科學教學專業(yè)教學實踐中指導設(shè)計趣味科學實驗的研究

曹雪玲 朱為菊 馮志國 程睿菁 張新星

瓊臺師范學院理學院 海南?？?570100

在科技快速發(fā)展的現(xiàn)代社會，各個國家之間的競爭日趨白熱化。其實，不同國家之間的競爭，歸根結(jié)底還是國家綜合實力的比拼[1]，而核心的比拼就是科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新、創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)和國家公民科學素質(zhì)水平的不斷提高[2]。西方發(fā)達國家對趣味科學實驗的研究較早，并對其開展也十分重視，比如展示實驗，就是德國首先實行的。在發(fā)達的歐美國家，中學階段教師特別重視趣味科學實驗，學校會有專門的教室進行趣味科學實驗[3]。在課內(nèi)設(shè)計大量的趣味科學實驗，配有相應(yīng)的教材和教具。我國趣味科學實驗室設(shè)備還不夠完善，為了我國社會進步和經(jīng)濟發(fā)展[4]，須盡快提高我國國民的核心科學素質(zhì)[5]。趣味科學實驗可以激發(fā)學生學習的積極性和自主性，學生進行科學實驗時，學會發(fā)現(xiàn)有價值的問題，并學會解決問題的思路和方法[6-7]；經(jīng)歷科學探究的過程，掌握科學探究的方法和思想，使他們的科學素養(yǎng)得到培養(yǎng)和提高[8]；實驗過程，還可以提升學生的溝通能力和高團隊合作意識。

1 課程介紹

本課程是針對師范院校教育科學系學生、畢業(yè)后主要從事中小學自然科學課程的講授。學生已經(jīng)具備化學、物理、生物、食品、地理、天文等六大課程系列理論知識，在此基礎(chǔ)上指導學生研發(fā)趣味科學實驗，開發(fā)的科學實驗所有材料均采用無毒環(huán)保的食品級材料；趣味性與知識性結(jié)合，能更好地提高學生的創(chuàng)新能力、動手能力、獨立思考能力和解決問題能力?？茖W教育系大學生具有創(chuàng)新性和科學性的思維，才會更好地在中小學的科學教學實踐中發(fā)揮更大的作用，為祖國培養(yǎng)新時代科技人才服務(wù)。通過本課程的學習，將科學的趣味實驗的設(shè)計理念及方法傳授給科學教育系的大學生。

2 課程設(shè)計

2.1 基礎(chǔ)科學理論知識學習

科學實驗的設(shè)計是基于扎實的科學知識基礎(chǔ)上的，因而科學教育專業(yè)設(shè)置了化學、物理、生物、食品、地理、天文等理論課程，使學生掌握科學理論知識。學習中小學學生心理活動特征，了解中小學教學中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各學科融會貫通，在此基礎(chǔ)上加以引導，設(shè)計和開發(fā)具有科學性和創(chuàng)新性的趣味實驗。

2.2趣味科學實驗設(shè)計的背景

目前，我國愈發(fā)重視新型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，隨著綜合教育、素質(zhì)教育的理念不斷深入，新的教育模式和教育理念的出現(xiàn)反映出學生的動手能力和創(chuàng)新能力方面還有待提高。培養(yǎng)綜合能力的最好階段就是青少年時期，讓其養(yǎng)成動腦、動手的良好習慣。中小學課堂對激發(fā)學生學習興趣、增強動手能力的趣味課程的需求逐步上升，趣味科學實驗對于青少年學生具有天然的吸引力。而教育部提出將科學課程融入學校教學中，發(fā)揮趣味科學實驗的優(yōu)勢，使我國青少年從小就接觸科學、學習科學、培養(yǎng)科學意識。因而，培養(yǎng)自然科學教育教師的科學實驗設(shè)計能力勢在必行。目前國內(nèi)外科學實驗存在以下主要問題。

2.2.1 實驗的安全性

專業(yè)的科學實驗會涉及化學試劑、物理電路等危險因素，以及不適合青少年使用的實驗設(shè)備，所以家長和教師都擔心開展科學實驗會有潛在的危險存在，針對青少年的特點，專業(yè)的科學實驗需要既滿足科學知識的學習，又要考慮安全性，因此在設(shè)計實驗時巧妙地避開危險因素。

2.2.2 實驗教授方式枯燥

自然科學知識是指人類在生活實踐中對自然界存在的自然規(guī)律的理論性總結(jié)。如果只是單純的理論講解這些知識，學生們聽不懂，也理解不了，就會枯燥無味，更提不起青少年學習的熱情，達不到學習的效果?？茖W知識是從實踐中而來，也需要實驗來驗證和展示。

2.2.3 實驗方案單一知識性差

實驗設(shè)計過程需要考慮很多客觀的因素，包括實驗條件、學習者的自身特點等，針對青少年的趣味科學實驗既要具有知識性又要有趣味性，學生有興趣參與其中，才能達到學習的目的。設(shè)計和實施趣味科學實驗的教師因知識基礎(chǔ)和創(chuàng)新理念的匱乏，也會導致科學實驗方案單一、知識性差等問題。

2.2.4 條件限制

科學實驗需要在特定的科學實驗室中進行，而中小學校卻很少配有專業(yè)的科學實驗室，這就需要從安全的角度出發(fā)，設(shè)計安全環(huán)保的科學實驗，突破環(huán)境的限制，力爭在普通的教室或是室外操場就可以開展實驗。

2.3 趣味科學實驗的設(shè)計

需要引導學生開發(fā)的科學實驗應(yīng)具備以下條件。

2.3.1 所有材料均采用無毒環(huán)保的食品級材料

盡量采用生活中簡單易得的實驗材料，優(yōu)先選擇食品級材料，如白醋代表酸性物質(zhì)，小蘇打代表堿性物質(zhì)等，實驗器材選擇不易破碎的器皿代替玻璃實驗器皿。以設(shè)計家用滅火器為例，先把小蘇打放入礦泉水瓶中，再加入白醋，白醋與小蘇打在礦泉水瓶內(nèi)發(fā)生酸堿反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳，將產(chǎn)生的二氧化碳傾倒在燃燒的蠟燭上，即可將燃燒的蠟燭熄滅，做成了家用滅火器。這個實驗選擇的實驗材料是生活調(diào)味品白醋和小蘇打，反應(yīng)器皿用塑料礦泉水瓶，所用材料均安全環(huán)保，適合中小學生操作使用。

2.3.2 趣味性與知識性結(jié)合

科學實驗的方案設(shè)計要結(jié)合趣味性和知識性，例如生物實驗中關(guān)于細菌的種類，細菌按照形狀可以分為球菌、桿菌和螺旋菌，但是細菌很小，學生看不見摸不到，這些枯燥的生物知識如何有效地傳遞給學生，這就需要把實驗設(shè)計的新奇有趣，引起學生的好奇和興趣，由淺入深地講解，以達到趣味性和知識性結(jié)合的目的。實驗設(shè)計中可以運用網(wǎng)上已有視頻，展示形狀各異、五顏六色的細菌，并通過短片展示細菌的危害，教育青少年要注意個人衛(wèi)生，防止疾病傳播。然后讓學生利用彩泥制作球菌、桿菌和螺旋菌，并放在自制的盤子中，學生每兩人分為一組，進行剪刀石頭布游戲，把球菌看作石頭，桿菌看作布，螺旋菌看作剪刀，最后統(tǒng)計每個學生盤子中球菌、桿菌和螺旋菌的個數(shù)，菌種多的學生需要回答教師的問題，并讓學生把自己的作品帶回家，把課程學習的內(nèi)容講給家長聽。

2.3.3 結(jié)合多種教學手段，引起學習者的積極性

現(xiàn)代教學手段有很多，如何有效地結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)達到良好的教學目的，這就需要課程設(shè)計時好好思考。例如制作日、地、月三球運行的實驗，包含四季、節(jié)氣、氣候、月食、日食等成因的知識，教師利用視頻資料，使學生直觀地了解大自然的變化，引導學生利用教具三球儀展示地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，教師提出問題，讓學生思考。首先布置實驗用品，讓學生自己動手，如利用面粉做地球、月亮和太陽，再用顏料給地球、月亮和太陽涂上喜歡的顏色，等顏料干透后，將地球、月亮和太陽插在固定的三球儀支架上，這樣自己動手就完成了三球儀的制作，轉(zhuǎn)動三球儀，找到地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的規(guī)律，教師再將四季、節(jié)氣、氣候、月食、日食等知識結(jié)合三球儀的轉(zhuǎn)動傳授給學生。

2.3.4 結(jié)合多學科知識，實驗豐富多樣

科學知識包括多學科內(nèi)容，包括化學、物理、生物、食品、地理、天文等，因而科學實驗盡量包括多學科內(nèi)容，使學習內(nèi)容更加豐富多彩。例如水果發(fā)電實驗，使用水果作為LED燈供電的素材，其發(fā)電的原理和最早的化學電池有異曲同工之妙。水果之所以能發(fā)電，其原理首先是水果中含有大量果酸，這是一種很好的電解質(zhì)；其次，插入水果中的兩個金屬片通常情況下電化學活性是不一樣的，其中更活潑的金屬片能置換出水果中酸性物質(zhì)的氫離子，可以產(chǎn)生電荷，造成電壓的改變，于是便形成一個原電池。這其中包括了化學、物理、生物、食品等學科的知識。

2.3.5 突破環(huán)境限制，靈活開展實驗

科學知識的傳授需要在日常教學和生活中潛移默化，以“潤物細無聲”的方式傳遞給學生，因而趣味科學實驗可以突破環(huán)境的限制隨時隨地展開。利用生活現(xiàn)象向?qū)W生進行科學知識傳播，鼓勵學生自主開發(fā)、靈活開展趣味科學實驗，這將更有利于創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)目標。例如野外自制凈水器的實驗，可以帶著學生在大自然中選取實驗用品，把野外的河水凈化。先把礦泉水瓶在底部剪開，靠近瓶口處放上樹葉，防止物體漏掉，然后放入細沙，起到過濾的目的，最后再放入石子，可以濾掉大的雜質(zhì)。取河里的水，倒入自制凈水器中，經(jīng)過石子和細沙的過濾，可以有效去除雜質(zhì)，達到凈化水的目的。

2.4 設(shè)計趣味科學實驗的過程

2.4.1 收集材料，實驗設(shè)計

趣味科學實驗的設(shè)計要具有趣味性和知識性，因而針對學習對象和學習內(nèi)容，利用網(wǎng)上資源、教材、相關(guān)材料等，設(shè)計實驗內(nèi)容。根據(jù)2.3科學趣味實驗的設(shè)計原則，選擇食品級安全材料，運用已有知識基礎(chǔ)及教學經(jīng)驗合理安排實驗過程，盡量采用多種教學手段，結(jié)合多學科知識。實驗材料的準備包括：實驗方案、實驗材料、教學視頻、教學PPT、實驗評價表等。

2.4.2 具體實施課堂教學

具體實施趣味科學實驗，需要課前準備實驗材料。課上采用引導式教學模式，教師通過教學視頻或是提出問題引起學生好奇心，然后通過教學PPT講解實驗內(nèi)容、操作過程。實驗過程以學生為主體，教師只是引導鼓勵學生多思考、多動手，隨著實驗過程將知識點以潤物細無聲的方式傳授給學生。試驗結(jié)束后要及時總結(jié)知識點。

2.4.3 成績總結(jié)，教學反思

采用多種成績總結(jié)，可以采用競爭激勵式(包括小組或個人激勵的方式)、獎勵式、評分制等，以激勵學生樂于參與到趣味科學實驗中。實驗評價表記錄實驗過程和學生表現(xiàn)以及實驗成功或失敗之處等，反思實驗教學過程，及時修正實驗方案。

結(jié)語

本文發(fā)揮大學教師知識的綜合性運用與營造學校科研氛圍，針對我國青少年學生特點，引導科學教育專業(yè)大學生創(chuàng)設(shè)一個新奇、未知、充滿趣味性的科學世界。在以后的教學中激發(fā)青少年學習科學知識的興趣，從小培養(yǎng)小學生的創(chuàng)新能力、動手能力、獨立思考能力和解決問題能力，從而提升全民科學素養(yǎng)。