優(yōu)化科學(xué)實驗，提高課堂教學(xué)的有效性

蔣亞麗

摘 要：實驗是科學(xué)學(xué)科的突出特點(diǎn)，實驗開展的成功性將直接影響課堂教學(xué)的有效性。根據(jù)科學(xué)教材編寫的特點(diǎn)及學(xué)生的實際學(xué)情，提出優(yōu)化科學(xué)實驗，提高科學(xué)課堂教學(xué)有效性的論點(diǎn)，分別從優(yōu)化科學(xué)實驗，幫助學(xué)生構(gòu)建科學(xué)概念、理解學(xué)習(xí)難點(diǎn)、培養(yǎng)探究素養(yǎng)三個層次闡述優(yōu)化科學(xué)實驗對推動科學(xué)課堂教學(xué)有效性的積極作用。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化;科學(xué)實驗;有效性

一、問題的提出與現(xiàn)狀分析

實驗是科學(xué)課堂教學(xué)的重要手段，也是科學(xué)課堂教學(xué)的重要內(nèi)容。教材中為學(xué)生安排了許多的演示實驗、學(xué)生實驗，一方面通過這些實驗幫助學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識，提高探究素養(yǎng)，另一方面也是提高課堂有效性的重要保障。然而在實際的科學(xué)教學(xué)中并不是每個實驗都能達(dá)到編者的設(shè)計意圖。主要原因有以下兩個方面：

第一：部分實驗設(shè)計可操作性難度較大。例如，在探究影響摩擦力大小因素中，操作要求手拉彈簧測力計沿水平方向勻速直線拉動，這樣才能保證木塊所受的拉力等于摩擦力。但在實際的操作中學(xué)生很難做到水平勻速直線運(yùn)動。因此，按此實驗操作不僅浪費(fèi)課堂時間，而且也得不到正確的結(jié)論。

第二：部分實驗設(shè)計超出學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)。例如：在認(rèn)識摩擦力方向教學(xué)中，對學(xué)生的抽象思維能力要求較高，而教材只給出了一張人走路時腳底受摩擦力的方向的圖片。又如，理解“風(fēng)”的形成，書本也只有一張圖片，缺少可操作性的實驗讓學(xué)生體驗。由于七年級學(xué)生處于形象思維向抽象思維過渡的階段，僅靠書本中幾幅靜態(tài)圖片讓學(xué)生理解相應(yīng)的科學(xué)知識確實超出了學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)。

由于以上原因?qū)е陆滩闹胁糠謱嶒灢荒艹浞职l(fā)揮應(yīng)有的作用，因此一線的教師必須對這些實驗進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，以提高科學(xué)課堂教學(xué)的有效性。

二、優(yōu)化科學(xué)實驗的實施策略

（一）優(yōu)化科學(xué)實驗，幫助學(xué)生構(gòu)建科學(xué)概念

1.借助優(yōu)化實驗幫助學(xué)生建構(gòu)正確的科學(xué)概念

例如認(rèn)識“風(fēng)”的形成原因。雖然“風(fēng)”很常見，可真要學(xué)生說明白，很多學(xué)生又支支吾吾說不明白。其實是由于空氣不可見，教材中又缺少能讓學(xué)生體驗的實驗，因此不少學(xué)生對“風(fēng)”的形成原因還是存在疑惑。為此，結(jié)合學(xué)生的疑惑設(shè)計了如下的優(yōu)化實驗。

讓學(xué)生利用所給的蠟燭、玻璃管、橡皮塞、玻璃板和大塑料管進(jìn)行小組實驗探究。很快學(xué)生將裝置組裝好，并把橡皮塞塞入玻璃管口，接著將蠟燭點(diǎn)燃，再把裝置罩在蠟燭上，觀察到蠟燭火焰穩(wěn)定（如圖1）。一段時間后將橡皮塞打開，學(xué)生驚訝地看到蠟燭火焰向左偏轉(zhuǎn)，興奮地叫道：“有風(fēng)了，有風(fēng)了……”（如圖2）借此向?qū)W生提問為什么蠟燭火焰形狀會發(fā)生改變。學(xué)生很快地答道：“空氣從右往左運(yùn)動形成了‘風(fēng)使火焰向左擺動。”繼續(xù)追問：“那么現(xiàn)在你們能再解釋一下為什么會形成‘風(fēng)嗎？”學(xué)生一下子又啞口無言了，接著讓學(xué)生繼續(xù)做一個對照實驗。用一支沒有點(diǎn)燃的蠟燭重復(fù)上述實驗，并感受是否有“風(fēng)”形成。學(xué)生很快聯(lián)想到用熱對流原理解釋：蠟燭點(diǎn)燃，溫度升高，空氣上升，左邊管內(nèi)形成一個低壓區(qū)。右邊管口附近處空氣溫度不變，氣壓不變，與左邊管內(nèi)相比形成一個相對高壓區(qū)。當(dāng)橡皮塞打開時，空氣從右側(cè)（高壓區(qū)）流向裝置內(nèi)（低壓區(qū)），從而形成了“風(fēng)”（如圖3）。至此學(xué)生心中的疑惑解開，并建立了“風(fēng)”的正確概念。

通過優(yōu)化后的模擬實驗，將風(fēng)的形成過程轉(zhuǎn)化為看得見的實驗現(xiàn)象。學(xué)生親身體驗，不僅感受了風(fēng)的形成，而且較好地理解了抽象的概念，提高了課堂教學(xué)的有效性。

2.借助優(yōu)化實驗糾正學(xué)生對科學(xué)概念的錯誤認(rèn)識

九年級“研究杠桿平衡”這一實驗（如圖4）：鉤碼始終豎直向下與杠桿保持垂直。實驗?zāi)艿玫紽1L1=F2L2這一規(guī)律，但是會使學(xué)生對杠桿力臂概念產(chǎn)生誤解。經(jīng)過該實驗，部分學(xué)生將力臂的概念從支點(diǎn)到力作用線的距離錯誤地等同于支點(diǎn)到力作用點(diǎn)的距離。為此在課堂中給學(xué)生設(shè)計了圖5的改進(jìn)實驗，將杠桿支點(diǎn)定在各同心圓的圓心處，相鄰的兩個圓半徑相差10 cm。在完成科學(xué)課本“研究杠桿平衡”這一實驗后，增加“研究杠桿力臂”的實驗。步驟如下：（1）調(diào)節(jié)杠桿平衡。（2）在杠桿右側(cè)力臂30 cm處掛上2個50 g的鉤碼，左側(cè)在同樣力臂處用彈簧測力計豎直向下拉（即沿30 cm半徑的圓的切線方向向下拉），待杠桿再次平衡，讀出拉力大小。將彈簧測力計拉力的方向改變，待杠桿平衡，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)也改變。（3）彈簧測力計拉力的方向改為沿20 cm半徑的圓的切線方向和沿10 cm半徑的圓的切線方向，記錄此時測力計的讀數(shù)。根據(jù)F1L1=F2L2，計算此時動力臂數(shù)值。（4）比較實驗中得出的動力臂大小，尋找規(guī)律（見下表）

通過對比學(xué)生發(fā)現(xiàn)計算所得力臂大小與實際測得的大小相等，從而得到動力臂大小恰好與拉力方向所切圓的半徑相等（如圖6）。通過優(yōu)化后的實驗?zāi)軒椭鷮W(xué)生區(qū)分支點(diǎn)到力作用線的距離與支點(diǎn)到力作用點(diǎn)的距離是不同的，使學(xué)生更好地理解力臂概念。

科學(xué)概念教學(xué)通常是一堂課的首要教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生對概念認(rèn)識的深度將對后期學(xué)習(xí)產(chǎn)生重要影響。通過優(yōu)化實驗將抽象的概念形象化不僅可以幫助學(xué)生構(gòu)建正確的概念，而且有助于提高課堂教學(xué)的有效性，也為學(xué)生后期學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

（二）優(yōu)化科學(xué)實驗，幫助學(xué)生突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)

科學(xué)課堂教學(xué)有不少的難點(diǎn)需要突破，有些難點(diǎn)教材給了大篇幅的文字、圖片及可操作的實驗，多途徑幫助學(xué)生理解難點(diǎn)。然而也有一些難點(diǎn)教材給了較少的文字及圖片，或所給的實驗操作性不強(qiáng)，所以學(xué)生僅憑這些很難理解難點(diǎn)。在此需要教師優(yōu)化實驗，幫助學(xué)生消除疑惑，從而提高課堂教學(xué)的有效性。

1.借助優(yōu)化實驗幫助學(xué)生認(rèn)識難點(diǎn)過程

例如探究人體呼吸運(yùn)動過程。教材中對這塊內(nèi)容只有一個模擬實驗（如圖7），學(xué)生通過此模擬實驗?zāi)芾斫馕鼩夂秃魵膺^程中胸腔體積的變化，卻無法認(rèn)識引起胸腔體積變化的原因。為此，設(shè)計了改進(jìn)實驗，用塑料片模擬胸骨，塑料條模擬肋骨，彈性繩模擬肋間肌。模擬吸氣過程：用力向上推動模型，發(fā)現(xiàn)模擬肋間肌的彈性線的長度變化，體現(xiàn)肌肉的收縮與舒張，發(fā)現(xiàn)肋間外肌的線長度在變短，肋間內(nèi)肌的線長度在變長，因此說明肋間外肌是收縮，肋間內(nèi)肌是舒張。同時看到肋骨在向上、向外運(yùn)動，還可以觀察到整個肋骨容納的體積范圍在增大，說明胸腔內(nèi)部體積增大。通過優(yōu)化實驗使學(xué)生清楚地看到吸氣過程由于肋間外肌收縮，肋間內(nèi)肌舒張肋骨向上、向外移動導(dǎo)致腔內(nèi)體積變大，氣壓減小，則外界空氣壓入體內(nèi)。（模擬呼氣過程：用力向下推動模型出現(xiàn)相反的現(xiàn)象）

平時在本節(jié)課中關(guān)于呼吸時肋間肌的收縮、舒張以及肋骨運(yùn)動情況，教師普遍都是直接傳授，由于學(xué)生看不到變化過程，對此難點(diǎn)只能死記硬背，時間一久學(xué)生記憶效果甚微。因此，這個模型比較好地解決了這個問題，通過移動模型，以測量彈性線在運(yùn)動中的長短變化來模擬肌肉的收縮和舒張情況，同時可以觀察肋骨的移動過程并感受胸腔體積的變化。把學(xué)生難以觀察的難點(diǎn)過程充分展現(xiàn)出來，從而有助于學(xué)生認(rèn)識并掌握這個難點(diǎn)過程，提高課堂教學(xué)的有效性。

2.借助優(yōu)化實驗幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)難點(diǎn)

例如摩擦力難點(diǎn)問題研究。在摩擦力的學(xué)習(xí)中首先要讓學(xué)生感受摩擦力的存在及方向，而學(xué)生在判斷摩擦力方向時常常會遇到問題。雖然教師多次強(qiáng)調(diào)摩擦力的方向和物體運(yùn)動方向或運(yùn)動趨勢相反，但由于書本僅提供一張人走路的圖片，因此學(xué)生還是很難理解。筆者由刷牙時牙刷的彎曲形態(tài)聯(lián)想到：在學(xué)生的腳下綁上兩把毛刷，讓學(xué)生踩著毛刷走路。通過真實的體驗及觀察毛刷上毛的彎曲方向，學(xué)生就能判斷走路時兩腳摩擦力的方向。類似的方法還能幫助學(xué)生理解自行車勻速行進(jìn)及滑行狀態(tài)時的摩擦力方向（如圖9）。用海綿制作成輪子，根據(jù)車子行進(jìn)時海綿的彎曲方向來間接指示摩擦力的方向，更加直觀地讓學(xué)生看到并感受到摩擦力的方向，有助于學(xué)生的理解。

根據(jù)科學(xué)教材的特點(diǎn)及學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況制作該套教具，將課本靜態(tài)的圖片及文字轉(zhuǎn)換為動態(tài)、直觀的實驗現(xiàn)象。通過直觀感受形成抽象思維，從而幫助學(xué)生解答疑惑。

摩擦力中難點(diǎn)問題還有“探究滑動摩擦力的大小與什么因素有關(guān)”。筆者提前布置給學(xué)生，讓學(xué)生充分想象可能存在的因素。學(xué)生可能會猜到與壓力大小、接觸面粗糙程度有關(guān)。課堂上積極引導(dǎo)學(xué)生探究：能否用實驗來判斷我們的猜想？然后把學(xué)生分成4人一組，在課桌上放上大量的實驗器材，讓他們自己設(shè)計實驗并動手實踐。

大多學(xué)生都按（圖10）教材中的方法進(jìn)行了實驗嘗試，在體驗活動中發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生雖然知道彈簧測力計拉木塊時要求沿水平方向勻速運(yùn)動，但在實際操作中他們發(fā)現(xiàn)了問題：手拉木塊很難保持勻速直線運(yùn)動及運(yùn)動中的彈簧測力計不便讀數(shù)。因此針對這兩個問題引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)利用所給器材進(jìn)行改進(jìn)（如圖11）。將運(yùn)動中的測力計改為固定在墻上，同時將原來拉木塊改為拉動木板，使木塊相對木板運(yùn)動，待測力計示數(shù)穩(wěn)定后讀數(shù)。由二力平衡可知此時木塊所受摩擦力等于彈簧測力計的拉力。優(yōu)化后的實驗操作要求降低（只要拉動木板即可，不需要保持勻速運(yùn)動），這樣學(xué)生就能很好地完成實驗并得到正確的結(jié)論，從而提高課堂教學(xué)的有效性。

類似的例子還有許多，通過教師靈活地優(yōu)化實驗，化難為易，為提高課堂教學(xué)有效性并幫助學(xué)生學(xué)好科學(xué)做好鋪墊。

（三）優(yōu)化科學(xué)實驗，創(chuàng)設(shè)科學(xué)史情境，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)

探究素養(yǎng)主要體現(xiàn)在兩方面：一方面是學(xué)生實際情景中運(yùn)用科學(xué)知識、方法解決實際問題所體現(xiàn)出的探究能力，另一方面是在探究過程中所體現(xiàn)出的探究精神。探究素養(yǎng)的培養(yǎng)離不開情境，課堂教學(xué)中借助科學(xué)發(fā)現(xiàn)史創(chuàng)設(shè)真實的探究情境將有助于培養(yǎng)學(xué)生的探究素養(yǎng)，提高課堂教學(xué)的有效性。

例如大氣壓教學(xué)中教材也安排了較豐富的實驗，筆者進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，使實驗依據(jù)科學(xué)發(fā)現(xiàn)史逐個呈現(xiàn)，讓學(xué)生粗略體驗大氣壓的發(fā)現(xiàn)過程。

教學(xué)片段一：聚焦問題

教師：生活中有“水往高處流”的例子嗎？

生1：吸牛奶、抽水機(jī)。

教師：其實早在公元前兩百多年，聰明的人類就發(fā)明了一種最原始的活塞式水泵，其結(jié)構(gòu)圖參考如下（圖12）。先請同學(xué)來感受一下水往高處流的“抽水機(jī)”，并提出你想解決的問題。

生2演示實驗，并提出問題“水為什么會往上運(yùn)動？”

學(xué)生3的猜想：水是被上面的真空吸上去的。

學(xué)生4的猜想：水是被一股力推上去的。

設(shè)計意圖：通過出示瀑布的照片，引出水往低處流的話題。接著提問“水往高處流”的例子有嗎？然后進(jìn)行演示實驗：“活塞式抽水機(jī)”的實物模型，讓學(xué)生體驗其工作的過程，引出對“水是被什么提上來的？”這一問題的猜想。問題的設(shè)計指向大氣壓強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)史，科學(xué)家首先引發(fā)的是對當(dāng)時工業(yè)“活塞式抽水機(jī)”原理的思考，因此本節(jié)課的第一個環(huán)節(jié)，聚焦生活中常見的抽水機(jī)，讓學(xué)生在體驗抽水機(jī)的工作時，引發(fā)一系列的思考，從而建立最樸素的、源于自身的猜想。

教學(xué)片段二：示證發(fā)現(xiàn)

亞里士多德的觀點(diǎn)：世界上不允許真空的存在。事實果真如此嗎？

教師：同學(xué)3的猜想，與當(dāng)時著名的科學(xué)家亞里士多德不謀而合，他也認(rèn)為水上升的原因是水的上方是真空的，而大自然似乎不允許真空的存在。如果亞里士多德的觀點(diǎn)是正確的，請問如何讓燒杯中的水流到這根一米長的玻璃管里面？

生1：抽掉玻璃管上方的空氣。

教師演示：用洗耳球?qū)⒉ＡЧ苌戏降目諝獬榈?，紅墨水慢慢上升，直至玻璃管的最頂端。如果玻璃管足夠長，紅墨水還能繼續(xù)上升嗎？

生2：能。

教師：讓我們來看看當(dāng)時的人們，他們收集到的證據(jù)。

證據(jù)：視頻（水泵抽水，水只能被抽到約十米高。）

教師：現(xiàn)在你還覺得上述的猜想正確嗎？為什么？

生3：不正確，因為依據(jù)亞里士多德的猜想，那水可以被抽到無限高處。預(yù)期實驗現(xiàn)象與事實不符合，所以不正確。

教師：那當(dāng)你收集的證據(jù)不支持你的猜想的時候，你應(yīng)該采取怎樣的措施？

生4：推翻原來的猜想，建立新的猜想。

設(shè)計意圖：通過幾個簡單實驗的組合，為學(xué)生重現(xiàn)科學(xué)家探究的過程，讓學(xué)生在歷史背景中了解大氣壓強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)以及演變過程。

教學(xué)片段三：獲取結(jié)論

經(jīng)典實驗重現(xiàn)：“托里拆利實驗”

教師：托里拆利選用了水銀作為實驗的材料而不是水，你覺得有何優(yōu)勢？

生1：ρ水銀>ρ水，那么液柱的高度低。

教師：那你覺得“使水銀柱不下落的外力是什么？”

生2：是來自外界的一種力，這種力是大氣產(chǎn)生的。

教師總結(jié)并板書：大氣產(chǎn)生的壓力簡稱大氣壓。大氣壓的大小和什么因素有關(guān)呢？（閱讀科學(xué)家帕斯卡的有關(guān)事跡）

生3：氣壓的變化與天氣變化有關(guān)。

教師：為什么水銀柱不能充滿整個管子？

生4：大氣壓強(qiáng)是有一定大小的。

教師：大氣壓強(qiáng)究竟有多大呢？

演示實驗：教師將2個半球合攏后接著輕輕一拉，半球就被拉開了。提問：為什么大氣壓沒有把它們壓住呢？

學(xué)生5：因為里面也有大氣壓。

教師：那我們把里面的空氣抽完再嘗試一下。

請兩個學(xué)生配合完成半球的抽氣實驗，然后再用力往兩邊拉，發(fā)現(xiàn)很難拉開。借此實驗筆者介紹歷史上的馬德堡半球?qū)嶒灥挠蓙怼?/p>

探究素養(yǎng)不僅是科學(xué)考試的重要內(nèi)容，更是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的核心內(nèi)容，在科學(xué)課堂教學(xué)中積極聯(lián)系科學(xué)發(fā)展史開展優(yōu)化實驗，將有助于提升學(xué)生的探究素養(yǎng)，提高課堂教學(xué)的有效性。

三、成效

課堂是學(xué)生學(xué)習(xí)的主陣地，課堂教學(xué)的有效性主要體現(xiàn)在學(xué)生對科學(xué)知識的認(rèn)知、理解和掌握程度以及探究素養(yǎng)的培養(yǎng)方面。優(yōu)化實驗是依據(jù)學(xué)科的特點(diǎn)，從教材和學(xué)生的實際學(xué)情出發(fā)，著眼于解決學(xué)生的問題。經(jīng)過近三年的實踐也取得了一定的成效，本屆學(xué)生對科學(xué)知識掌握較往屆學(xué)生更扎實，學(xué)習(xí)的難點(diǎn)問題也能更好地解決，科學(xué)探究素養(yǎng)也得到較好的培養(yǎng)。多年的實踐證實優(yōu)化科學(xué)實驗是提高課堂教學(xué)有效性的一條正確道路。筆者認(rèn)為一線教師應(yīng)充分利用科學(xué)注重實驗的學(xué)科特性，積極優(yōu)化實驗，使每個實驗為提高課堂有效性發(fā)揮最大的作用。

隨著教學(xué)改革的不斷推進(jìn)，教學(xué)技術(shù)的不斷更新，創(chuàng)新精神的不斷融入，科學(xué)實驗的優(yōu)化還會有更大的發(fā)展空間。不斷地創(chuàng)新優(yōu)化實驗，提高科學(xué)課堂教學(xué)的有效性將會成為每位一線教師永不停止的追求。

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編輯 馮志強(qiáng)