問道優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

姚國明

摘要： 實(shí)踐中存在實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量不高這一普遍問題。為推進(jìn)優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，應(yīng)處理好四個(gè)方面的核心問題： 一是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，要從注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為重視設(shè)計(jì)過程;二是實(shí)驗(yàn)組織，要從強(qiáng)化啟發(fā)引導(dǎo)轉(zhuǎn)化為強(qiáng)調(diào)探究發(fā)現(xiàn);三是實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，要從關(guān)注知識(shí)技能轉(zhuǎn)化為聚焦科學(xué)思維;四是實(shí)驗(yàn)價(jià)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(shí)驗(yàn)教學(xué); 設(shè)計(jì)過程; 探究發(fā)現(xiàn); 科學(xué)思維; 科學(xué)方法

文章編號(hào)： 1005-6629（2022）05-0058-05

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

實(shí)驗(yàn)是初中科學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，也是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的重要途徑。在初中科學(xué)教材中，實(shí)驗(yàn)活動(dòng)通常是和科學(xué)探究活動(dòng)融合在一起的，有關(guān)要求在《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》課程性質(zhì)部分中明確指出，“科學(xué)是以多樣統(tǒng)一的自然界為研究對(duì)象的探究活動(dòng)”而“科學(xué)探究是創(chuàng)造性思維活動(dòng)、實(shí)驗(yàn)活動(dòng)和邏輯推理交互作用的過程”;教科書編寫特點(diǎn)部分指出，“科學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)證的基本途徑”。實(shí)踐中，科學(xué)教師在觀念上都認(rèn)同實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的地位和作用，在行動(dòng)上也在積極開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但存在的一個(gè)突出問題是實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量不高，典型的表現(xiàn)是學(xué)生會(huì)做實(shí)驗(yàn)不會(huì)分析現(xiàn)象，會(huì)分析現(xiàn)象不會(huì)概括本質(zhì)，能得出結(jié)論不會(huì)解決問題，能解決問題不會(huì)遷移應(yīng)用，即在科學(xué)能力、科學(xué)思維、科學(xué)方法等方面沒有得到很好的訓(xùn)練和提升?？茖W(xué)課程對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求為何難以落實(shí)？實(shí)驗(yàn)教學(xué)又如何走出困境提高質(zhì)量？筆者就其四個(gè)方面的核心問題分別作一探討。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)： 既要注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更要重視設(shè)計(jì)過程

科學(xué)教材在每個(gè)章節(jié)中都設(shè)計(jì)了不少實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，對(duì)這些實(shí)驗(yàn)活動(dòng)大多給出了實(shí)驗(yàn)方案，這為教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了方便。然而，不少教師機(jī)械照搬教材中的實(shí)驗(yàn)方案，忽視實(shí)驗(yàn)方案背后的設(shè)計(jì)過程或意圖，實(shí)驗(yàn)效果大打折扣。如在“實(shí)驗(yàn)室制取氧氣”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大多數(shù)教師是按照教材給出的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，待完成實(shí)驗(yàn)后再解釋實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)看似完成，然而教材中呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)方案的價(jià)值真正達(dá)到了嗎？如果仔細(xì)洞察，會(huì)發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)價(jià)值還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有實(shí)現(xiàn)，一個(gè)最典型的表現(xiàn)就是許多學(xué)生面對(duì)之后類似的“實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳”實(shí)驗(yàn)時(shí)不會(huì)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(yùn)含著豐富的科學(xué)知識(shí)和學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展的過程。

其實(shí)，從認(rèn)知角度看，這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和操作要點(diǎn)理解并不難。因此，該教學(xué)的難點(diǎn)不在實(shí)驗(yàn)結(jié)論，而在于實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。教師若能重視實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)過程，事先不直接拿出發(fā)生器給學(xué)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(xué)生思維的發(fā)展。下面采取圖示法簡述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的引導(dǎo)過程（如圖1所示）。

可見，重視實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程，雖然在一定程度上可能會(huì)拉長實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，但是實(shí)驗(yàn)本身的價(jià)值就能得到最大程度的體現(xiàn)。學(xué)生在參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yàn)被充分喚醒，思維產(chǎn)生連續(xù)沖突，實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和思維水平得到提升。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要轉(zhuǎn)變觀念，不僅要關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更要重視實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程?！耙粋€(gè)好的科學(xué)探究過程的設(shè)計(jì)，實(shí)際上就是學(xué)生思維發(fā)展的過程，就是在實(shí)際情境中綜合運(yùn)用知識(shí)、技能來解決真實(shí)問題和提升關(guān)鍵能力的過程”[1]。

2 實(shí)驗(yàn)組織： 既要強(qiáng)化啟發(fā)引導(dǎo)，更要強(qiáng)調(diào)探究發(fā)現(xiàn)

按實(shí)驗(yàn)類型劃分，教材中的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)包含驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)兩種。從教學(xué)要求看，每種類型實(shí)驗(yàn)都有其相應(yīng)的價(jià)值，教師只要依綱務(wù)本、按部就班完成實(shí)驗(yàn)即可。但站在學(xué)習(xí)角度看，探究性實(shí)驗(yàn)是一種更符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)和需求的學(xué)習(xí)方式。從教學(xué)角度看，探究性實(shí)驗(yàn)在學(xué)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(xué)教育中，應(yīng)給學(xué)生提供充分的科學(xué)探究機(jī)會(huì)，讓學(xué)生通過手腦并用的探究活動(dòng)，體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，如此才能使學(xué)生更深刻地理解科學(xué)知識(shí)，更好地掌握科學(xué)方法，體會(huì)科學(xué)思想和精神”[2]。然而，在實(shí)際教學(xué)中，不少教師對(duì)探究實(shí)驗(yàn)熟視無睹，不僅無法將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成探究性實(shí)驗(yàn)，甚至將原本探究性實(shí)驗(yàn)演變成了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

比如“二氧化碳與水反應(yīng)”這個(gè)實(shí)驗(yàn)，教師一般是按照教材中的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)有對(duì)比，有結(jié)論，看似很完美，其實(shí)這樣的實(shí)驗(yàn)過程既缺少“探究味”，學(xué)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)很不嚴(yán)謹(jǐn)，變量控制不到位，二氧化碳是否也會(huì)使紫色石蕊變色呢？教師并沒有排除這個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。

那么如何設(shè)計(jì)這一教學(xué)環(huán)節(jié)才能凸顯科學(xué)“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(xué)生很驚訝，不禁產(chǎn)生疑問“紫色石蕊試液為什么會(huì)變紅”。此時(shí)，教師追問“根據(jù)剛才的實(shí)驗(yàn)過程，大家猜測使石蕊變色的可能是哪些物質(zhì)？”學(xué)生經(jīng)過思考，認(rèn)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(jì)實(shí)驗(yàn)來證明你的猜測呢？此時(shí)，教師再演示“紫色石蕊試液滴加到鹽酸中變紅色”的實(shí)驗(yàn)，直觀地讓學(xué)生明確“紫色石蕊試液可以用來檢驗(yàn)酸性物質(zhì)”

這一事實(shí)。根據(jù)以上事實(shí)，學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖3所示，通過比較a、 b、 c三支試管中的實(shí)驗(yàn)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(xué)內(nèi)容，類似的實(shí)驗(yàn)方案，兩種不同的設(shè)計(jì)理念，實(shí)驗(yàn)的“探究味”完全不同，實(shí)驗(yàn)效果也完全不同?？茖W(xué)的本質(zhì)特征是探究，在科學(xué)教育的過程中應(yīng)體現(xiàn)科學(xué)探究的精神，讓學(xué)生親身經(jīng)歷以科學(xué)探究為主的學(xué)習(xí)活動(dòng)，不僅符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，而且對(duì)他們的長遠(yuǎn)發(fā)展有重要意義[3]。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)強(qiáng)化科學(xué)探究的意識(shí)，用科學(xué)探究的理念來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，用科學(xué)探究的方式來呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程。如此，不僅讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程充滿魅力，更能實(shí)現(xiàn)學(xué)生思維從低階到高階的轉(zhuǎn)變。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?既要關(guān)注知識(shí)技能，更要聚焦科學(xué)思維

科學(xué)教育的核心目標(biāo)是促進(jìn)高階思維能力的發(fā)展[4]，因此，作為一種教學(xué)方式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本目的也應(yīng)該是通過實(shí)驗(yàn)活動(dòng)訓(xùn)練學(xué)生的思維。然而，現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然習(xí)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(xué)生能力發(fā)展不足，無法靈活解決現(xiàn)實(shí)情境中的真實(shí)問題[5]。如在“質(zhì)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師往往是利用教材中給出的兩種方案，引導(dǎo)學(xué)生一步步實(shí)驗(yàn)，最后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出了質(zhì)量守恒定律。然而，由于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路并不清晰，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)中為什么要在封閉環(huán)境下進(jìn)行并不理解，只是機(jī)械地按照教材給出的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，雖然最后得出了結(jié)論，但其實(shí)對(duì)質(zhì)量守恒定律意義的認(rèn)識(shí)并不深刻。這就是為什么很多學(xué)生會(huì)做質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)，但一碰到質(zhì)量守恒定律的實(shí)際問題仍舊束手無策的原因。

若以思維線來設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果就完全不同。教師先以生活中兩個(gè)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(xué)反應(yīng)中物質(zhì)的質(zhì)量如何變化？此時(shí)學(xué)生大都認(rèn)為物質(zhì)燃燒了，質(zhì)量會(huì)減小。教師再設(shè)計(jì)在開放體系中“碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的變化”實(shí)驗(yàn)（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(xué)生再次堅(jiān)定“質(zhì)量減小”的判斷。此時(shí)，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(shí)驗(yàn)（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(shí)驗(yàn)結(jié)果不同呢？學(xué)生在頭腦中產(chǎn)生了激烈的認(rèn)知沖突。究竟哪個(gè)實(shí)驗(yàn)才是準(zhǔn)確反映化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量變化呢？學(xué)生通過對(duì)比分析兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的原因，推理得到“化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量守恒”的結(jié)論，進(jìn)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(huì)如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)?？學(xué)生經(jīng)過討論大都能給出正確解釋和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。此時(shí)，教師再組織學(xué)生針對(duì)教材中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)（如圖6所示）。學(xué)生從實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路等方面進(jìn)行分析，選出最佳實(shí)驗(yàn)方案。

科學(xué)思維是科學(xué)研究的靈魂[6]，而實(shí)驗(yàn)是科學(xué)學(xué)習(xí)的重要方法。沒有實(shí)驗(yàn)的科學(xué)課堂不是真正的科學(xué)課堂，而沒有思辨的科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，同樣也不是完美的科學(xué)課堂。聚焦科學(xué)思維是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心目標(biāo)和根本任務(wù)。布魯姆目標(biāo)分類理論認(rèn)為，知識(shí)、理解、應(yīng)用是低水平的思維表現(xiàn)形式，分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造等才是高水平的思考。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)價(jià)值： 既要關(guān)注問題解決，更要凸顯科學(xué)方法

科學(xué)方法是人們在認(rèn)識(shí)和改造世界中遵循或運(yùn)用的、符合科學(xué)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(xué)活動(dòng)過程中采用的思路、程序、規(guī)則、技巧和模式。簡單地說，科學(xué)方法就是人類在所有認(rèn)識(shí)和實(shí)踐活動(dòng)中所運(yùn)用的全部正確方法[7]?？茖W(xué)方法作為科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分，是科學(xué)教育的重要內(nèi)容，也是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的重要方法。初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含著許多基本的科學(xué)方法，如觀察、歸納、演繹、轉(zhuǎn)化、理想實(shí)驗(yàn)、推理、模型、類比、等效替換、控制變量等等，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中滲透這些方法思想，引導(dǎo)學(xué)生將這些方法轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)科學(xué)的思維方式和能力，不僅能使學(xué)生的學(xué)習(xí)提高效率，還能幫助學(xué)生提升學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。但不少教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中習(xí)慣性地強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用，而忽視實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含的科學(xué)方法和科學(xué)思想的教育，這種指向知識(shí)和技能的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“最后一公里”沒有打通，實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得膚淺且無色彩。

如“空氣中氧氣含量測定”實(shí)驗(yàn)，教師經(jīng)常是以法國化學(xué)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(shí)驗(yàn)（如圖7所示），之后再分析實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想和方法。

如果教師以“紅磷燃燒”切入，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)瓶內(nèi)氣壓進(jìn)行分析。在明白了水為什么會(huì)倒流到廣口瓶中，教師提問：“燒杯中的水是否會(huì)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(xué)生作出判斷后，再問：“空氣中的氧氣含量能否直接測量？該實(shí)驗(yàn)對(duì)測量空氣中氧氣含量有什么啟示？”學(xué)生自然而然會(huì)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(shí)驗(yàn)。

此時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生得出“對(duì)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(rèn)識(shí)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(shí)驗(yàn)原理后，不少學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)中紅磷點(diǎn)燃方法的不足想出了用“白磷”代替“紅磷”的改進(jìn)方案（如圖8所示）。受此啟發(fā)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路被進(jìn)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(dòng)體積”來進(jìn)行測量的方案（如圖9所示）。

科學(xué)方法是科學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為科學(xué)能力的橋梁和紐帶[8]，科學(xué)方法的教育是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)形成的關(guān)鍵[9]，多樣化的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)方法的重要途徑[10]。教師應(yīng)在指導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)解

決科學(xué)問題的同時(shí)，潛移默化地滲透科學(xué)研究方法。在學(xué)生了解、理解、掌握科學(xué)方法后，再有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用相應(yīng)的科學(xué)方法去分析或解決科學(xué)問題，不僅能提高學(xué)生對(duì)科學(xué)現(xiàn)象、概念或規(guī)律的認(rèn)識(shí)和理解能力，而且對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法和習(xí)慣、提高科學(xué)素養(yǎng)大有裨益。

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