基于實驗方法設計的項目式學習實踐

張濤 李繼良 王薇

摘要：以“自制泡泡液”為主題開展初中科學探究的教學活動;學生通過完成認識泡泡液中的三種成分、利用全面實驗法探究物質(zhì)種類對泡泡效果的影響和利用正交試驗設計探究泡泡液成分比例對起泡效果的影響三個項目任務，認識了科學探究的過程要素：提出問題、猜想假設、設計實驗、進行實驗、檢驗評價、表達交流，學習了全面實驗法、單因素輪換法、正交試驗設計等科學實驗設計方法，體驗了科學研究的嚴謹性和有用性，發(fā)展了科學探究的素養(yǎng)，培養(yǎng)了創(chuàng)新精神和實踐能力。

關鍵詞：泡泡液;正交試驗設計;單因素輪換法;項目式學習

文章編號：1008-0546（2022）06-0084-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.00.019

目前化學實驗教學更多是知識、技能層面，例如認識儀器名稱、掌握基本操作、學會觀察和描述現(xiàn)象、分析實驗現(xiàn)象……也有研究側(cè)重科學方法介紹[1]，而運用項目活動設計理念，在實際問題解決中滲透科學方法應用很少引起師生的共同關注?？茖W方法是人們在認識和改造客觀世界的實踐活動中總結(jié)出來的正確的思維方法和行為方式，在學習和研究中，科學方法被視為產(chǎn)生知識的“知識”[2]。在教學中注重科學方法的教學，可使學生的思路變得更開闊、更敏捷，解決問題的手段也變得更多、更靈活。本課題以“自制泡泡液”為主題展開實驗方法設計的項目式學習實踐。

一、項目主題內(nèi)容分析

本項目以學生所喜愛的泡泡液為主題，運用初中重要的全面實驗法探究物質(zhì)種類對泡泡液起泡效果的影響。學生經(jīng)歷制定計劃、設計實驗、觀察與實驗、獲取事實與證據(jù)、表達與交流等科學探究過程。當實驗水平變多時，學生能夠發(fā)現(xiàn)全面實驗法和單因素輪換法的局限性，從而提出假設和猜想、設計方案解決實驗選點問題，自主探究適用于多因素、多水平的正交試驗設計。這個過程能夠幫助學生形成真實情境中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的思路，領悟科學探究的思想，培養(yǎng)學生進行科學探究所需要的能力，增進對科學探究方法與過程的理解。

二、項目教學目標

（1）通過全面實驗法探究物質(zhì)種類對泡泡液效果的影響，讓學生感受全面實驗法的科學性和有效性。在解決實驗水平增多問題的過程中，感受全面實驗法的局限性。從而培養(yǎng)學生用發(fā)展的眼光辯證地看待事物的科學態(tài)度。

（2）通過閱讀資料，初步學習單因素輪換法，分析其優(yōu)缺點。然后學生利用3x3模型親自動手粘貼試驗點，感受單因素輪換法在選點方面的不合理性。通過小組活動解決選點的問題，學生自主探究正交試驗設計，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、獲取信息和手腦并用解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和實踐能力，增進學生對科學研究方法的認識和理解。

（3）通過每一個任務中的小組合作，提升學生與人交流合作的能力，形成尊重別人勞動成果，培養(yǎng)傾聽別人意見的習慣。在小組合作中，每個人分工明確，使學生認識到小組的成員在探究嘗試中各有所長，知識和技能可以互補，通過這些活動培養(yǎng)學生的協(xié)作精神。

三、項目任務及教學流程

見表1。

四、項目實施過程及學生學習成果

以第3課時為例呈現(xiàn)項目活動過程中師生的具體行為表現(xiàn)。

1.發(fā)現(xiàn)全面實驗法的問題

【情境創(chuàng)設】上一節(jié)課我們確定了配制泡泡液的三種物質(zhì)分別為：洗發(fā)水、甘油和茶水。今天我們探究這三種物質(zhì)的最佳配比。注意，這節(jié)課每個實驗因素我們設定三個實驗水平（見表2）。

【項目任務】請用上一節(jié)課的實驗法設計今天的實驗表格。然后小組討論如果實驗因素再增加一個水平，將需要進行幾個實驗？目前的實驗方法存在什么不足？有何對策？

【學生4人一小組先獨立思考，填寫學案（實驗方案見表3），然后小組討論和匯報交流】

【學生觀點】3因素3水平實驗需要做的實驗次數(shù)是33，即27個。每個因素再增加一個實驗水平，需要做的實驗次數(shù)是43，就是64個。實驗次數(shù)有點兒多。

【學生觀點2】如果實驗水平再增加，需要進行的實驗數(shù)量驚人。如果能夠像做調(diào)查問卷一樣，挑選一部分人作樣本進行調(diào)查會比較高效、快速。

【學生觀點3】如果不把所有實驗做一遍，那么選做的實驗就要具有代表性。

【教師點評】同學們分析得很好！我們之前所用的實驗方法叫做全面實驗法，這種方法的科學性和準確性是毋庸置疑的。但是，當實驗因素變多、實驗水平增加時，實驗量成指數(shù)倍數(shù)增長。因此，如何選擇具有代表性的點進行實驗是我們要解決的問題。請大家閱讀資料1，然后請同學給我們介紹單因素輪換法，并分析一下這種實驗方法的優(yōu)缺點。

2.“手腦并用”認識單因素輪換法和正交試驗設計

【學生觀點1】單因素輪換法就是先控制三個因素中的兩個因素，讓另外一個因素發(fā)生改變，從中挑出該因素的最佳水平。比如例題先控制B1和C1不變，讓A改變，從而比較出A3是A因素的最佳水平。然后控制A3和Ci不變，改變B，對比發(fā)現(xiàn)B2最佳。最后確定A3和B2不變，讓C改變。最后得出最佳的一個組合應該是：A382C2。

【學生觀點2】單因素輪換法的優(yōu)點是：將27個實驗數(shù)量減少到9個，而且有一定的科學性。但是如果最佳的選項不在一開始就確定在B1C1中，那么得出來的結(jié)果就不是最佳的選擇。

【教師介紹模型】為了讓大家更清楚地認識單因素輪換法，老師給大家準備了一個3x3的立方體小球模型。我們用垂直的、豎著的三個面從左到右分別表示A1、A2、A3。用水平的三個面從下到上分別表示B1、B2、B3。用垂直的、橫著的三個面從前到后分別表示C1、C2、C3。請同學們用便簽紙標出剛才我們用單因素輪換法涉及到的實驗點。小組活動后討論你對單因素輪換法有什么新的認識。

【學生小組活動后進行匯報】單因素輪換法的實驗點（如圖2所示）完全分布在一個角上，而在一個很大的范圍內(nèi)沒有選點，選點代表性很差。因此這種實驗方法有缺陷，所選的A382C2不一定是27個組合中最好的。

【教師追問，布置新任務】如何從全面實驗的點中選擇具有典型性、代表性的點，使實驗點在實驗范圍內(nèi)分布得很均勻，能反映全面情況呢？請同學們將模型中的便簽紙撕下來，重新選點然后說說你們是如何選點的。

【學生4人小組活動并進行討論】

【學生觀點1】A、B、C各有三個面，共9個面。在9個面中每個面的實驗點應當一樣多，也就是每個平面上都恰好有3個實驗點。

【學生觀點2】我們組先確定了一個點，為了讓實驗點不重復，該點所在的行、列上都不能再有點。這樣每個平面上的三行、三列，總共九個點。這樣實驗點的分布很均勻（如圖3所示）。

【教師介紹正交表】同學們做得非常好！剛才我們找到了能夠代表27個實驗的“9個代表”。這“9個代表”具體是哪些實驗呢？日本統(tǒng)計學家口玄一博士總結(jié)出了正交表。請同學們閱讀資料2，分析如何設計正交表。

【學生觀點】先控制溫度為80C，加堿量依次為35Kg、48Kg、55Kg，催化劑種類依次為甲、乙、丙。再控制溫度為85C，加堿量依然按照35Kg、48Kg、55Kg的順序，但是催化劑種類“滾動”變化，變?yōu)橐?、丙、甲。最后一組，當溫度為90C時，加堿量順序還是不變，催化劑種類再次“滾動”，變?yōu)楸?、甲、乙?/p>

【學生活動】結(jié)合今天的實驗，設計正交表（如表6所示）。

3.實驗探究尋找泡泡液最佳配比

【布置任務】老師把班里的8個小組分成3隊，A隊三個組做同樣的三個實驗。每一組對比出本組三個實驗中最佳的一組配比，然后A隊內(nèi)互相交流，看看你們選擇的最佳配比是不是一樣的。如果不是，隊內(nèi)互相比拼。同樣地，B隊、C隊也討論出本隊的最佳組合。然后，每個隊派一個吹泡泡水平最高的同學進行全班展示，全班一起從三隊中選出最佳的配比。實驗過程中，要注意分工合作：有同學負責吹泡泡;有同學負責計時;有同學負責拍照，觀察泡泡的大小;有同學負責填寫實驗記錄單（見表7），注意要有具體的泡泡持續(xù)時間。

【學生分組實驗】見圖4。每一隊派代表用吸管吹泡泡展示成果（見圖5），全班同學觀察現(xiàn)象，派一位同學負責填寫實驗記錄單（見表7）。最終得出本次實驗最佳的配比為：洗發(fā)水：甘油：水=5：3：4。

五、項目教學反思及改進建議

相對于直接講授抽象的科學方法，本項目中學生在第2課時應用全面實驗法解決問題，從而感受全面實驗法的優(yōu)點。在第3課時中發(fā)現(xiàn)全面實驗法的不足，又通過閱讀單因素置換法的資料了解其缺點，從而感知在實驗量巨大時選擇典型的、具有代表性的實驗點是關鍵，學生利用3x3的立方體小球模型自主選擇具有代表性的實驗點，從活動中感悟正交試驗法。最后，再通過閱讀資料認識正交實驗表的設計規(guī)律，并應用發(fā)現(xiàn)的正交表規(guī)律設計本實驗的正交表?？茖W教育是一個能動的過程，應當通過學生自主的探究等活動來實現(xiàn)教育目標[4]。本項目教學設計體現(xiàn)學生的主體作用，教學活動符合學生的心理特點。教師為學生提供充分的科學探究機會，學生在實際應用中發(fā)現(xiàn)問題，利用模型明確問題，然后設計方案解決問題。整個過程都是學生小組合作完成的，教師只是活動的組織者和引導者。這樣的學習方式能夠激發(fā)學生的好奇心和求知欲，使學生在探究過程中學習科學方法，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力。

本項目的不足之處在于實驗指標定量不精確。雖然泡泡持續(xù)時間計量了，但是泡泡的大小難以精確測量。因此，無法采用正交試驗設計中的級差分析和方差分析等統(tǒng)計方法對實驗結(jié)果進行定量評價。

參考文獻

[1]郝麗娟.高中化學創(chuàng)新性實驗教學案例分析[D].上海：華東師范大學，2011.

[2]王后雄.化學方法論[M].長沙：中南大學出版社，2003.

[3] 劉文卿.實驗設計[M].北京：清華大學出版社，2005.

[4] 中華人民共和國教育部.義務教育初中科學課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012.