當(dāng)前,科學(xué)課程的基本理念迅速發(fā)展深化,對(duì)科學(xué)教師的教育教學(xué)觀念產(chǎn)生了極大的沖擊。以課程標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)志的學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí),集中在四點(diǎn):一是在科學(xué)內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)事物本身特征與事物間關(guān)系的認(rèn)識(shí),二是在研究主題上強(qiáng)調(diào)與學(xué)生周圍環(huán)境和個(gè)人生活的聯(lián)系,三是在方法上強(qiáng)調(diào)科學(xué)實(shí)踐的體驗(yàn)學(xué)習(xí),四是在評(píng)價(jià)上強(qiáng)調(diào)實(shí)作評(píng)價(jià)為主的多元方式。這幾點(diǎn)可以說對(duì)科學(xué)教師提出了更多、更高的要求,沒有專業(yè)的科學(xué)素養(yǎng)是完不成的。
2017年教育部印發(fā)的小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中,特別把STEM教育列為新課程標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容之一,科學(xué)教師面臨實(shí)驗(yàn)數(shù)量增加、類型綜合、內(nèi)容技術(shù)更新等科學(xué)實(shí)踐的挑戰(zhàn),可以說科學(xué)教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力已成為影響科學(xué)課程改革成效的關(guān)鍵因素。如何解決這個(gè)問題是擺在教師培養(yǎng)中不可避免的一大現(xiàn)實(shí)問題。本文以綜合實(shí)驗(yàn)理論與實(shí)踐課程為例,淺談“連鎖”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力方面的作用。
1.“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵。“聯(lián)鎖”一詞本義為彼此相互聯(lián)系、緊密銜接、堅(jiān)固地交織在一起。常用在道路交通上,是為了保證行車安全,通過技術(shù)方法,使進(jìn)路、道岔和信號(hào)機(jī)之間按一定程序、一定條件建立起的既相互聯(lián)系又相互制約的關(guān)系[1]。本文中的“聯(lián)鎖”借用上述定義,專指按一定規(guī)范(程序或條件)建立起的前后之間既相互聯(lián)系又制約的關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)是根據(jù)一定目的,運(yùn)用必要的手段,在人為控制的條件下,觀察研究事物本質(zhì)和規(guī)律的一種實(shí)踐活動(dòng)[2];是科學(xué)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ),也是判斷認(rèn)識(shí)是否具有真理性的標(biāo)準(zhǔn)。在科學(xué)教育中,實(shí)驗(yàn)通常要預(yù)設(shè)“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹薄皩?shí)驗(yàn)環(huán)境”,進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)操作”,最終以“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”的形式發(fā)表“實(shí)驗(yàn)結(jié)果”?;谝陨险J(rèn)識(shí),科學(xué)教育中的“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)可定義為:在科學(xué)教育實(shí)踐中,為了提升學(xué)生科學(xué)的綜合實(shí)踐能力,通過教學(xué)設(shè)計(jì),按某種規(guī)范(程序或條件)建立起的一組相互聯(lián)系的系列實(shí)驗(yàn)。
2.“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)的特征。實(shí)驗(yàn)可以是師生演示的實(shí)驗(yàn),也可以是學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是在講過某一部分科學(xué)內(nèi)容之后,在教師的要求與指導(dǎo)下,由學(xué)生分組合作設(shè)計(jì)的一組系列實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)必須具有以下特征,方可稱為“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn):①綜合性。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)在內(nèi)容上具有多科性、跨科性,在技能訓(xùn)練上具有統(tǒng)整性,強(qiáng)調(diào)學(xué)生自行設(shè)計(jì)與創(chuàng)意體現(xiàn),這是“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)的理念體現(xiàn)。②問題性。實(shí)驗(yàn)只是一種學(xué)習(xí)形式,一種途徑,其本質(zhì)是一個(gè)始于問題、終于問題的過程,即從認(rèn)識(shí)問題開始,而后經(jīng)猜測(cè)、構(gòu)想、解釋、驗(yàn)證等環(huán)節(jié)得出結(jié)論,使問題貫穿在整個(gè)系列實(shí)驗(yàn)中,這是“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)要求。③生活性。實(shí)驗(yàn)所用材料講求就地取材與操作簡(jiǎn)易,實(shí)驗(yàn)形式講求短小精悍與生動(dòng)活潑,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講求生活實(shí)際與教育實(shí)效,這是“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)的出發(fā)點(diǎn)。④系列性。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)至少兩個(gè)以上(含兩個(gè)),構(gòu)成有關(guān)系的一組,這種關(guān)系按一定的規(guī)范(或基于材料、或基于內(nèi)容、或基于方法等)聯(lián)系在一起,在訓(xùn)練學(xué)生教學(xué)技能及思維上有進(jìn)階的要求,這是“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)的條件約定。
3.作為科學(xué)教育中“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)的要求。科學(xué)教育講的是“物”之“理”,教師應(yīng)“藉物彰理”,引導(dǎo)學(xué)生“格物致理”?!奥?lián)鎖”實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生融通“物”與“理”,形成科學(xué)概念,理解和鞏固科學(xué)知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生觀察現(xiàn)象、分析問題、解決問題的能力,獲得比較熟練的實(shí)驗(yàn)技能以及實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度?!奥?lián)鎖”實(shí)驗(yàn)要求把“學(xué)科學(xué)作為一種過程”,作為學(xué)生學(xué)習(xí),諸如觀察、推斷和實(shí)驗(yàn)等諸多能力的過程,而且強(qiáng)調(diào)學(xué)科學(xué)的中心環(huán)節(jié)是實(shí)踐。在參與體驗(yàn)時(shí),學(xué)生要能描述物體和事件,能提出問題,能作出解釋,加以檢驗(yàn),并且把自己的看法和意思傳達(dá)給別人??茖W(xué)教育中的“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)是一種積極、主動(dòng)的過程,學(xué)科學(xué)是學(xué)生要自己實(shí)踐的事,而不能由別人來代勞,除了有動(dòng)手的實(shí)踐活動(dòng),還必須要有動(dòng)腦的理性體驗(yàn)。
1.以技能過程為主線的“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)案例。①實(shí)驗(yàn)主要材料:食鹽、水、紅小豆、白砂糖;②“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn):紅小豆冰棒實(shí)驗(yàn)——冰使水開實(shí)驗(yàn)——粗鹽提純實(shí)驗(yàn)。(說明:該“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)更適合在夏季做)
實(shí)驗(yàn)一:制作紅小豆冰棒。(準(zhǔn)備工作:教師可以先指導(dǎo)學(xué)生用燒杯煮好紅小豆,放入白砂糖,讓它們自然涼,在這期間指導(dǎo)學(xué)生使用冰箱制冰塊)冰箱制冰過程。如何制冰?——以燒杯做容器為什么易被“凍裂”?如何取冰?——從燒杯中如何將冰順利取出?如何碎冰?——通過何種方法將冰塊做碎?
經(jīng)過討論,大家一致認(rèn)為用小的保鮮袋做制冰容器合適,可以很好地解決以上問題。將煮熟的紅小豆置于干凈的試管底部,同時(shí)倒入加了糖的涼開水,插入一干凈的竹簽做冰棍。將試管埋到有碎冰玻璃(或塑料)的水槽中,在碎冰之間倒入粗鹽(也可以用細(xì)鹽),靜置觀察7~8分鐘并回答以下問題:①加入粗鹽后水槽中的碎冰變得堅(jiān)如石頭,原因何在?②玻璃(或塑料)水槽外面出現(xiàn)冰霜,原因何在?③將內(nèi)部已經(jīng)凝固的試管取出,想一想如何快速取出制好的冰棒?
實(shí)驗(yàn)二:冰使水開。將裝入半瓶水的平底燒瓶置于酒精燈上燒開,用軟木塞蓋緊倒置,將上述玻璃水槽中已經(jīng)部分融化的碎冰置于其上,進(jìn)行觀察并回答以下問題:①平底燒瓶在加熱過程中為什么可以不用石棉網(wǎng)?②用試管夾夾取燒瓶,為什么要小心?③燒瓶中水再次沸騰的原因是什么?
實(shí)驗(yàn)三:粗鹽提純。將上述水槽中已完全融化的鹽水進(jìn)行粗鹽提純,并回答以下問題:①過濾——過濾的目的是什么?需要哪些儀器?操作時(shí)要注意哪些問題(一貼、二低、三靠)?②蒸發(fā)——蒸發(fā)的目的是什么?需要哪些儀器?操作時(shí)的注意事項(xiàng)有哪些?(說明:實(shí)驗(yàn)三得到的產(chǎn)品——粗鹽,以備下次重復(fù)使用,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)用料循環(huán))
上述三個(gè)“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn),以常見的物品——食鹽和水為聯(lián)系主線,前一個(gè)實(shí)驗(yàn)是后一個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程基礎(chǔ),很好地將物態(tài)變化等科學(xué)知識(shí)及各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技能貫穿其中。使學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)、獲取日常生活中必須具備的科學(xué)知識(shí)和思維能力,凸顯“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)中問題、證據(jù)、解釋、評(píng)價(jià)和表達(dá)等技能環(huán)節(jié)的重要性。
2.以科學(xué)概念為主線的“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)案例。①科學(xué)概念:二氧化碳?xì)怏w的性質(zhì);②“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn):點(diǎn)燃兩支長(zhǎng)度不同的蠟燭(相差5cm以上),將其固定在桌面上。如果用大小不等的玻璃燒杯(或者其他透明的容器)將兩支蠟燭罩在里面,會(huì)有何種現(xiàn)象?
實(shí)驗(yàn)一:用小一點(diǎn)的燒杯罩住(燒杯倒置,封閉)。提問:哪一支蠟燭先滅?猜測(cè):理由?觀察:以小組為單位進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)。解釋:原因?
實(shí)驗(yàn)二:用大的燒杯罩?。怪茫忾])。程序和實(shí)驗(yàn)一相同,猜測(cè)理由,結(jié)果又如何?如何解釋?
實(shí)驗(yàn)三:將實(shí)驗(yàn)二中的倒置大燒杯杯沿用高約1cm或2cm的三個(gè)橡皮墊起來。重復(fù)實(shí)驗(yàn)二步驟,情況又是如何?
針對(duì)以上三個(gè)“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn),請(qǐng)回答:火場(chǎng)逃生時(shí),為什么低伏身體貼近地面有利于逃生?上面三個(gè)實(shí)驗(yàn)是以CO2的性質(zhì)為聯(lián)系主線進(jìn)行設(shè)計(jì)的,該類“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)只改變前一個(gè)實(shí)驗(yàn)一個(gè)變因,后一個(gè)是前一個(gè)的延伸,完成一個(gè)系列,明確實(shí)驗(yàn)結(jié)果。采用的學(xué)習(xí)策略是POE(預(yù)測(cè)——觀察——解釋),POE基本的程序是:首先設(shè)計(jì)某一情境讓學(xué)生預(yù)測(cè)會(huì)有何結(jié)果或現(xiàn)象發(fā)生,要求學(xué)生寫下自己的預(yù)測(cè)并說明理由,接著通過實(shí)際操作讓學(xué)生觀察有何結(jié)果或現(xiàn)象發(fā)生,記錄觀察結(jié)果,如果與預(yù)測(cè)的不一樣,讓學(xué)生解釋原因或理由。POE教學(xué)策略增強(qiáng)了學(xué)習(xí)活動(dòng)的指向性與目的性,有助于學(xué)生在原有的知識(shí)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行概念建構(gòu)。
3.以固定器材為主線的“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)案例。①實(shí)驗(yàn)固定器材:平口玻璃杯、能夠蓋住玻璃杯口的薄塑料片、紗網(wǎng);②“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn):覆杯實(shí)驗(yàn)。
覆杯實(shí)驗(yàn)一:將杯子里裝滿水,用塑料片把杯口蓋嚴(yán),按住塑料片,把杯子倒過來或處于傾斜位置,放手后,塑料片不會(huì)掉下來,杯子里的水也不會(huì)流出來,為什么?
覆杯實(shí)驗(yàn)二:玻璃杯內(nèi)只有半杯水,甚至只有一點(diǎn)點(diǎn)水鋪在杯底,蓋上薄塑料片,再將杯子翻過來,塑料片會(huì)落下來嗎?為什么?如果杯子處于傾斜位置,又如何?
覆杯實(shí)驗(yàn)三:以紗網(wǎng)(玻璃窗用的)蓋住杯口,杯子中的水不會(huì)流出來的原因是什么?而略微傾斜后,杯子中的水為什么又會(huì)流出來?
這是與大氣壓力有關(guān)的三個(gè)簡(jiǎn)易“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn),其特征以固定常見器材為主線,雖然涉及的科學(xué)概念較多,但每個(gè)后續(xù)實(shí)驗(yàn)只改變前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)變因,使用的是矛盾沖突學(xué)習(xí)策略,該策略通過讓學(xué)生觀察現(xiàn)象、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)操作等實(shí)踐活動(dòng)來展示矛盾事件,引發(fā)認(rèn)知矛盾。
梅里爾指出:學(xué)習(xí)者解決了一系列經(jīng)過比較、澄清的問題,才能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)。[3]“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)給學(xué)生提供了一個(gè)不受時(shí)間、空間和材料限制的,有挑戰(zhàn)性、有吸引力的環(huán)境。該種實(shí)驗(yàn)在取材上,以學(xué)生身邊的材料、生活中的實(shí)驗(yàn)、身邊的實(shí)驗(yàn)為主,增強(qiáng)學(xué)生的生活體驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn);在內(nèi)容設(shè)計(jì)與選擇上,選取的實(shí)驗(yàn)比較生動(dòng)有趣,實(shí)驗(yàn)器材易于準(zhǔn)備,易于學(xué)生制作,現(xiàn)象明顯,易推廣。
從本體論看,通過“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)使學(xué)生內(nèi)心形成一系列相互關(guān)聯(lián)的體驗(yàn),在系列的學(xué)習(xí)親歷和不斷的學(xué)習(xí)反思中,有效地提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)意義、情感體驗(yàn)、生命感受與能力品性。從認(rèn)識(shí)論看,“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)將學(xué)習(xí)歷程、過程、動(dòng)作、情感等串聯(lián)起來,是一種跟學(xué)習(xí)活動(dòng)密切關(guān)聯(lián)的經(jīng)歷,是在反復(fù)的學(xué)習(xí)親歷中“得到情感體驗(yàn)、人格提升、個(gè)性張揚(yáng),生命活力得以煥發(fā),生命價(jià)值得以提升的過程。”[4]從發(fā)生學(xué)看,“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)中的學(xué)生體驗(yàn)發(fā)生依承于歷構(gòu)層、預(yù)構(gòu)層、臨構(gòu)層的相互作用與有機(jī)統(tǒng)一。[5]美國(guó)心理學(xué)家Noel Tichy提出:對(duì)于一個(gè)人來說,最理想的狀態(tài)是處于“學(xué)習(xí)區(qū)”(指對(duì)自己來說有一定挑戰(zhàn),因而感到不適,但是不至于太難受的區(qū)域)?!奥?lián)鎖”實(shí)驗(yàn)就是給學(xué)生提供學(xué)習(xí)具有適當(dāng)挑戰(zhàn)性的平臺(tái),一個(gè)非常好的“學(xué)習(xí)區(qū)”。
1.“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生進(jìn)行科學(xué)知識(shí)與專業(yè)技能的學(xué)習(xí)?!奥?lián)鎖”實(shí)驗(yàn)關(guān)注的是學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)是否會(huì)產(chǎn)生有意義的改變,是否獲得成長(zhǎng)等根本問題,在以上實(shí)驗(yàn)中涉及的基本過程技能有觀察、應(yīng)用時(shí)間與空間的關(guān)系、分類、應(yīng)用數(shù)字、測(cè)量、傳達(dá)、預(yù)測(cè)、推理等項(xiàng),涉及的綜合過程技能有提出猜測(cè)、使用變量、實(shí)驗(yàn)、建立模型、根據(jù)觀察定義術(shù)語等。學(xué)生在有意義的“聯(lián)鎖”的過程中,能運(yùn)用科學(xué)研究的程序和方法主動(dòng)建構(gòu)科學(xué)知識(shí),體驗(yàn)和感悟科學(xué)研究基本過程,學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)研究的基本技能及專業(yè)技能。
2.“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生理性批判精神的塑造。在現(xiàn)行科學(xué)課教學(xué)中,較少將論證與科學(xué)解釋取向探究教學(xué)的案例落實(shí)于課堂中,科學(xué)教育多年來一直被詬病的原因之一是學(xué)生經(jīng)常只學(xué)到片段的知識(shí),缺乏科學(xué)推理、解釋資料的能力;原因之二是評(píng)價(jià)學(xué)生適應(yīng)未來生活的發(fā)展能力——辨識(shí)科學(xué)問題、科學(xué)地解釋現(xiàn)象、運(yùn)用科學(xué)證據(jù)等不易有客觀的評(píng)量被忽略了。在列舉的“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)中,科學(xué)解釋的建構(gòu)是很重要的一環(huán),它是指對(duì)自然世界中發(fā)生的事件或現(xiàn)象如何及為何發(fā)生做出說明,內(nèi)容包括主張、證據(jù)及推理三部分,在這些環(huán)節(jié)中,學(xué)生的理性批判精神很容易得到塑造。
3.“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生創(chuàng)意思維能力的提高?!奥?lián)鎖”實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過程,其中的信息流程如下:
科學(xué)教育中“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)中的信息流程
創(chuàng)意思維能力的培養(yǎng)基于主動(dòng)變換認(rèn)識(shí)世界(事物、問題)的角度,在“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力,然后通過一系列問題的研討來構(gòu)建整個(gè)課程,以處理問題、探討問題、解決問題的形式來進(jìn)行學(xué)習(xí),最終實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意思維的提高。
4.“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生社會(huì)責(zé)任意識(shí)與情感的培育。“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)要求以生活情境鋪設(shè)臺(tái)階,通過實(shí)驗(yàn)情景自然化、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容生活化、實(shí)驗(yàn)活動(dòng)日?;?,破除實(shí)驗(yàn)的神秘性,在日常生活適應(yīng)中找到學(xué)習(xí)科學(xué)的平衡點(diǎn),關(guān)注生態(tài)、關(guān)注與科技有關(guān)的社會(huì)性議題(SSI)、關(guān)注科學(xué)社群、關(guān)注科學(xué)家形象等,正確對(duì)待科學(xué)本質(zhì)、正確對(duì)待科學(xué)學(xué)習(xí)、正確對(duì)待科學(xué)事業(yè),提升自身的社會(huì)責(zé)任意識(shí)和對(duì)教育專業(yè)的情誼。
1.寬泛與簡(jiǎn)易性原則。寬泛要求研究主題中各種科學(xué)知識(shí)都要有所涉獵,簡(jiǎn)易要求實(shí)驗(yàn)的成本低,即取材方便、操作簡(jiǎn)易,不需要精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,更不需要繁瑣的操作過程。
2.趣味與生活性原則。趣味講求借用“非”實(shí)驗(yàn)物品開展“一物多用、多物一用”時(shí),要有“趣”,有“味”,設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)要有進(jìn)階性,生活性是“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),利用日常生活用品做實(shí)驗(yàn)不受實(shí)驗(yàn)室的限制,在家里也可以做,使學(xué)生感到親切。
3.融合與自創(chuàng)性原則。融合講求“聯(lián)鎖”,“聯(lián)鎖”就要融會(huì)貫通,自創(chuàng)要求自己動(dòng)手、自己動(dòng)腦,在“做”中教,在“做”學(xué),賦予學(xué)習(xí)以“自創(chuàng)性”快樂。
4.過程與體驗(yàn)性原則。“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)過程技能的訓(xùn)練,強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與實(shí)踐,充分發(fā)揮“聯(lián)鎖”效應(yīng),在系列實(shí)驗(yàn)中對(duì)話、探討、整合,進(jìn)行深刻反思和體悟,提高遷移能力。
綜上所述,提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是科學(xué)教育的宗旨,我們?cè)诖筇幹鄣耐瑫r(shí)還需要從小處著手,這就要求教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)去實(shí)作。通過“聯(lián)鎖”實(shí)驗(yàn)的開展,可以有效解決為什么“實(shí)作”,如何“實(shí)作”,怎么“實(shí)作”,“實(shí)作”的成效高不高等問題,只有這樣,才能有效達(dá)到“安其學(xué)而親其師,樂其友而信其道”的境地。