淺談實驗設(shè)計與實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)

一、培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計能力的意義

我們都知道，做事情要有計劃，所謂計劃就是未來行動的方案，是為了實現(xiàn)某項目標和完成某項任務(wù)而事先做的安排和打算。有了計劃，工作就有了明確的目標和具體的步驟，就可以協(xié)調(diào)大家的行動，增強工作的主動性，減少盲目性，使工作有條不紊地進行。同時，計劃本身又是對工作進度和質(zhì)量的考核標準，對大家有較強的約束和督促的作用。所以計劃對工作既有指導(dǎo)作用，又有推動作用。

常識告訴我們，工作的內(nèi)容越是復(fù)雜，參與實施計劃的行為主體和涉及的環(huán)節(jié)就越多，越需要計劃。我國古代就有“凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢”的思想，西方經(jīng)濟學(xué)家也闡明了這個道理：“雖然我們無法預(yù)見未來，但如果我們沒有根據(jù)當時所得到的信息而制定的未來計劃，我們就無法合理地行事”。實驗設(shè)計本身就是計劃，是實驗的計劃。因此，指導(dǎo)學(xué)生做好實驗設(shè)計，并經(jīng)過我們的扎實的培養(yǎng)，使之養(yǎng)成一定的實驗設(shè)計能力，其重要性就不言而喻了。

實驗設(shè)計能力不但重要，而且也是我國科學(xué)課程標準的要求。在《科學(xué) 3-6 年級課程標準》中，對設(shè)計實驗的要求是這樣描述的：能提出進行探究活動的大致思路；能對自己或小組提出的探究問題作出書面計劃。在新課標征求意見稿中，對實驗設(shè)計也有如下總要求：需要經(jīng)過嘗試和預(yù)測設(shè)計研究方案。具體要求有三條：①能根據(jù)已有的經(jīng)驗和知識對已確定的研究問題提出預(yù)測；②能設(shè)計合理的觀察研究方案；③能設(shè)計較規(guī)范的單變量實驗方案。

綜上所述，無論從實驗設(shè)計本身來講，還是課標要求，以及對學(xué)生未來科學(xué)素質(zhì)的養(yǎng)成，培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計能力都是非常重要的。

二、實驗設(shè)計的內(nèi)涵

（1）實驗的內(nèi)涵。實驗是用來檢驗一個理論或證實一種假設(shè)而進行的一系列操作或活動。在科學(xué)研究 中用來檢驗?zāi)撤N新的假說、假設(shè)、原理、理論或者驗證某種已經(jīng)存在的 假說、假設(shè)、原理、理論而進行的明確、具體、可操作、有數(shù)據(jù)、有算法、有責(zé)任的技術(shù)操作行為。通常實驗要預(yù)設(shè)“實驗?zāi)康摹?、“實驗環(huán)境”，進行“實驗操作”，最終以“實驗報告”的形式發(fā)表“實驗結(jié)果 ”。

實驗與試驗是有區(qū)別的，“試驗”指的是在未知事物，或?qū)e人已知的某種事物而在自己未知的時候，為了了解它的性能或者結(jié)果而進行的試探性操作。試驗大多帶有盲目性，沒有假說?？茖W(xué)課中，實驗與試驗都存在。

（2）什么是實驗設(shè)計。實驗設(shè)計是一種有計劃的研究，包括一系列有意圖性的對過程要素進行改變以及效果觀測，并對這些結(jié)果進行統(tǒng)計分析，以便確定過程變異之間的關(guān)系，從而改變過程。實驗設(shè)計是為了給研究者展示如何進行科學(xué)研究的概貌，試圖解決研究的全過程。實驗設(shè)計的內(nèi)涵有廣義和狹義之分。

廣義的實驗設(shè)計是科學(xué)研究的一般程序的知識，它包括從問題的提出、假說的形成、變量的選擇等等一直到結(jié)果的分析、論文的寫作等一系列的內(nèi)容。

狹義的實驗設(shè)計是實施實驗處理的一個計劃方案以及與計劃方案有關(guān)的統(tǒng)計分析。狹義的實驗設(shè)計著重解決的是從如何建立假說到作出結(jié)論這一段。我今天講的小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的實驗設(shè)計，也就是本文所探討的實驗設(shè)計，屬于狹義的實驗設(shè)計的范疇。

（3）科學(xué)課教學(xué)的目的?？茖W(xué)課教學(xué)的目的是使學(xué)生發(fā)生變化，那么在科學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計能力時我們該關(guān)注哪些事情呢？概括的講：關(guān)注在既定問題下，如何使學(xué)生做出有效的假想；關(guān)注在一定的假想前提下，如何以實證的方式，對假想進行解釋。具體的講：① 建立與研究問題有關(guān)的假說；② 確定實驗中使用的自變量和必須控制的多余條件（額外變量）；③確定實驗中需要的實驗數(shù)量及被試抽樣的總體；④確定將實驗條件分配給被試的方法；⑤確定實驗中每個被試樣本要記載的測量（因變量）和使用的統(tǒng)計分析。

三、小學(xué)科學(xué)課中實驗設(shè)計的樣式

要指導(dǎo)學(xué)生進行實驗設(shè)計，教師必須能進行相應(yīng)的實驗設(shè)計，這里我和大家一起分享這份實驗設(shè)計方案，簡單機械中的《斜面》。

（1）研究的問題。使用斜面（木板）將油桶滾上卡車省力嗎？對小學(xué)生來講，問題必須是真實情景的問題，問題必須要小、有針對性，這也是實驗?zāi)康男缘谋憩F(xiàn)。

（2）猜想與假設(shè)。使用斜面將油桶滾上卡車可能省力。 大多數(shù)學(xué)生能做出這樣的假設(shè)。

（3）實驗?zāi)康?。學(xué)會用模擬實驗收集證據(jù)，證明假設(shè)成立與否。為什么將實驗?zāi)康姆旁诩僭O(shè)之后？主要原因在于，這個實驗設(shè)計是要檢驗學(xué)生假設(shè)是否合理。

（4）實驗要求。模擬油桶沿斜面滾動到一定高度的過程中是否省力。

研究斜面是否省力，必須看物體在斜面上運動的狀態(tài)，即平動還是滾動，狀態(tài)不同，設(shè)計的實驗方法不一定相同。

（5）實驗材料與用具。斜面、臺階、測力計、能夠在拉動的情況下滾動的小滾筒、記錄單。

（6）變量控制。相同條件：斜面、臺階、測力計、能夠在拉動的情況下滾動的小滾筒。變量（不同條件）：提升物體的方式（不借助斜面、借助斜面）。

（7）補充說明。為了便于從收據(jù)中分析出不同高度的斜面省力情況不同，在教學(xué)過程中，同組斜面高度相同，各個實驗小組的斜面高度都有較明顯的差別。因此，對于同一個組，斜面高度不變，是相同條件，對于全班，斜面高度是不同的，是變量。

（8）實驗結(jié)果的預(yù)測。如果沿斜面拉動滾筒所用的力小于直接提取滾筒的力，那么，使用斜面省力；反之，費力；相同，不省力也不費力。

四、實驗過程

（一）實驗步驟

（1）用測力計直接提取滾筒到臺階，在提拉過程中收取記錄所用力。

（2）用測力計沿斜面拉動小桶到臺階，在拉動過程中收取記錄所用的力，重復(fù)做三次。

（二）實驗記錄單

五、如何指導(dǎo)學(xué)生進行實驗設(shè)計

基于任教的教材。我們大多數(shù)科學(xué)教師，無論從專業(yè)理論還是必備的一些經(jīng)驗，都還沒有達到自行開發(fā)課程資源的水平，而且自行開發(fā)需要許多的時間和精力。如果將教師的時間和精力都放在理解課標和教材上，從教材中挖掘探究的問題，并以此指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗，相信會使師生都受益，且事半功倍。

在小學(xué)，無論低年級、中年級還是高年級，都需要培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力，而且學(xué)生的實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)都離不開教師的有效指導(dǎo)。

低年級在指導(dǎo)上應(yīng)以簡單為主，以此為基礎(chǔ)并逐步復(fù)雜。

教師的指導(dǎo)應(yīng)從示范、半獨立、獨立這樣的次序進行。所謂示范就是作出某種可供大家學(xué)習(xí)的典范。教師示范實驗設(shè)計，重在如何去想，要避免教師準備好實驗物品，讓學(xué)生做的現(xiàn)象。例如空氣占據(jù)空間實驗的設(shè)計，這個實驗的目的是證明空氣是不是占據(jù)空間。研究這個問題的關(guān)鍵點是“占據(jù)”的含義，不能只理解到在一個地方占著，而應(yīng)理解到不但占著，而且如果不離開，其它物體就不能進來。對于固體、液體學(xué)生好理解占據(jù)空間，但是對于空氣，學(xué)生理解起來，或者要證明空氣占據(jù)空間就困難了。根據(jù)許多教師的經(jīng)驗，有相當部分的學(xué)生對此模糊。期望學(xué)生自己設(shè)計實驗證明就更困難了。要引導(dǎo)學(xué)生這樣去設(shè)計：要證明空氣是否占據(jù)空間，必須創(chuàng)造一個封閉的空間，還必須能夠讓大家理解確實占據(jù)空間了。最后逐步出示杯子底部塞紙的實驗設(shè)計。

（一）實驗設(shè)計方案

（1）實驗?zāi)康?。用實證的方法證明空氣占據(jù)空間。

（2）研究的問題，空氣占據(jù)空間嗎？

（3）猜想與假設(shè)，占據(jù)、不占據(jù)、說不好。

（4）實驗材料與用具，水槽、水、玻璃杯、紙。

（二）實驗結(jié)果的預(yù)測

在杯內(nèi)底塞一團紙，豎直扣入裝入水（水的深度應(yīng)不低于水杯的高度）的水槽內(nèi)，如果紙濕了，說明空氣不占據(jù)空間，如果紙沒濕，說明空氣占據(jù)空間。（預(yù)測是思維過程，應(yīng)加強對實驗結(jié)果預(yù)測的指導(dǎo)）。

（三）實驗步驟

（1）在杯內(nèi)底塞一團紙。

（2）將塞紙團的杯子豎直扣入裝水的水槽內(nèi)。

（3）一段時間后，直立取出杯子，觀察紙團。

教師的指導(dǎo)應(yīng)有針對性，重點指導(dǎo)學(xué)生需要指導(dǎo)的部分。比如《斜面》教學(xué)中既可用測力計測量，也可以設(shè)計滾動的小滾筒，成敗的關(guān)鍵有時取決于一些細節(jié)，實驗設(shè)計也不例外。

指導(dǎo)學(xué)生實驗設(shè)計方案應(yīng)先口頭設(shè)計再到文字圖表設(shè)計；先模仿設(shè)計再到獨立設(shè)計；先簡單設(shè)計再到比較復(fù)雜的設(shè)計；先局部設(shè)計再到整體設(shè)計。

總之，能力的形成是經(jīng)過長期反復(fù)實踐逐步形成的，實驗設(shè)計能力的形成同樣如此。因此教師在教學(xué)中一定要重視學(xué)生的訓(xùn)練和實踐。對于實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)，概括的講，應(yīng)本著明確意義、掌握標準、重在實踐、循序漸進的方針，只要這樣做了，學(xué)生的設(shè)計能力一定會有較大的提高。