張濤 李繼良 王薇

摘要：以“自制泡泡液”為主題開展初中科學(xué)探究的教學(xué)活動;學(xué)生通過完成認(rèn)識泡泡液中的三種成分、利用全面實驗法探究物質(zhì)種類對泡泡效果的影響和利用正交試驗設(shè)計探究泡泡液成分比例對起泡效果的影響三個項目任務(wù)，認(rèn)識了科學(xué)探究的過程要素：提出問題、猜想假設(shè)、設(shè)計實驗、進(jìn)行實驗、檢驗評價、表達(dá)交流，學(xué)習(xí)了全面實驗法、單因素輪換法、正交試驗設(shè)計等科學(xué)實驗設(shè)計方法，體驗了科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性和有用性，發(fā)展了科學(xué)探究的素養(yǎng)，培養(yǎng)了創(chuàng)新精神和實踐能力。

關(guān)鍵詞：泡泡液;正交試驗設(shè)計;單因素輪換法;項目式學(xué)習(xí)

文章編號：1008-0546（2022）06-0084-05

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.00.019

目前化學(xué)實驗教學(xué)更多是知識、技能層面，例如認(rèn)識儀器名稱、掌握基本操作、學(xué)會觀察和描述現(xiàn)象、分析實驗現(xiàn)象……也有研究側(cè)重科學(xué)方法介紹[1]，而運(yùn)用項目活動設(shè)計理念，在實際問題解決中滲透科學(xué)方法應(yīng)用很少引起師生的共同關(guān)注?？茖W(xué)方法是人們在認(rèn)識和改造客觀世界的實踐活動中總結(jié)出來的正確的思維方法和行為方式，在學(xué)習(xí)和研究中，科學(xué)方法被視為產(chǎn)生知識的“知識”[2]。在教學(xué)中注重科學(xué)方法的教學(xué)，可使學(xué)生的思路變得更開闊、更敏捷，解決問題的手段也變得更多、更靈活。本課題以“自制泡泡液”為主題展開實驗方法設(shè)計的項目式學(xué)習(xí)實踐。

一、項目主題內(nèi)容分析

本項目以學(xué)生所喜愛的泡泡液為主題，運(yùn)用初中重要的全面實驗法探究物質(zhì)種類對泡泡液起泡效果的影響。學(xué)生經(jīng)歷制定計劃、設(shè)計實驗、觀察與實驗、獲取事實與證據(jù)、表達(dá)與交流等科學(xué)探究過程。當(dāng)實驗水平變多時，學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)全面實驗法和單因素輪換法的局限性，從而提出假設(shè)和猜想、設(shè)計方案解決實驗選點(diǎn)問題，自主探究適用于多因素、多水平的正交試驗設(shè)計。這個過程能夠幫助學(xué)生形成真實情境中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的思路，領(lǐng)悟科學(xué)探究的思想，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究所需要的能力，增進(jìn)對科學(xué)探究方法與過程的理解。

二、項目教學(xué)目標(biāo)

（1）通過全面實驗法探究物質(zhì)種類對泡泡液效果的影響，讓學(xué)生感受全面實驗法的科學(xué)性和有效性。在解決實驗水平增多問題的過程中，感受全面實驗法的局限性。從而培養(yǎng)學(xué)生用發(fā)展的眼光辯證地看待事物的科學(xué)態(tài)度。

（2）通過閱讀資料，初步學(xué)習(xí)單因素輪換法，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。然后學(xué)生利用3x3模型親自動手粘貼試驗點(diǎn)，感受單因素輪換法在選點(diǎn)方面的不合理性。通過小組活動解決選點(diǎn)的問題，學(xué)生自主探究正交試驗設(shè)計，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、獲取信息和手腦并用解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和實踐能力，增進(jìn)學(xué)生對科學(xué)研究方法的認(rèn)識和理解。

（3）通過每一個任務(wù)中的小組合作，提升學(xué)生與人交流合作的能力，形成尊重別人勞動成果，培養(yǎng)傾聽別人意見的習(xí)慣。在小組合作中，每個人分工明確，使學(xué)生認(rèn)識到小組的成員在探究嘗試中各有所長，知識和技能可以互補(bǔ)，通過這些活動培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作精神。

三、項目任務(wù)及教學(xué)流程

見表1。

四、項目實施過程及學(xué)生學(xué)習(xí)成果

以第3課時為例呈現(xiàn)項目活動過程中師生的具體行為表現(xiàn)。

1.發(fā)現(xiàn)全面實驗法的問題

【情境創(chuàng)設(shè)】上一節(jié)課我們確定了配制泡泡液的三種物質(zhì)分別為：洗發(fā)水、甘油和茶水。今天我們探究這三種物質(zhì)的最佳配比。注意，這節(jié)課每個實驗因素我們設(shè)定三個實驗水平（見表2）。

【項目任務(wù)】請用上一節(jié)課的實驗法設(shè)計今天的實驗表格。然后小組討論如果實驗因素再增加一個水平，將需要進(jìn)行幾個實驗？目前的實驗方法存在什么不足？有何對策？

【學(xué)生4人一小組先獨(dú)立思考，填寫學(xué)案（實驗方案見表3），然后小組討論和匯報交流】

【學(xué)生觀點(diǎn)】3因素3水平實驗需要做的實驗次數(shù)是33，即27個。每個因素再增加一個實驗水平，需要做的實驗次數(shù)是43，就是64個。實驗次數(shù)有點(diǎn)兒多。

【學(xué)生觀點(diǎn)2】如果實驗水平再增加，需要進(jìn)行的實驗數(shù)量驚人。如果能夠像做調(diào)查問卷一樣，挑選一部分人作樣本進(jìn)行調(diào)查會比較高效、快速。

【學(xué)生觀點(diǎn)3】如果不把所有實驗做一遍，那么選做的實驗就要具有代表性。

【教師點(diǎn)評】同學(xué)們分析得很好！我們之前所用的實驗方法叫做全面實驗法，這種方法的科學(xué)性和準(zhǔn)確性是毋庸置疑的。但是，當(dāng)實驗因素變多、實驗水平增加時，實驗量成指數(shù)倍數(shù)增長。因此，如何選擇具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行實驗是我們要解決的問題。請大家閱讀資料1，然后請同學(xué)給我們介紹單因素輪換法，并分析一下這種實驗方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.“手腦并用”認(rèn)識單因素輪換法和正交試驗設(shè)計

【學(xué)生觀點(diǎn)1】單因素輪換法就是先控制三個因素中的兩個因素，讓另外一個因素發(fā)生改變，從中挑出該因素的最佳水平。比如例題先控制B1和C1不變，讓A改變，從而比較出A3是A因素的最佳水平。然后控制A3和Ci不變，改變B，對比發(fā)現(xiàn)B2最佳。最后確定A3和B2不變，讓C改變。最后得出最佳的一個組合應(yīng)該是：A382C2。

【學(xué)生觀點(diǎn)2】單因素輪換法的優(yōu)點(diǎn)是：將27個實驗數(shù)量減少到9個，而且有一定的科學(xué)性。但是如果最佳的選項不在一開始就確定在B1C1中，那么得出來的結(jié)果就不是最佳的選擇。

【教師介紹模型】為了讓大家更清楚地認(rèn)識單因素輪換法，老師給大家準(zhǔn)備了一個3x3的立方體小球模型。我們用垂直的、豎著的三個面從左到右分別表示A1、A2、A3。用水平的三個面從下到上分別表示B1、B2、B3。用垂直的、橫著的三個面從前到后分別表示C1、C2、C3。請同學(xué)們用便簽紙標(biāo)出剛才我們用單因素輪換法涉及到的實驗點(diǎn)。小組活動后討論你對單因素輪換法有什么新的認(rèn)識。

【學(xué)生小組活動后進(jìn)行匯報】單因素輪換法的實驗點(diǎn)（如圖2所示）完全分布在一個角上，而在一個很大的范圍內(nèi)沒有選點(diǎn)，選點(diǎn)代表性很差。因此這種實驗方法有缺陷，所選的A382C2不一定是27個組合中最好的。

【教師追問，布置新任務(wù)】如何從全面實驗的點(diǎn)中選擇具有典型性、代表性的點(diǎn)，使實驗點(diǎn)在實驗范圍內(nèi)分布得很均勻，能反映全面情況呢？請同學(xué)們將模型中的便簽紙撕下來，重新選點(diǎn)然后說說你們是如何選點(diǎn)的。

【學(xué)生4人小組活動并進(jìn)行討論】

【學(xué)生觀點(diǎn)1】A、B、C各有三個面，共9個面。在9個面中每個面的實驗點(diǎn)應(yīng)當(dāng)一樣多，也就是每個平面上都恰好有3個實驗點(diǎn)。

【學(xué)生觀點(diǎn)2】我們組先確定了一個點(diǎn)，為了讓實驗點(diǎn)不重復(fù)，該點(diǎn)所在的行、列上都不能再有點(diǎn)。這樣每個平面上的三行、三列，總共九個點(diǎn)。這樣實驗點(diǎn)的分布很均勻（如圖3所示）。

【教師介紹正交表】同學(xué)們做得非常好！剛才我們找到了能夠代表27個實驗的“9個代表”。這“9個代表”具體是哪些實驗?zāi)?？日本統(tǒng)計學(xué)家口玄一博士總結(jié)出了正交表。請同學(xué)們閱讀資料2，分析如何設(shè)計正交表。

【學(xué)生觀點(diǎn)】先控制溫度為80C，加堿量依次為35Kg、48Kg、55Kg，催化劑種類依次為甲、乙、丙。再控制溫度為85C，加堿量依然按照35Kg、48Kg、55Kg的順序，但是催化劑種類“滾動”變化，變?yōu)橐摇⒈?、甲。最后一組，當(dāng)溫度為90C時，加堿量順序還是不變，催化劑種類再次“滾動”，變?yōu)楸?、甲、乙?/p>

【學(xué)生活動】結(jié)合今天的實驗，設(shè)計正交表（如表6所示）。

3.實驗探究尋找泡泡液最佳配比

【布置任務(wù)】老師把班里的8個小組分成3隊，A隊三個組做同樣的三個實驗。每一組對比出本組三個實驗中最佳的一組配比，然后A隊內(nèi)互相交流，看看你們選擇的最佳配比是不是一樣的。如果不是，隊內(nèi)互相比拼。同樣地，B隊、C隊也討論出本隊的最佳組合。然后，每個隊派一個吹泡泡水平最高的同學(xué)進(jìn)行全班展示，全班一起從三隊中選出最佳的配比。實驗過程中，要注意分工合作：有同學(xué)負(fù)責(zé)吹泡泡;有同學(xué)負(fù)責(zé)計時;有同學(xué)負(fù)責(zé)拍照，觀察泡泡的大小;有同學(xué)負(fù)責(zé)填寫實驗記錄單（見表7），注意要有具體的泡泡持續(xù)時間。

【學(xué)生分組實驗】見圖4。每一隊派代表用吸管吹泡泡展示成果（見圖5），全班同學(xué)觀察現(xiàn)象，派一位同學(xué)負(fù)責(zé)填寫實驗記錄單（見表7）。最終得出本次實驗最佳的配比為：洗發(fā)水：甘油：水=5：3：4。

五、項目教學(xué)反思及改進(jìn)建議

相對于直接講授抽象的科學(xué)方法，本項目中學(xué)生在第2課時應(yīng)用全面實驗法解決問題，從而感受全面實驗法的優(yōu)點(diǎn)。在第3課時中發(fā)現(xiàn)全面實驗法的不足，又通過閱讀單因素置換法的資料了解其缺點(diǎn)，從而感知在實驗量巨大時選擇典型的、具有代表性的實驗點(diǎn)是關(guān)鍵，學(xué)生利用3x3的立方體小球模型自主選擇具有代表性的實驗點(diǎn)，從活動中感悟正交試驗法。最后，再通過閱讀資料認(rèn)識正交實驗表的設(shè)計規(guī)律，并應(yīng)用發(fā)現(xiàn)的正交表規(guī)律設(shè)計本實驗的正交表。科學(xué)教育是一個能動的過程，應(yīng)當(dāng)通過學(xué)生自主的探究等活動來實現(xiàn)教育目標(biāo)[4]。本項目教學(xué)設(shè)計體現(xiàn)學(xué)生的主體作用，教學(xué)活動符合學(xué)生的心理特點(diǎn)。教師為學(xué)生提供充分的科學(xué)探究機(jī)會，學(xué)生在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，利用模型明確問題，然后設(shè)計方案解決問題。整個過程都是學(xué)生小組合作完成的，教師只是活動的組織者和引導(dǎo)者。這樣的學(xué)習(xí)方式能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，使學(xué)生在探究過程中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力。

本項目的不足之處在于實驗指標(biāo)定量不精確。雖然泡泡持續(xù)時間計量了，但是泡泡的大小難以精確測量。因此，無法采用正交試驗設(shè)計中的級差分析和方差分析等統(tǒng)計方法對實驗結(jié)果進(jìn)行定量評價。

參考文獻(xiàn)

[1]郝麗娟.高中化學(xué)創(chuàng)新性實驗教學(xué)案例分析[D].上海：華東師范大學(xué)，2011.

[2]王后雄.化學(xué)方法論[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2003.

[3] 劉文卿.實驗設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[4] 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.