文獻：

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