科學(xué)教育中“聯(lián)鎖”實驗的研究

徐敬標(biāo)

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)小學(xué)科學(xué)課教學(xué)在科學(xué)內(nèi)容上要強調(diào)學(xué)生對事物本身特征與事物之間關(guān)系的認(rèn)識，在研究主題上要強調(diào)與學(xué)生周圍環(huán)境和個人生活的聯(lián)系，在方法上要強調(diào)科學(xué)實踐的體驗學(xué)習(xí)，在評價上要強調(diào)以實際操作評價為主的多元方式，并且把STEM教育列為重要內(nèi)容之一。這意味著科學(xué)教師將面臨實驗數(shù)量增加、類型綜合、內(nèi)容技術(shù)更新等科學(xué)實踐的挑戰(zhàn)。如何解決這些問題？我們對小學(xué)科學(xué)課程如何設(shè)計并實施“聯(lián)鎖”實驗進行了研究，期望摸索出一種比較成熟的教學(xué)模式。

對“聯(lián)鎖”實驗的認(rèn)識

1.“聯(lián)鎖”實驗的內(nèi)涵

“聯(lián)鎖”一詞本義為彼此相互聯(lián)系、緊密銜接、堅固地交織在一起。常用在道路交通上，是為了保證行車安全，通過技術(shù)方法，使進路、道岔和信號機之間按一定程序、一定條件建立起的既相互聯(lián)系而又制約的關(guān)系。本文中的“聯(lián)鎖”借用上述定義，專指按一定規(guī)范建立起的前后之間既相互聯(lián)系又相互制約的關(guān)系。

實驗是根據(jù)一定的目的，運用必要的手段，在人為控制的條件下，觀察研究事物本質(zhì)和規(guī)律的一種實踐活動，是科學(xué)認(rèn)識的基礎(chǔ)，也是判斷認(rèn)識是否具有真理性的標(biāo)準(zhǔn)。在科學(xué)教育中，實驗通常要預(yù)設(shè)“實驗?zāi)康摹薄皩嶒灜h(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”。

基于以上認(rèn)識，科學(xué)教育中的“聯(lián)鎖”實驗可定義為：在科學(xué)教育實踐中，為了提升學(xué)生的科學(xué)綜合實踐能力，通過教學(xué)設(shè)計，按某種規(guī)范（程序或條件）建立起的一組相互聯(lián)系的系列實驗。

2.“聯(lián)鎖”實驗的特征

在實驗教學(xué)中，實驗可以是師生演示的實驗，也可以是學(xué)生設(shè)計的實驗。學(xué)生設(shè)計的實驗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)計的一組系列實驗。這些實驗必須具有以下特征，方可稱為“聯(lián)鎖”實驗。

（1）綜合性

設(shè)計的實驗在內(nèi)容上具有多科性、跨科性，在技能訓(xùn)練上具有統(tǒng)整性，強調(diào)學(xué)生自行設(shè)計與創(chuàng)意體現(xiàn)，這是“聯(lián)鎖”實驗的理念體現(xiàn)。

（2）問題性

實驗只是一種學(xué)習(xí)形式、一種途徑，其本質(zhì)是一個始于問題、終于問題的過程，即從認(rèn)識問題開始，經(jīng)過猜測、構(gòu)想、解釋、驗證等環(huán)節(jié)得出結(jié)論，使問題貫穿在整個系列實驗中，這是“聯(lián)鎖”實驗的實質(zhì)要求。

（3）生活性

實驗所用材料講求就地取材與操作簡易，實驗形式講求短小精悍與生動活潑，實驗內(nèi)容講求與生活實際相聯(lián)系，這是“聯(lián)鎖”實驗的出發(fā)點。

（4）系列性

設(shè)計的實驗個數(shù)至少兩個以上（含兩個），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)生學(xué)習(xí)技能及思維上有“進階”的要求，這是“聯(lián)鎖”實驗的條件約定。

3.“聯(lián)鎖”實驗的要求

科學(xué)教育講的是“物”之“理”，教師應(yīng)“籍物彰理”，引導(dǎo)學(xué)生“格物致理”?！奥?lián)鎖”實驗可以幫助學(xué)生融通“物”與“理”，形成科學(xué)概念，理解和鞏固科學(xué)知識；培養(yǎng)學(xué)生觀察現(xiàn)象、分析問題、解決問題的能力；使學(xué)生獲得比較熟練的實驗技能以及實事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

“聯(lián)鎖”實驗要求把學(xué)科學(xué)作為一種過程，作為學(xué)生學(xué)習(xí)諸如觀察、推斷和實驗等能力的過程，而且強調(diào)學(xué)科學(xué)的中心環(huán)節(jié)是實踐。在參與體驗時，學(xué)生要能描述物體和事件，能提出問題，作出解釋，加以檢驗，并且能把自己的看法傳達給別人。

科學(xué)教育中的“聯(lián)鎖”實驗是一種積極主動的過程，學(xué)科學(xué)是學(xué)生要自己實踐的事，不能由別人代勞。除了有“動手”的實踐活動外，還必須有“動腦”的理性體驗。

“聯(lián)鎖”實驗的案例研究

1.以技能過程為主線的“聯(lián)鎖”實驗案例

實驗主要材料：食鹽、水、紅小豆、白砂糖。

“聯(lián)鎖”實驗：紅小豆冰棒實驗—冰使水開實驗—粗鹽提純實驗（該“聯(lián)鎖”實驗更適合在夏季做）。

實驗一：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，讓它們自然涼后備用，在這期間指導(dǎo)學(xué)生使用冰箱制冰塊。

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破碎？

經(jīng)過討論，大家一致認(rèn)為用小的保鮮袋作制冰容器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，同時倒入加了白砂糖的涼開水，插入一根干凈的竹簽作冰棍。將試管埋到有碎冰的玻璃（或塑料）水槽中，在碎冰間隙中倒入粗鹽（也可以用細(xì)鹽），靜置觀察7—8分鐘后回答以下問題：

加入粗鹽后水槽中的碎冰變得堅如石頭，原因何在？

玻璃（或塑料）水槽外面出現(xiàn)冰霜，原因何在？

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？

實驗二：冰使水開

將裝入半瓶水的平底燒瓶置于酒精燈上將水燒開，用軟木塞蓋緊倒置，將上述玻璃水槽中的已經(jīng)部分融化的碎冰置于其上，觀察并回答以下問題：

平底燒瓶在加熱過程中為什么可以不用石棉網(wǎng)？

用試管夾夾取燒瓶，為什么要小心？

燒瓶中的水再次沸騰的原因是什么？

實驗三：粗鹽提純

將上述水槽中已完全融化的鹽水進行提純，并回答以下問題：

過濾的目的是什么？需要哪些儀器？操作時要注意哪些問題？

蒸發(fā)的目的是什么？需要哪些儀器？操作時的注意事項有哪些？

實驗三得到的產(chǎn)物——粗鹽，可下次重復(fù)使用，使實驗材料循環(huán)。

上面三個“聯(lián)鎖”實驗，以常見的物品食鹽和水為聯(lián)系主線，前一個實驗是后一個實驗的基礎(chǔ)，很好地將物態(tài)變化等科學(xué)知識及各項實驗技能貫穿其中。這樣的實驗，可以使學(xué)生認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)，獲取日常生活中必須具備的科學(xué)知識和思維能力，凸顯”聯(lián)鎖”實驗中問題、證據(jù)、解釋、評價和表達等技能環(huán)節(jié)的重要性。

2.以科學(xué)概念為主線的“聯(lián)鎖”實驗案例

科學(xué)概念：二氧化碳?xì)怏w的性質(zhì)。

“聯(lián)鎖”實驗：點燃兩支長度不同的蠟燭（相差5 cm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，會有什么現(xiàn)象？

實驗一：用小一點的燒杯罩住點燃的兩支長度不同的蠟燭。

問題：哪一支蠟燭先熄滅？

猜測：可能是什么原因？

觀察：以小組為單位進行操作實驗。

解釋：對觀察到的現(xiàn)象進行合理的解釋。

實驗二：用大的燒杯罩住點燃的兩支長度不同的蠟燭，程序和實驗一相同。

實驗三：將實驗二中的倒置大燒杯杯沿用高約1 cm或2 cm的三個橡皮墊起來，重復(fù)實驗二的步驟，情況又是如何？

針對以上三個“聯(lián)鎖”實驗，請回答：火場逃生時，為什么低伏身體貼近地面，有利于逃生？

上面三個實驗是以二氧化碳的性質(zhì)為聯(lián)系主線進行設(shè)計的，該類“聯(lián)鎖”實驗只改變前一個實驗的一個變量，后一個是前一個的延伸，形成一個系列。采用的學(xué)習(xí)策略是POE（預(yù)測—觀察—解釋），POE基本的程序是：首先設(shè)計某一情景讓學(xué)生進行預(yù)測會有什么現(xiàn)象發(fā)生，要求他們寫下自己的預(yù)測并說明理由；接著通過實際操作讓學(xué)生記錄觀察結(jié)果，如果與預(yù)測的不一樣，讓他們解釋原因。POE教學(xué)策略增強了學(xué)習(xí)活動的指向性與目的性，有助于學(xué)生在原有的知識結(jié)構(gòu)上進行概念建構(gòu)。

3.以固定器材為主線的“聯(lián)鎖”實驗案例

實驗固定器材：平口玻璃杯、能夠蓋住玻璃杯口的薄塑料片、紗網(wǎng)。

“聯(lián)鎖”實驗：覆杯實驗。

覆杯實驗一：將杯子裝滿水，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，塑料片不會掉下來，杯子里的水也不會流出來，為什么？

覆杯實驗二：玻璃杯內(nèi)只有半杯水，甚至只有一點點水鋪在杯底，蓋上薄塑料片，再將杯子翻過來，塑料片會落下來嗎？為什么？如果杯子處于傾斜位置，又會如何？

覆杯實驗三：用紗網(wǎng)（玻璃窗用的）蓋住杯口，杯子中的水不會流出來的原因是什么？將杯子略微傾斜后，杯子中的水為什么又會流出來？

這是與大氣壓有關(guān)的三個簡易“聯(lián)鎖”實驗，其特征是以固定常見器材為主線，雖然涉及的科學(xué)概念較多，但每個后續(xù)實驗，只改變前一個實驗的一個變量，以培養(yǎng)學(xué)生對于單一變量的科學(xué)解釋能力，使用的是矛盾沖突學(xué)習(xí)策略。矛盾沖突學(xué)習(xí)策略是通過讓學(xué)生觀察現(xiàn)象、動手實驗操作等實踐活動來展示矛盾事件，引發(fā)認(rèn)知沖突。

“聯(lián)鎖”實驗的價值

學(xué)習(xí)者解決了一系列經(jīng)過比較、澄清的問題時，才能夠促進學(xué)習(xí)?！奥?lián)鎖”實驗給學(xué)生提供了一個不受時間、空間和材料限制的，有挑戰(zhàn)性、有吸引力的探究環(huán)境。這種實驗在取材上，以學(xué)生身邊的材料、生活中的實驗為主，增強學(xué)生的生活體驗和經(jīng)驗。在內(nèi)容設(shè)計與選擇上，選取的實驗比較生動有趣，實驗器材易于準(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”實驗，使學(xué)生形成一系列相互關(guān)聯(lián)的體驗，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)的知識意義、情感體驗、生命感受與能力品性。

從認(rèn)識論看，“聯(lián)鎖”實驗將學(xué)習(xí)歷程、過程、動作、情感等串聯(lián)起來，是一種跟學(xué)習(xí)活動密切關(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、人格提升、個性張揚，生命活力得以煥發(fā)，生命價值得以提升的過程。

美國心理學(xué)家Noel Tichy提出：對于一個人來說，最理想的狀態(tài)是處于“學(xué)習(xí)區(qū)”（指對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”實驗?zāi)軌蚪o學(xué)生提供具有適當(dāng)挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)平臺，使他們處于“學(xué)習(xí)區(qū)”。

1.“聯(lián)鎖”實驗有助于學(xué)生科學(xué)知識與專業(yè)技能的學(xué)習(xí)

“聯(lián)鎖”實驗關(guān)注學(xué)生的經(jīng)驗是否產(chǎn)生有意義的改變、是否獲得最大的成長等根本問題。在以上列舉的實驗中涉及的基本過程技能有觀察、應(yīng)用時間與空間的關(guān)系、分類、應(yīng)用數(shù)字、測量、傳達、預(yù)測、推理等，涉及的綜合過程技能有提出猜測、使用變量、實驗、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”過程中，能運用科學(xué)研究的程序和方法主動地建構(gòu)科學(xué)知識，體驗和感悟科學(xué)研究基本過程，學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)研究的基本技能和專業(yè)技能。

2.“聯(lián)鎖”實驗有助于學(xué)生理性批判精神的塑造

科學(xué)教育多年來常被詬病的是學(xué)生經(jīng)常只學(xué)到片段的知識，缺乏科學(xué)推理、解釋資料的能力，學(xué)生辨識科學(xué)問題、科學(xué)地解釋現(xiàn)象、運用科學(xué)證據(jù)等不易有客觀的評測要素往往被忽略。在以上列舉的“聯(lián)鎖”實驗中，科學(xué)解釋的建構(gòu)是很重要的一環(huán)，其實質(zhì)是指對自然世界中發(fā)生的事件或現(xiàn)象如何及為何發(fā)生作出說明，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”實驗有助于學(xué)生創(chuàng)意思維能力的提高

“聯(lián)鎖”實驗是一個復(fù)雜的過程，其中的信息流程如圖1所示。

創(chuàng)意思維能力首先來源于主動變換認(rèn)識世界的角度，在“聯(lián)鎖”實驗中，可以讓學(xué)生進行實驗設(shè)計，合理挑戰(zhàn)或發(fā)展已有科學(xué)知識的能力；通過“聯(lián)鎖”實驗中一系列問題的研討來構(gòu)建整個課程，以處理問題、探討問題、解決問題的形態(tài)進行學(xué)習(xí)活動；運用小組合作、班級討論、個人負(fù)責(zé)等方式發(fā)展創(chuàng)意思維。

4.“聯(lián)鎖”實驗有助于學(xué)生社會責(zé)任意識與情感的培育

“聯(lián)鎖”實驗要求用學(xué)生的生活情境鋪設(shè)臺階，實驗情景自然化、實驗內(nèi)容生活化、實驗活動日?；?，在日常生活中找到學(xué)習(xí)科學(xué)的平衡點，關(guān)注生態(tài)、關(guān)注與科技有關(guān)的社會性議題、關(guān)注科學(xué)社群、關(guān)注科學(xué)家形象等，正確對待科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)學(xué)習(xí)和科學(xué)事業(yè)，提升自身的社會責(zé)任意識。

“聯(lián)鎖”實驗設(shè)計的原則

1.寬泛性與簡易性原則

寬泛性要求在研究過程中各種科學(xué)知識主題都要有所涉獵；簡易性要求實驗的成本低，即取材方便、操作簡易，不需要精密的實驗設(shè)備，更不需要煩瑣的操作過程。

2.趣味性與生活性原則

趣味性講求借用“非”實驗物品開展“一物多用、多物一用”時，要有“趣”，要有“味”，設(shè)計的實驗要有進階性；生活性是”聯(lián)鎖”實驗的基礎(chǔ)，用日常生活用品做實驗不受實驗室的限制，在家里也可以做實驗，使學(xué)生感到親切。

3.融合性與自創(chuàng)性原則

融合性講求“聯(lián)鎖”，“聯(lián)鎖”就要融會貫通；自創(chuàng)性要求學(xué)生自己動手、動腦，在“做”中學(xué)，賦予學(xué)習(xí)“自創(chuàng)性”快樂。

4.過程性與體驗性原則

“聯(lián)鎖”實驗強調(diào)過程技能的訓(xùn)練，強調(diào)學(xué)生參與實踐，充分發(fā)揮“聯(lián)鎖”效應(yīng)，在系列實驗中對話、探討、整合，進行深刻反思和體悟，提高遷移能力。

提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是科學(xué)教育的宗旨，我們在“大處著眼”的同時還需要從“小處著手”，這就要求教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會去“實作”。通過“聯(lián)鎖”實驗的開展，可以有效解決為什么“實作”、如何“實作”、“實作”的成效高不高等問題，以期達到“安其學(xué)而親其師，樂其友而信其道”的境地。

本文系江蘇省高等教育教改研究課題“本科層次小學(xué)科學(xué)教師職前培養(yǎng)模式的構(gòu)建”（2015JSJG214）及江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題“本科層次的小學(xué)科學(xué)教師職前培養(yǎng)模式研究”（D/2015/01/121）的研究成果。

南京曉莊學(xué)院教師教育學(xué)院

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