本立而道生
——問初中科學實驗教學之本和道

◎姚國明

實驗是初中科學教學的重要內(nèi)容，也是學生學習科學課程的重要途徑。在教學實踐中，科學教師雖然在觀念上認同實驗在教學中的地位和作用，在行動上也在積極開展實驗教學，但存在的一個突出問題是實驗教學質(zhì)量并不高，典型的表現(xiàn)是學生會做實驗不會分析現(xiàn)象，會分析現(xiàn)象不會概括本質(zhì)，能得出結論不會解決問題，能解決問題不會遷移應用，即在科學能力、科學思維、科學方法等方面沒有得到很好的訓練和提升。初中科學課程對實驗教學的要求為何難以落實？實驗教學又如何走出困境趨向優(yōu)質(zhì)？筆者就其四個方面的核心問題分別開展探討。

一、實驗設計: 從注重實驗結果到重視設計過程

初中科學教材對每章節(jié)中的實驗活動都提供了實驗方案，這為教師開展實驗教學提供了參考。然而，不少教師機械地照搬教材中的實驗方案，忽視實驗方案背后的設計過程及其中所蘊藏的科學知識和思維發(fā)展過程，使實驗效果大打折扣。如在“探究二力平衡條件”的實驗教學中，大多數(shù)教師是按照教材提供的實驗方案進行探究的，實驗過程簡單直觀，實驗效果看似完美。然而，教材中呈現(xiàn)的該實驗方案的價值真正實現(xiàn)了嗎？如果仔細分析，我們會發(fā)現(xiàn)該實驗方案的價值還遠遠沒有實現(xiàn)。

其實，從認知角度看，“二力平衡條件”的知識點本身是不難理解的。因此，該教學的難點不在于實驗結論，而在于實驗方案的設計和分析。教師若能重視實驗方案的設計過程，引導學生對該實驗方案的設計過程進行再現(xiàn)和分析，是非常有利于學生思維發(fā)展的。

重視實驗的設計過程，雖然在一定程度上可能會延長實驗過程所耗費的時間，但是設計實驗方案的價值能得到最大程度的顯現(xiàn)。學生在參與實驗設計的過程中，由淺入深地思考問題，不斷地解決問題，逐漸調(diào)整優(yōu)化方案，原有的經(jīng)驗會被充分喚醒，思維產(chǎn)生連續(xù)沖突，實驗素養(yǎng)和思維水平就會得到提升。因此，在初中科學實驗教學中，教師要轉變觀念，不僅要關注實驗結果，更要重視實驗過程的設計。“一個好的科學探究過程的設計，實際上就是學生思維發(fā)展的過程，就是在實際情境中綜合運用知識、技能來解決真實問題關鍵能力的提升過程。”[1]

二、實驗組織: 從注重啟發(fā)引導到強化探究發(fā)現(xiàn)

從學習觀角度看，探究性實驗是一種更符合學生認知特點和需求的學習方式。從教學觀角度看，探究性實驗在學生主體激發(fā)、思維發(fā)展和師生積極交互等方面也更有作為。因此，在初中科學教學中，應給學生提供充分的科學探究機會，讓學生通過手腦并用的探究活動，體驗科學探究的過程，如此才能“使學生更深刻地理解科學知識，更好地掌握科學方法，而且使學生得以親身體會科學精神的實質(zhì)”[2]。然而，在實際教學中，不少教師對探究性實驗熟視無睹，不僅無法將驗證性實驗轉化成探究性實驗，還將原本的探究性實驗演化成了驗證性實驗。

比如“研究影響電磁鐵磁性強弱的因素”是一個探究性實驗，教師在引導學生完成提出問題和作出假設環(huán)節(jié)后，直接給出了一個實驗電路圖，然后提出“實驗中為什么要用電流表，它起什么作用”“實驗中彈簧秤下為什么要掛一鐵塊，它有什么作用”“如何判斷電磁鐵磁性強弱”這樣三個問題讓學生進行分析，看似完成了制訂計劃這個環(huán)節(jié)，其實缺少“探究意味”，學生的思維發(fā)展也不充分，教師在不知不覺中完成了一次“偽探究”。

那么如何設計這一教學環(huán)節(jié)才能凸顯科學課堂的“探究意味”呢？教師只需改變實驗組織的方式，將“提出問題”改為“發(fā)現(xiàn)問題”，將“分析方法”改為“尋找方法”，即先組織學生思考設計實驗方案需要解決的關鍵(核心)問題；然后再組織學生分組討論，尋找解決問題的方法(具體如表1所示)；最后引導學生優(yōu)選出C、E、G組提出的方法來組成實驗電路圖。

表1 “研究影響電磁鐵磁性強弱的因素”實驗探究方案

同樣的教學環(huán)節(jié)，同樣的實驗方案，兩種不同的設計理念，實驗的“探究意味”完全不同，實驗教學的效果也完全不同?？茖W的本質(zhì)特征是探究，在科學教育的過程中應體現(xiàn)科學探究的精神，用科學探究的理念來設計實驗，用科學探究的方式來呈現(xiàn)實驗過程，讓學生親身經(jīng)歷以科學探究為主的學習活動。如此，不僅能讓實驗教學過程充滿魅力，而且更符合學生的認知特點，對他們的長遠發(fā)展也更有意義[3]。

三、實驗目的: 從關注技能操作到聚焦科學思維

科學教育的核心目標是促進學生高階思維能力的發(fā)展[4]，因此，作為一種教學方式，實驗教學的根本目的也應該是通過實驗活動訓練學生思維。然而，現(xiàn)實中的實驗教學仍然習慣性地聚焦操作技能訓練，而忽視思維的培養(yǎng)。“思維能力培養(yǎng)的不足導致學生無法真正理解科學探究的本質(zhì)，無法靈活解決現(xiàn)實情境中的真實問題?！盵5]

如在“阿基米德定律”實驗教學中，教師往往是利用彈簧測力計、金屬筒、小鐵塊、溢水杯、小燒杯等器材，按照教材中的實驗方案，引導學生一步步實驗，最后通過實驗數(shù)據(jù)分析，總結出阿基米德定律的內(nèi)容和公式。然而，學生對實驗設計思路并不明晰，因此對實驗中要用到金屬筒以及要將小燒杯中的水倒回到金屬筒的操作并不理解，只是機械地按照教材提供的實驗步驟進行實驗，雖然最后得出了結論，但其實對阿基米德定律的內(nèi)容認識得并不深刻。這就是很多學生會做阿基米德定律實驗，而一旦碰到浮力的實際問題就束手無策的原因。

若以思維線來設計“阿基米德定律”實驗，實驗教學的效果就完全不同。教師在引導學生得出“浮力大小可能與物體排開液體多少有關”的假設后，問學生“實驗中關鍵是要測出哪兩個量的數(shù)據(jù)”，學生通過分析假設后認為“關鍵是需要測出浮力和物體排開液體的重力兩個量”。那么，實驗需要用到什么器材？如何來設計實驗過程？教師讓學生分組進行頭腦風暴，大部分學生會想到教材中提供的實驗方案，即利用彈簧測力計來測出兩個力的大小，通過分別測出浮力和物體排開液體的重力的方式來比較兩個量的關系。然而，他們可能并沒有想到“將排開的水重新倒入金屬筒使彈簧秤指針重新回到開始前的刻度”這一方式來比較浮力和物體排開液體重力的關系。

教師再問“若實驗中沒有金屬筒，是否還能測出物體排開水的重力？你又有什么辦法測出這個量？”有學生想到了用天平測物體排開水的質(zhì)量，然后再根據(jù)重力公式來求算重力的辦法。

教師繼續(xù)追問“若實驗中沒有天平，是否還有其他辦法測出這個量？”有學生想到了用量筒測物體排開水的體積，然后再根據(jù)密度公式來求算重力的辦法。

科學思維是科學研究的靈魂[6]，而實驗是學習科學課程的重要方法。沒有實驗的科學課堂不是真正的科學學習活動，而沒有思辨的科學實驗活動同樣也不是完美的科學課堂。聚焦科學思維是初中科學實驗教學的核心目標和根本任務。

四、實驗價值: 從關注問題解決到凸顯方法思想

科學方法是人們在認識和改造世界中遵循或運用的、符合科學一般原則的各種途徑和手段，包括在理論研究、應用研究、開發(fā)推廣等科學活動過程中采用的思路、程序、規(guī)則、技巧和模式。[7]科學方法作為科學課程標準的重要組成部分，是初中科學教學的重要內(nèi)容，也是學生學習科學課程的重要方法。初中科學實驗中蘊含著許多基本的科學方法，如觀察、歸納、演繹、轉化、理想實驗、推理、模型、類比、等效替換、控制變量等，教師在實驗教學中滲透這些方法思想，并引導學生將這些方法轉化為學習科學課程的思維方式和能力，不僅能使學生提高學習效率，還能幫助學生提升學習科學課程的興趣。令人遺憾的是，不少教師在科學實驗教學中習慣性地強調(diào)實驗技能和實驗結果應用，而忽視了實驗中體現(xiàn)出的科學方法和科學思想的教育。這種指向知識和技能的實驗教學目標，使得實驗教學的“最后一公里”沒有被打通，實驗教學變得膚淺且無色彩。

如在“大氣壓大小的測量”這一實驗教學中，教師經(jīng)常是以意大利科學家托里拆利測量大氣壓的故事引入，然后借助現(xiàn)有的器材演示“托里拆利實驗”，之后再分析實驗現(xiàn)象，通過計算總結得出大氣壓的值。但是為什么要用水銀來求大氣壓的值？其實驗設計的思想和方法是怎樣的？如果教師以“覆杯實驗”切入，引導學生對紙片進行受力分析。在學生明白了紙片為什么不掉下后，教師問學生“杯中的水是否可以裝無限高，什么樣的情況下紙片剛好掉下”，在學生作出判斷后，再問學生“大氣壓能否直接測量，‘覆杯實驗’對測量大氣壓有什么啟示”，學生自然而然會想到“用水的壓強來間接測量大氣壓”，教師再引導學生思考“為了減小實驗中液柱的高度，最好用什么樣的液體做實驗”，至此，教師引出并演示“托里拆利實驗”。

此時，教師引導學生得出“對于一些看不見摸不著的現(xiàn)象或不易直接測量的量，通常用一些非常直觀的現(xiàn)象去認識或用易測量的量間接測量，這種研究問題的方法叫轉換法”。在認識到這一科學方法后，不少學生立馬想到還可以把大氣壓轉化為固體壓強來進行測量。比如，有同學想到了利用針筒掛重物的方法來測量大氣壓；還有的想到了用平時玩的皮碗掛重物的方法來測量大氣壓。

科學方法是科學知識轉化為科學能力的橋梁和紐帶[8]，科學方法的教育是學生科學素養(yǎng)形成的關鍵[9]，多樣化的實驗活動是訓練學生科學方法的重要途徑[10]。在初中科學實驗教學中，教師應在指導學生通過實驗解決科學問題的同時，潛移默化地滲透科學研究方法，有意識地引導學生運用相應的科學研究方法去分析或解決科學問題。這樣不僅會大大提高學生對科學現(xiàn)象、概念或規(guī)律的認識和理解能力，還可以培養(yǎng)學生的科學思維方法和習慣、提高學生的科學素養(yǎng)。

(姚國明，紹興市長城中學，浙江 紹興 312000)