小學自然教學中提升學生實驗設計能力的策略

◎ 沈 嵐

在小學自然的教學中，實驗是學習科學知識和技能的重要方式之一，也是學生解決實際問題的有效方式之一。實驗設計能力是指學生能在分析問題的基礎上，提出猜想與假設，并設計實驗方案、驗證猜想與假設，形成解決問題的能力?！读x務教育小學科學課程標準（2017年版）》對設計實驗的要求是這樣描述的：能基于所學的知識制訂比較完整的探究計劃；初步具備實驗設計的能力和控制變量的意識，并能設計單一變量的實驗方案。無論從實驗設計本身來講，或是課標的要求，以及對學生科學素養(yǎng)的養(yǎng)成，培養(yǎng)學生實驗設計能力都是非常重要的，因為培養(yǎng)學生實驗設計能力是提高教學質(zhì)量、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、提升科學素養(yǎng)的重要途徑。教師需要掌握提高學生實驗設計能力的有效策略，激發(fā)學生實驗設計的興趣，提高實驗設計能力。筆者與教研組全體成員針對日常實驗教學中存在的主要問題進行了分析，并針對這些問題的解決策略進行了實踐研究。

一、日常實驗教學中存在的主要問題

在日常課堂教學中，教師往往把實驗能力的培養(yǎng)等同于單一的實驗操作技能的培養(yǎng)，學生獨立進行實驗設計機會較少，實驗設計能力的培養(yǎng)缺乏一定的系統(tǒng)性，因此普遍存在實驗設計能力不強這一問題，具體表現(xiàn)在以下三個方面。

（一）實驗設計成了“快設計”

實驗設計包括提出問題、作出猜想與假設、制訂計劃、實施計劃、得出結(jié)論、表達與交流等方面，過程長、環(huán)節(jié)多。為了在課內(nèi)獲得知識結(jié)論，完成課堂流程，教師往往要求學生在較短時間內(nèi)完成設計，設計流于形式。學生既沒有充分的思考、交流與討論的時間，又沒有修改與完善方案的機會。

（二）實驗設計成了“假設計”

雖然教師已經(jīng)意識到科學的課堂是由一個個活動、一個個實驗組織起來的，但是在活動設計的過程中缺乏實驗的目標意識，以及對學生高階思維能力的培養(yǎng)意識，往往出現(xiàn)為實驗而實驗的現(xiàn)象。有時做實驗只是為了提起學生的興趣，帶動課堂的氣氛，只要學生動起來就可以了。有的教師認為實驗的設計看上去并不熱鬧、組織起來又費力，因而常常用其他更簡單、易行的方式來代替，這樣一來，自然難以提高學生的實驗設計能力。

（三） 實驗設計成了“白設計”

實驗設計是探究活動的一個組成部分，為實驗證據(jù)搜集和問題解釋等活動做好準備。但是在部分課堂中，教師由于無法完全預設學生的設計，或因為事前準備不夠充分，即使有些學生的實驗設計有探究價值，但是不在教師預設范圍內(nèi)，且無法落實到課前預設的實驗操作中，最后往往采用教師之前已經(jīng)準備好的實驗設計。長此以往，學生會認為自己的設計是無用的，就會對實驗設計產(chǎn)生厭倦、害怕甚至對抗的心理。

二、問題解決策略的實踐研究——以“侵蝕”一課為例

學生實驗設計能力是提高教學質(zhì)量、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、提升科學素養(yǎng)的重要途徑。教師需要掌握提高學生實驗設計能力的有效策略，激發(fā)學生設計實驗的興趣，提高實驗設計能力。

（一）課例的選擇

在小學自然的四大學習領域中，“地球與宇宙”領域下有一個主題是“地球上的巖石”。在學生認識了巖石的組成、性質(zhì)和種類后，教師引申出學生感興趣的探究內(nèi)容，包含：①改變地貌的自然現(xiàn)象——風化、侵蝕與沉積；②各種不同的地形地貌?！扒治g”就是這一主題單元中的一課，探究內(nèi)容是關于各種侵蝕現(xiàn)象。筆者主要從學生感興趣的身邊熟悉的地形切入問題，驅(qū)動學生去探究“風化形成的小碎石去哪里了？”這一問題。根據(jù)課標對小學中高年級的要求，學生通過搜集、交流自然界發(fā)生侵蝕的案例，了解自然因素對地表形態(tài)變化的影響。在前兩節(jié)課的基礎上，學生需要通過對案例的觀察和分析，自己發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象中的問題，并有依據(jù)地提出兩個及兩個以上可驗證的假設，再以小組為單位，自主設計實驗方案、分工并進行模擬實驗，通過分析實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)影響侵蝕程度的因素。學生在搜集資料和模擬實驗的基礎上，認識侵蝕所帶來的危害，設計減少侵蝕的方案，增強保護土壤的責任心和使命感。

（二）實踐的收獲

如何讓學生能充分有效地進行實驗設計，并落實設計內(nèi)容，從而幫助學生掌握設計的方法，提升設計能力？筆者通過課堂觀察、案例分析后，逐漸總結(jié)與提煉出關于實驗設計能力的培養(yǎng)策略。

1.創(chuàng)設問題情境——激發(fā)學生設計實驗的需求

黃河是中國的母親河，它給學生較深刻的印象就是河水呈黃色。而黃河水渾濁的原因是水中攜帶了大量的泥沙，而這些泥沙的產(chǎn)生是由侵蝕造成的。歷史上，黃河發(fā)生過多次改道，給當?shù)氐木用駧砹藶碾y。自然界中這一真實問題與教學內(nèi)容高度契合，因此在執(zhí)教“侵蝕”一課時，筆者選擇了這一真實問題作為課堂的問題情境。

本節(jié)課以黃河流經(jīng)黃土高原前后的兩張對比圖導入，學生通過對比觀察黃河水產(chǎn)生的變化，調(diào)動已學的有關侵蝕的知識解釋黃河水前后發(fā)生變化的原因。筆者考慮到學生對黃土高原還是比較陌生的，因此增加了一些關于黃土高原的圖片和資料，如黃土高原土質(zhì)疏松、降雨量多等。學生綜合分析造成黃土高原水土流失（侵蝕）的主要原因，即疏松的土壤受到雨水的沖刷侵蝕后隨雨水流進黃河。

在黃土高原真實情境的驅(qū)動下，學生興趣被激發(fā)，主動地對問題進行分析。由于情境的鋪墊，學生能調(diào)動與情境相關的知識，并用所掌握的知識解釋情境，從真實情境中發(fā)現(xiàn)問題——如何減少黃土高原的侵蝕現(xiàn)象？從而產(chǎn)生了解決問題的需求。由于是學生自己發(fā)現(xiàn)并提出的問題，因此產(chǎn)生了強烈的想要解決問題的意愿。在課堂觀察記錄中，幾乎所有的學生都表達了需要通過模擬真實情境進行實驗的愿望，為之后的實驗設計打造了良好的課堂氛圍。

2.提供假設依據(jù)——連接課堂與現(xiàn)實的通道

提出假設是實驗設計的關鍵步驟，假設能促進學生進一步思考問題解決的方案。假設是在分析問題的基礎上，針對問題解決的方案提出的猜想，而假設的提出需要一定的知識、事實和經(jīng)驗作為分析與推理的依據(jù)。

例如，本節(jié)課的問題是如何減少黃土高原地區(qū)的水土流失，要解決這個問題，學生需要了解造成侵蝕的因素有哪些，而影響侵蝕程度的因素是什么，等等。為了建立提出假設的基礎，筆者組織學生先后學習了侵蝕的概念，造成侵蝕的因素（流水、風和冰川等）以及影響侵蝕程度的因素（土壤的類型、沉積物顆粒的大小、流水的強度、是否有植被等）。通過一系列的活動和視頻，筆者幫助學生理解上述因素是如何影響侵蝕程度的。經(jīng)過前期的學習積累，學生獲得了有關侵蝕的知識和事實的儲備。通過分析與推理，學生能針對問題提出解決方案，比如有學生提出通過種植植物能夠有效減少侵蝕，有學生提出用石頭或者網(wǎng)覆蓋住土壤，還有學生提出把海水引流到黃土高原以改變土壤的性質(zhì)，等等。

在實施本節(jié)課教學時，筆者還發(fā)現(xiàn)有些學生能結(jié)合自己的生活經(jīng)驗提出假設，比如有學生提出用水泥修筑河堤，這一假設源于日常的生活經(jīng)驗。而學生的生活經(jīng)驗也是作出假設的重要依據(jù)之一。因此，知識、事實和經(jīng)驗是連接現(xiàn)實與課堂的通道，可以讓學生在設計中多一些真實可行，少一點天馬行空。

3.搭建活動支架——提升設計的合理性和有效性

為了幫助學生更好地開展實驗設計活動，筆者設計了相應的實驗記錄表。記錄表包括問題闡述、方案、材料、預測、觀察記錄和得出結(jié)論，以及最后的評一評，并且在每一部分都有相應的提示，以幫助學生快速理解實驗設計環(huán)節(jié)，并參與實驗設計活動。

筆者第一次執(zhí)教“如何減少黃土高原地區(qū)的侵蝕問題？”時，為學生提供的記錄表有兩個部分：一部分是關于方案的選擇和設計及材料的選擇；另一部分是關于驗證過程的記錄表，包含預測、觀察記錄、得出結(jié)論和評一評。其中，預測部分又分為兩條：一是預測流經(jīng)“黃土高原”之后水里的泥土含量是多還是少；二是預測“黃土高原”上剩余的土量是多還是少。在觀察記錄部分為空白表格，筆者希望學生能自主填寫觀察到的現(xiàn)象。而結(jié)論部分除了判斷小組方案是否成功，還需說出理由，如果不成功，需提出改進意見。筆者實施起來發(fā)現(xiàn)此表格的信息量較多，而且部分有重復，因此學生沒有足夠的時間完成此表格。于是在第二次的教學中，筆者對學生記錄表格進行改進，在保留前半部分的前提下，將表格的第二部分與第一部分合并，再確定一個觀察點：流經(jīng)“黃土高原”后的水里的泥沙含量，然后學生完成預測、觀察和結(jié)論，并且將這一部分的內(nèi)容全部設計為以勾選方式完成。表格的呈現(xiàn)形式更加簡單明了，更能體現(xiàn)完整的實驗探究過程。

4.落實實驗設計——在完整的實驗過程中促進學生實驗設計能力的提升

本節(jié)課從提出問題、作出假設、設計實驗方案、搜集證據(jù)、分析交流這一完整實驗探究過程出發(fā)，引導學生完成各個環(huán)節(jié)相應的活動。通過對觀察點的討論，學生在教師引導下搜集實驗現(xiàn)象，并根據(jù)實驗現(xiàn)象的觀察，得出結(jié)論。而當學生有了初步的結(jié)論時，筆者引導學生發(fā)現(xiàn)同一方案小組中不同的學生得出的結(jié)論有沖突，并思考其中的原因，進而提出如何統(tǒng)一這個標準，目的在于引出對比實驗，在此過程中鍛煉學生的對比實驗思維能力。最后，在評一評環(huán)節(jié)中，學生對其他組方案進行評價，通過對各組方案的反思和對比，進一步提升實驗設計的能力。

為了幫助學生把自己的實驗設計落實到實驗操作中，筆者在課前做了充分的準備，比如模擬黃土高原的實驗盒，幫助學生還原真實情境；準備多種類的、充足的模擬材料，讓學生的每一個實驗設計都可以實現(xiàn)，盡可能地保護學生的設計動力。

5.評價實驗方案——促進學生的實驗反思能力

第一次試教“如何減少黃土高原地區(qū)的侵蝕問題？”時，筆者主要關注學生對方案的提出及方案有效性的驗證，關注學生是否經(jīng)歷了完整的實驗探究過程。由于時間的限制，筆者沒有進行其他活動。試教后，筆者發(fā)現(xiàn)學生缺乏對方案的反思，經(jīng)過仔細思考之后，決定設置“評一評”的環(huán)節(jié)，從材料的選擇、搭建方式和改進建議等方面，讓學生對其他組的方案進行評價。

通過課堂觀察，筆者發(fā)現(xiàn)各組之間互相參觀，不僅可以對比各組之間的實驗設計，還能發(fā)現(xiàn)不同的設計方案。在參觀中，學生為其他組寫下自己的看法，并回答他人的提問，這樣的交流反饋也為學生提供了互相評價的平臺，促進學生的評價思維發(fā)展。在評價其他小組方案的過程中，學生能夠反思自己小組方案的有效性和不足之處，認識到同一問題可以有不同的解決方式，進而反思問題解決的過程，促進實驗能力的提升。

三、對優(yōu)化問題解決策略的進一步思考

（一）提供充分設計的時空，發(fā)展學生的分析思維

本節(jié)課中大部分的時間安排提供給了學生進行實驗設計的活動。每一個環(huán)節(jié)或結(jié)合真實情境尋找方法，或提供支架幫助設計，或是討論交流激發(fā)思考。學生看似在做不同的活動，但是每一個活動都是為實驗設計而服務的，活動充分而不會感覺單一枯燥。從實驗目的的提出、對比條件的選擇、變量的控制和材料的選擇，都是學生通過分析綜合思考而來的。在設計過程中，由于對真實情境有足夠的認知，從而能分析得出影響侵蝕程度的條件，成為支撐設計所需的必要條件。提供的設計表格又能作為設計的支架，幫助學生理清實驗路徑，令原本復雜的實驗設計過程變得清晰明確，學生的分析思維也在設計過程中得到了鍛煉。

一節(jié)課的時間是有限的，如何分配探究的時空是一門學問。在科學課堂中，如何為學生的自主學習、發(fā)展科學思維提供充分的時空，是筆者今后優(yōu)化問題解決策略的一個突破口。

（二）開展對實驗設計的評價，發(fā)展學生的評價思維

在學生相互評價之前，筆者對學生進行了簡單引導，但是一部分學生評價的重點僅是關注方案是否有效，給出好或不好的評價，還有一部分學生關注到材料的數(shù)量上。筆者思考原因，可能是在有限的時間內(nèi)學生想要參觀更多的小組方案，基于直觀觀察而得出是否有效的判斷。另外，筆者沒有安排學生對本組設計方案及實驗過程進行介紹，導致參觀的學生沒有全面了解設計意圖和實驗過程，可能也是影響學生評價的因素之一。如果增加參觀時的小組自我介紹環(huán)節(jié)，學生為了介紹清楚自己的設計和實驗，肯定會重新完整地思考自己的實驗設計目標與方案，也是進行了一次自我評價。因此，如何闡述評價要求和安排評價的流程，引導學生在對各組方案充分觀察的基礎上，選擇一個小組給予評價，是筆者今后優(yōu)化問題解決策略的另一個突破口。

培養(yǎng)學生實驗設計能力的手段和方法很多，如果將學生的思維能力、合作能力與操作能力作為切入點，那么在一定程度上可以提升學生的實驗設計能力。