指向科學(xué)核心素養(yǎng)的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

孔力奮

【摘 要】 初中科學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性和理論性都很強(qiáng)的學(xué)科，科學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的重要手段，也是科學(xué)學(xué)習(xí)的重要方法。本文針對初中科學(xué)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)底部框架設(shè)計(jì)，教學(xué)實(shí)施策略，教學(xué)效果達(dá)成等，實(shí)現(xiàn)學(xué)生思維的高階發(fā)展，以提升學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】 初中科學(xué)? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 高階認(rèn)知

一、研究緣起

（一）研究背景

科學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的一種最有效的形式，通過人為控制變量，放大相關(guān)的科學(xué)現(xiàn)象和過程，讓學(xué)生獲得指向明確，現(xiàn)象生動(dòng)、案例典型的實(shí)例，并經(jīng)過分析、歸納等方法抽象出科學(xué)本質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)探究過程中，對于研究者提出了更高層次的高階思維的要求，如創(chuàng)新能力、問題解決的能力、決策能力和批判性能力等。

本人對杭州市中考三年對于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的考察做了統(tǒng)計(jì)，如下表：

從表中可以看出，科學(xué)實(shí)驗(yàn)占比重，逐年遞增，從內(nèi)容看比較分散，囊括了初中三年的諸多知識。深度分析，還是形散神不散的體現(xiàn)，以科學(xué)知識為載體，考察科學(xué)思維，在2019、2020年的32題有了突破，涉及生活實(shí)際應(yīng)用，給出實(shí)際應(yīng)用信息，考查學(xué)生科學(xué)知識在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用，科學(xué)素養(yǎng)指向明確。

（二）教學(xué)困境

1. 實(shí)驗(yàn)無創(chuàng)新 科學(xué)原理不落實(shí)

科學(xué)實(shí)驗(yàn)常見問題：（1） 實(shí)驗(yàn)不易成功;（2） 現(xiàn)象不易觀察;（3） 實(shí)驗(yàn)超課時(shí)長;（4） 教科書上的實(shí)驗(yàn)，都已經(jīng)做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和說明，使學(xué)生失去了科學(xué)探究的大部分過程。常見問題不解決，致使實(shí)驗(yàn)看似已經(jīng)開展，對于學(xué)習(xí)主體而言，得不到預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生思維無發(fā)展。

2. 實(shí)驗(yàn)無指向 科學(xué)思想無突破

教師在教學(xué)中往往根據(jù)教材安排來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，結(jié)果是探究實(shí)驗(yàn)做成了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，將生動(dòng)結(jié)論變成了一種預(yù)設(shè)知識。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)了變成多媒體實(shí)驗(yàn)甚至是黑板實(shí)驗(yàn)，學(xué)生失去了直接的感官刺激，失去了科學(xué)探究的過程教學(xué)。同時(shí)缺乏科學(xué)大概念引領(lǐng)，實(shí)驗(yàn)顯得雜亂;沒有高階思維指向，實(shí)驗(yàn)課顯得無章，失去了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的精髓。

3. 實(shí)驗(yàn)缺反饋 科學(xué)應(yīng)用無實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)無反饋，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)我們教學(xué)者的教學(xué)目的不僅僅是得到預(yù)設(shè)的結(jié)論，更多的是讓學(xué)生通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)，了解科學(xué)探究的過程，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法，學(xué)會(huì)用科學(xué)的思維去解決實(shí)際問題。但是在現(xiàn)實(shí)課堂中，教師對于實(shí)驗(yàn)反饋不夠重視，或者問題設(shè)計(jì)簡單重復(fù)，低價(jià)思維為主，很少體現(xiàn)高階思維，致使學(xué)生所學(xué)得不到落實(shí)。

二、指向科學(xué)素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)策略

科學(xué)教育的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)，科學(xué)核心素養(yǎng)的分析視角有很多，概括起來可以分為科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)思維、核心知識、思想觀念、態(tài)度責(zé)任五個(gè)方面。在科學(xué)教學(xué)中如何從科學(xué)本質(zhì)的核心來認(rèn)識科學(xué)實(shí)驗(yàn)，如何從認(rèn)識規(guī)律的角度來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，如何從思想發(fā)展的視角來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，特提出以下策略：

（一）高階指向，底層設(shè)計(jì)

1. 以學(xué)生認(rèn)知為起點(diǎn)

明確學(xué)生的已有認(rèn)知，是課堂實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。教師需要通過問卷、詢問、中小學(xué)科學(xué)課本對比等方式，識別學(xué)生已有知識儲(chǔ)備。初中生從形象思維向邏輯思維轉(zhuǎn)化，但初中學(xué)生的邏輯思維受前概念影響過大，習(xí)慣從生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，直接進(jìn)行推理規(guī)律，忽視科學(xué)本質(zhì)。因此，為了促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知水平由低階認(rèn)知向高階認(rèn)知的轉(zhuǎn)化，要善于利用學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)支持，提出科學(xué)假設(shè)，鋪設(shè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生對于“新舊認(rèn)知”的碰撞，以達(dá)到科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究目的，因此學(xué)生的認(rèn)知是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)起點(diǎn)。

2. 以科學(xué)大概念為引領(lǐng)

科學(xué)教材的編寫以科學(xué)大概念為頂層引領(lǐng)，教師在進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中，樹立科學(xué)大概念的思想。先進(jìn)行單元主題的設(shè)計(jì)，清楚單元的核心內(nèi)容，明確教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)成，理清各要素之間的關(guān)系。先整體后局部再整體的問題設(shè)計(jì)原則，于更高的高度來處理具體的教學(xué)問題。對照認(rèn)知目標(biāo)分類表，細(xì)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，大概念為小概念指引，小概念為大概念服務(wù)的思想，解決好科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)方法的應(yīng)用，科學(xué)思想的滲透，為促進(jìn)學(xué)生高階認(rèn)知制定具體方法。

3. 以科學(xué)高階思想為指向

高階思維，在布魯姆認(rèn)識教學(xué)分類目標(biāo)中表達(dá)為分析、評價(jià)和創(chuàng)造。在設(shè)計(jì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，應(yīng)以高階認(rèn)知為設(shè)計(jì)導(dǎo)向，根據(jù)前期的分析，對科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)化設(shè)計(jì)，使之適合課堂教學(xué)。在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，從以下幾個(gè)方面做出高階指向：

① 實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)設(shè)計(jì)：以知識為載體，以高階思維發(fā)展為指向，理清教學(xué)內(nèi)容，思考在教授內(nèi)容的同時(shí)可以提升學(xué)生哪些能力。

② 情境設(shè)計(jì)：創(chuàng)設(shè)情境的本質(zhì)，第一種是學(xué)生從來沒有接觸過的新情境，從而激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣及求知欲。第二種是與學(xué)生前概念發(fā)生強(qiáng)烈沖突的情境，通過學(xué)生的分析、評價(jià)、創(chuàng)造，從而改變學(xué)生根深蒂固的觀念。

③ 活動(dòng)設(shè)計(jì)：活動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，注重實(shí)驗(yàn)的深度和廣度及可控程度，即要讓學(xué)生有適當(dāng)?shù)拈_放度，又是可控可操作的。

④ 反饋設(shè)計(jì)：反饋設(shè)計(jì)通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，能否對學(xué)生的認(rèn)知能力有所幫助，能夠提升哪些認(rèn)知能力，通過什么方式提升，如何體現(xiàn)等問題。

（二）技術(shù)利用，顯性設(shè)計(jì)

1. 調(diào)速實(shí)驗(yàn)，明察秋毫

科學(xué)學(xué)習(xí)中的現(xiàn)象觀察，是科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有的實(shí)驗(yàn)由于發(fā)生時(shí)間短或者實(shí)驗(yàn)時(shí)間長，學(xué)生無法在課堂中有客觀的觀察。單憑教師的講，無法讓學(xué)生信服，影響了學(xué)生構(gòu)建模型的形象體驗(yàn)?？梢酝ㄟ^現(xiàn)有視頻手段，調(diào)慢或者調(diào)快實(shí)驗(yàn)過程，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，學(xué)生在觀察中可以明察秋毫。可以讓學(xué)生增加感知，實(shí)現(xiàn)概念認(rèn)知功能即對其他研究對象的認(rèn)知發(fā)展功能;有利于學(xué)生的學(xué)生知識的遷移，構(gòu)建認(rèn)知結(jié)構(gòu)推動(dòng)高階思維的發(fā)展。

2. 對比實(shí)驗(yàn)，一目了然

對比實(shí)驗(yàn)指設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的實(shí)驗(yàn)組，通過對結(jié)果的比較分析，來探究各種因素與實(shí)驗(yàn)對象的關(guān)系，這樣的實(shí)驗(yàn)稱為對比實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過比實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生對于控制變量法的理解，并提升實(shí)際問題的分析能力。對比實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)還有現(xiàn)象更加明顯，這里所指的對比實(shí)驗(yàn)，最主要的能構(gòu)建出同時(shí)段的對比實(shí)驗(yàn)，對于前后對比的實(shí)驗(yàn)，對于學(xué)生而言，這類前后對比的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象不夠明顯，學(xué)生不容易捕捉關(guān)鍵信息，應(yīng)做平行展示，使現(xiàn)象一目了然。

3. 數(shù)字實(shí)驗(yàn)，清晰可見

課堂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)常常還會(huì)遇到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器無法準(zhǔn)確、直觀地表示出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的情況發(fā)生。致使學(xué)生認(rèn)知的過程缺乏形象具體的認(rèn)識主體，導(dǎo)致大腦在處理信息時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤的判斷。所以我們在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方向的選擇上，需要將形象直觀視為基本要求，用定量實(shí)驗(yàn)來替代定性實(shí)驗(yàn)，用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來替代模擬實(shí)驗(yàn)?？梢远嗔私庖恍┈F(xiàn)代科技所帶來的一些應(yīng)用，比如傳感器的實(shí)際應(yīng)用。方便學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出準(zhǔn)確的判斷

（三）反饋巧設(shè)，深度設(shè)計(jì)

課堂實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)反饋是其重要一環(huán)，科學(xué)反饋的形式是多樣的，可以是試題反饋、生活用品分析、生活實(shí)際設(shè)計(jì)，科學(xué)最終的目的是改造我們的生活。好的課堂反饋，有利于教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知問題，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法;有利于學(xué)生的認(rèn)知鞏固與遷移，構(gòu)建認(rèn)知結(jié)構(gòu)推動(dòng)高階思維的發(fā)展。

1. 明原理，分析強(qiáng)

實(shí)驗(yàn)原理是科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可以實(shí)施不同的實(shí)驗(yàn)方法來達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。因此在?shí)驗(yàn)反饋中，教師應(yīng)該依據(jù)具體實(shí)驗(yàn)，利用辨別、區(qū)分、集中、選擇、整合、分解、概述、構(gòu)造等行為動(dòng)詞，來提升學(xué)生的分析能力，設(shè)計(jì)適合的問題，并對反饋答案進(jìn)行群體討論，普遍問題集中解決、個(gè)別問題組內(nèi)解決的方式。幫助學(xué)生鞏固所學(xué)，引領(lǐng)學(xué)生知識的遷移，逐步構(gòu)建出高階的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，推動(dòng)高階思維的發(fā)展。

2. 設(shè)錯(cuò)誤，評價(jià)深

對于學(xué)生容易犯錯(cuò)的易錯(cuò)點(diǎn)，可以預(yù)設(shè)錯(cuò)誤，引導(dǎo)學(xué)生犯錯(cuò)，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)自然情境，順應(yīng)出錯(cuò)誤;帶領(lǐng)學(xué)生思錯(cuò)，追述本源，辨析錯(cuò)誤的根源;反思糾錯(cuò)：重構(gòu)思維，理清正解。通過問題重構(gòu)科學(xué)探究的思維過程，引發(fā)科學(xué)的求知欲，讓學(xué)生體驗(yàn)問題解決過程的科學(xué)思維和科學(xué)方法，突破思維難點(diǎn)。

3. 畫設(shè)計(jì)，創(chuàng)造活

科學(xué)探究是逐步進(jìn)步的過程，對于儀器的選擇、變量的統(tǒng)一等，并不是一步而就。因此我們在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中必須尊重學(xué)生的認(rèn)知過程，讓學(xué)生參與我們的實(shí)驗(yàn)課堂，參與實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與操作，基于實(shí)驗(yàn)課堂的時(shí)間與器材限制，在條件不允許時(shí)，通過“思維實(shí)驗(yàn)”為有效補(bǔ)充，可以通過學(xué)生的“畫”來進(jìn)行有效突破，產(chǎn)生問題、解決問題;產(chǎn)生新問題、解決新問題這樣螺旋上升的反饋問題設(shè)計(jì)來培養(yǎng)學(xué)生的提問能力、解決問題能力和知識遷移能力。

三、教學(xué)展望與建議

實(shí)驗(yàn)是科學(xué)的源頭。正如美國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家丁肇中說：“所有的自然科學(xué)都是實(shí)驗(yàn)科學(xué)。再好的理論如果與實(shí)驗(yàn)不相符，那么理論就不存在。實(shí)驗(yàn)可以推翻理論，而理論永遠(yuǎn)無法推翻實(shí)驗(yàn)?！北疚募耐谝詫W(xué)生認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)為基礎(chǔ)，明確已有認(rèn)知結(jié)構(gòu);以科學(xué)大觀念為頂層引領(lǐng)，以單元主題設(shè)計(jì)導(dǎo)向;以具體教學(xué)內(nèi)容為載體，做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析;以高階認(rèn)知為指向，推動(dòng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的設(shè)立，實(shí)驗(yàn)過程的突破，實(shí)驗(yàn)成效的反饋，以真正達(dá)到螺旋上升、層層遞進(jìn)、促進(jìn)學(xué)生的高階認(rèn)知的發(fā)展的教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。在實(shí)際的教學(xué)過程中，隨著技術(shù)的進(jìn)步和思想的解放，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更是應(yīng)該動(dòng)態(tài)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 王耀村.初中科學(xué)教學(xué)案例專題研究[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2001，10.

[2] 劉東輝.基于學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)的科學(xué)教學(xué)[M].杭州：寧波出版社.2013，11.

[3] 鄭青岳.科學(xué)教育講演錄[M].杭州：浙江教育出版社，2015，11.