優(yōu)化初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的案例研究

摘要：新課改指出發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)離不開科學(xué)的的學(xué)習(xí)過程?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是進(jìn)行科學(xué)探究的基本手段。如何有效通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)提升，本文擬從真實(shí)的案例入手，指出當(dāng)前實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中存在的一些問題，并提出相關(guān)優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)選材；變量控制；實(shí)驗(yàn)生成

一、問題提出

科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是科學(xué)研究的靈魂，也是科學(xué)教學(xué)的重中之重。但筆者在多年的教學(xué)生涯中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)今科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍然存在一些重要問題。本文擬從幾個(gè)真實(shí)的案例展示這些問題，并提出優(yōu)化策略。

【案例1】雞蛋在鹽酸中的浮沉實(shí)驗(yàn)

浙教版九上P63頁第二章第五節(jié)，講述酸堿鹽在一定條件下能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化時(shí)，活動(dòng)如下：

（1）將一只生雞蛋（或螺螄殼）放到盛有稀鹽酸的窗口中，如圖1所示。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

（2）2分鐘后，將生雞蛋從酸中取出，用水沖洗干凈，蛋殼發(fā)生了什么變化？

（3）將雞蛋繼續(xù)放置在稀鹽酸中，10分鐘后取出，用水沖洗干凈，蛋殼又發(fā)生了什么變化？。解釋上述變化的原因：。

這個(gè)活動(dòng)比較典型地展現(xiàn)了當(dāng)前課堂完成課本活動(dòng)存在的一些問題。如：

1.浮于表面，以講代踐

蛋殼的主成份是碳酸鈣，在八下我們采用鹽酸和碳酸鈣反應(yīng)制取二氧化碳，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)容易被許多老師所忽略。其實(shí)它所要觀察的不僅僅是產(chǎn)生二氧化碳，還可以看到雞蛋在有規(guī)律地做上下沉浮運(yùn)動(dòng)。由于蛋殼和鹽酸反應(yīng)生成二氧化碳，氣泡聚集在雞蛋周圍，使浮力大于重力，從而雞蛋上升；到了液面頂部后，氣泡破裂，浮力小于重力，雞蛋下沉。

對(duì)此，許多老師采取的方法就是直接告之結(jié)果。事實(shí)上，不做不知道，一做就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)并不是想象中的那么簡單。同時(shí)，它也比較典型地揭示了以下問題——

2.選材不當(dāng)，設(shè)計(jì)失謹(jǐn)

真正進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的老師，大多數(shù)會(huì)看到一個(gè)非?！绑@奇”的現(xiàn)象：雞蛋放入稀釋過的鹽酸里，立刻產(chǎn)生大量的氣泡，雞蛋立即向液面運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上這個(gè)實(shí)驗(yàn)很少能夠成功，雞蛋基本上浮在液面頂部，不會(huì)下沉。如圖2所示。

原因主要是鹽酸濃度過大。我們平時(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)所使用的“稀”鹽酸的濃度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于能夠產(chǎn)生使雞蛋“上下浮沉”現(xiàn)象的酸的濃度。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)不僅對(duì)鹽酸濃度有著極為苛刻的要求，還與雞蛋的殼上膜有關(guān)。如圖3，是初次放入鹽酸中雞蛋實(shí)褪下的膜。去膜前后的雞蛋差異也比較大（圖4）。經(jīng)查閱資料，知道雞蛋殼上膜成分為糖蛋白，經(jīng)酸溶液浸泡膨脹后其顏色變深（棕色），大量氣泡被吸附在膨脹的薄膜和蛋殼之間。在上浮前與上浮過程中，雖然有少量氣泡逸出，但吸附的大量氣泡仍被薄膜鎖定，故而實(shí)驗(yàn)結(jié)果很容易出現(xiàn)雞蛋浮在酸面上不再下沉[1]。

故實(shí)驗(yàn)如果想要成功，需要反復(fù)調(diào)制鹽酸濃度，還要去除雞蛋上的那層膜。另外，實(shí)驗(yàn)成功的鹽酸濃度并不是一層不變，與雞蛋的新鮮程度也有關(guān)。故此，需要嚴(yán)守選材關(guān)，并在上課前反復(fù)預(yù)做實(shí)驗(yàn)。

3.現(xiàn)象誤判，缺乏思辨

還是這個(gè)實(shí)驗(yàn)，調(diào)整了實(shí)驗(yàn)選材后繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，會(huì)看到雞蛋上下浮沉現(xiàn)象。但細(xì)心的老師和學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，有兩種浮沉情況：一種相對(duì)速度較快，浮動(dòng)幅度較??；一種相對(duì)速度較慢，但浮動(dòng)幅度很大，可以實(shí)現(xiàn)從頂部到底部的完整運(yùn)動(dòng)。第一種現(xiàn)象容易出現(xiàn)，第二現(xiàn)象現(xiàn)象較難出現(xiàn)。那么，哪一種才是成功的現(xiàn)象呢？

筆者認(rèn)為，第一種不算成功。在相對(duì)較大的酸濃度下，產(chǎn)生氣泡較多，浮力遠(yuǎn)大于重力，使其獲得較快的向上速度。在上浮的過程中，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢能。這種現(xiàn)象應(yīng)該是動(dòng)能與勢能的轉(zhuǎn)化。緩慢地上浮與下沉，并且幅度較大的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，才是真正的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

但由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)很難成功，而第一種現(xiàn)象比較容易出現(xiàn)，故相信很多老師會(huì)把第一種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象當(dāng)成了成功的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

有些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果具有迷惑性，而且實(shí)驗(yàn)的預(yù)期和結(jié)果出現(xiàn)不同也是很普遍的現(xiàn)象。如何抽絲剝繭抓住其中的科學(xué)本質(zhì)，考驗(yàn)了老師的教學(xué)智慧。

二、優(yōu)化策略

在長期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)，選材不準(zhǔn)確，操作過程不規(guī)范，變量控制不到位等，都會(huì)造成實(shí)驗(yàn)預(yù)期與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差。當(dāng)然，如果能夠針對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)與實(shí)驗(yàn)預(yù)期的差異，進(jìn)行深入挖掘，也會(huì)有一些意想不到的收獲。故此，我們提出以下優(yōu)化策略：

1.嚴(yán)謹(jǐn)選材提高成功率

選擇恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)材料，對(duì)于實(shí)驗(yàn)成功的重要性不言而喻。如提出問題出的雞蛋在酸液中的浮沉問題案例，已經(jīng)比較好地說明了這個(gè)問題。

【案例2】小燈泡的電功率跟哪些因素有關(guān)

浙教版九上P112探究小燈泡的電功率跟哪些因素有關(guān)。如圖5。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象應(yīng)該是接在當(dāng)燈泡兩端電壓相同時(shí)，通過的電流越大，電功率越大，燈泡越亮。

控制電壓相同，使用不同規(guī)格的小燈泡按書示電路圖連接好后，全班6組實(shí)驗(yàn)，有2組得到了反結(jié)論！如圖6所示。

這個(gè)結(jié)果令人發(fā)懵。是不是儀器是不是出了問題呢？經(jīng)過檢測，器材完好。電池電壓足夠。重復(fù)實(shí)驗(yàn)后還是出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。那么究竟是怎么一回事呢？最后發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)材料的選擇有密切關(guān)系。只是簡單地理解教材上燈泡的亮度由實(shí)際功率來決定并不嚴(yán)謹(jǐn)。

在排除了諸多電壓表、電流表、電池等器材原因后，我們再次查看了小燈泡的規(guī)格：6V 0.5A；3.8V 0.3A。分析發(fā)現(xiàn)：第一個(gè)燈泡電阻12歐；第二個(gè)燈泡電阻約近13歐。故電壓相同時(shí)，第一個(gè)燈泡電流較大，第二個(gè)燈泡電流較小是成立的。

問題是燈泡的明暗程度卻與電流大小相反。

我們大膽猜想：是否與小燈泡的額定電壓有關(guān)！

原因分析：額定電壓是3.8v的小燈泡，在電壓接近3.8V的時(shí)候，已經(jīng)可以使其盡可能地將熱能轉(zhuǎn)化為光能。所以即使電流稍小，但燈仍是很亮。而額定電壓是6V的小燈泡，由于實(shí)際電壓距離6V的電壓較遠(yuǎn)，不足以使其接近正常工作狀態(tài)，即使電流稍大，但不足以達(dá)到燈絲明亮發(fā)光的狀態(tài)。所以依然較暗。

故此，我們推測：當(dāng)電壓變大，接近6伏小燈泡的額定電壓時(shí)，小燈泡的明暗程度將隨電流大小變化。隨后，我們進(jìn)行了圖7的實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)如表1所示。

表1中的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了我們的推論。故此，我們可知，由于燈泡的額定電壓不同，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與預(yù)期結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，甚至讓孩子們得到了反結(jié)論?？梢娺x材的重要性！所幸我們通過更深層次的分析與挖掘，幫助孩子糾正了錯(cuò)誤結(jié)論。但若是這個(gè)現(xiàn)象并沒有引起老師們的重視，這個(gè)疑惑或許要伴隨孩子們整個(gè)電學(xué)學(xué)習(xí)生涯了。

2.細(xì)化變量控制的可操作性

嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)需要對(duì)其操作或者測量下操作性定義[2]，即：科學(xué)的、可觀察的、可測量的、可操作的、可重復(fù)的[3]。

變量控制是科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中必須嚴(yán)謹(jǐn)考慮的問題。但在實(shí)驗(yàn)過程中教師會(huì)提出要求，具體的設(shè)計(jì)和操作卻往往失之粗糙，不夠細(xì)致。例如在探究液體蒸發(fā)快慢與溫度關(guān)系時(shí)，教師會(huì)強(qiáng)調(diào)“僅需要改變是溫度，其它的量保持不變”。交待同學(xué)們可以各滴1滴酒精到玻璃板上，分別攤開，注意面積要接近相同。這樣處理是課本上的設(shè)計(jì)方式（如圖8所示），也是大多數(shù)教師選擇的方式，當(dāng)然也可以。但和下面的設(shè)計(jì)相對(duì)比，變量控制的細(xì)致化程度就有了明顯的區(qū)別：

【案例3】影響液體蒸發(fā)快慢的因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的變量控制

（1）液體表面積大小影響液體蒸發(fā)快慢。取圖9所示玻片，固定好面積不同兩個(gè)橡皮圈，同時(shí)滴進(jìn)3滴液體，將其攤勻。記錄兩圈中液體蒸發(fā)速度。

（2）液體溫度高低影響液體蒸發(fā)快慢。取圖10所示兩張玻片分別兩個(gè)固定面積相同的橡皮圈。同時(shí)滴進(jìn)3滴液體。將其攤勻。一張自然蒸發(fā)，一張通過酒精燈加熱，觀察并記錄圈中液體的蒸發(fā)速度。

（3）液體表面空氣流動(dòng)速度影響液體蒸發(fā)快慢（設(shè)計(jì)同上）。如上設(shè)計(jì)簡單卻巧妙。變量控制的操作清晰明確，效果很好。對(duì)變量控制的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的細(xì)致化精確化程度，更加考較執(zhí)教者的心思[2]。

3.挖掘?qū)嶒?yàn)生成深化思維

實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)與結(jié)果不一致是非常普遍的現(xiàn)象，也是科學(xué)研究過程中不可避免的。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因多種多樣，除去器材損壞或不達(dá)標(biāo)，測量數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，操作不夠規(guī)范之外，更多可能是存在深層次的原因。能否抓住這些問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入挖掘，不僅體現(xiàn)了師生的科學(xué)態(tài)度，還體現(xiàn)了師生進(jìn)行科學(xué)研究的素養(yǎng)和能力。如案例2通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的再研究，實(shí)驗(yàn)再設(shè)計(jì)，就幫助學(xué)生扭轉(zhuǎn)了錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象帶來的錯(cuò)誤結(jié)論。當(dāng)然，還有許多實(shí)驗(yàn)，也有非常有趣的生成性問題。

【案例4】液體沸騰需要達(dá)到沸點(diǎn)且吸熱實(shí)驗(yàn)中的生成性問題

在研究水在沸騰時(shí)需要滿足兩個(gè)條件：到達(dá)沸點(diǎn)，繼續(xù)吸熱。為了讓學(xué)生比較深刻地理解這兩點(diǎn)，有如圖11實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。為了促進(jìn)學(xué)生人人動(dòng)手，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)生活中的器材，自行改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。于是孩子們做了如圖12的實(shí)驗(yàn)：

奇妙的事情發(fā)生了。大鍋里的水已長時(shí)間沸騰，溫度維持在100℃，而學(xué)生們反饋，小碗中水有95℃，96℃等，卻無論如何也到不了100℃。為什么類似的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，換用火力更大的煤氣灶，卻反而不能成功呢？

帶著這個(gè)疑問，我們在課堂上嚴(yán)格按照左圖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，燒杯和試管中水都可以達(dá)到100℃，燒杯中水確實(shí)不沸騰。是什么原因?qū)е铝诉@個(gè)現(xiàn)象？大家一起對(duì)比兩套裝置，進(jìn)行分析和交流。孩子們發(fā)現(xiàn)，小試管管口面積較小，而碗的開口面積則較大。當(dāng)水溫較高后，碗口面積大導(dǎo)致蒸發(fā)失熱多。大鍋里沸騰為小碗提供的熱量不足以使其升溫到100℃，故此出現(xiàn)以上問題。通過對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的深層次挖掘，讓孩子對(duì)產(chǎn)熱和散熱有了直觀的感受，對(duì)以后學(xué)習(xí)產(chǎn)熱和散熱平衡打下了基礎(chǔ)，也有利于學(xué)生初步理解并感受物理和生物相關(guān)知識(shí)的整合。

水的沸騰實(shí)驗(yàn)也發(fā)生了有趣的現(xiàn)象。如圖13為課本活動(dòng)設(shè)計(jì)。但在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中，有人反映，水只升到92℃就不升了。還有人加熱到87℃就再也不升了。甚至還有人說，把燒開的水直接再放回到酒精燈上加熱，加熱一小時(shí)，水溫居然保持在了91℃。

首先指出這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果緣于操作不規(guī)范。觀察燒杯口是否覆蓋紙板。再繼續(xù)引導(dǎo)結(jié)合案例4的結(jié)果，分析原因。相信經(jīng)過了這個(gè)過程，學(xué)生對(duì)于沸騰實(shí)驗(yàn)中加蓋設(shè)計(jì)和不加蓋設(shè)計(jì)的原理及結(jié)果應(yīng)該有了深刻理解。

當(dāng)然，還可以繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生反思，實(shí)驗(yàn)不成功僅僅是加蓋和不加蓋的因素么？與酒精燈火力大小、容器敞口面積大小是不是都有關(guān)？放在煤氣灶上，或者換用開口較小的試管燒水，能不能成功呢？

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)中生成性問題的挖掘，促進(jìn)了學(xué)生主動(dòng)對(duì)知識(shí)進(jìn)行深層次加工，建立知識(shí)網(wǎng)，主動(dòng)運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決問題。還培養(yǎng)了學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析本質(zhì)的能力。這樣的學(xué)習(xí)效果，比僅僅是從書本、老師處被動(dòng)獲得知識(shí)要深刻的多。

三、結(jié)語

綜上所述，筆者認(rèn)為，科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)不僅僅要完成實(shí)驗(yàn)，還要完成高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)。面對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師們需要有一顆嚴(yán)謹(jǐn)、虔誠的心！每一次課堂實(shí)驗(yàn)都需要在課前預(yù)做，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。要注意實(shí)驗(yàn)中的選材問題。選材不慎，實(shí)驗(yàn)失敗不說，還極有可能得到反結(jié)論，對(duì)學(xué)生形成負(fù)遷移。還要精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否會(huì)產(chǎn)生較大誤差，變量控制的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

當(dāng)然，有時(shí)再精心的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)榧词故强茖W(xué)家在進(jìn)行科學(xué)研究的過程中，也無法完全控制實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)與結(jié)果完全相同?？倳?huì)有意想不到的問題出現(xiàn)。這些實(shí)驗(yàn)中的生成性問題其實(shí)是促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行深入科學(xué)探究，全面培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)很好的載體。筆者擬對(duì)此現(xiàn)象再進(jìn)行深入研究。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：浙江省杭州市文海實(shí)驗(yàn)學(xué)校 310018）