以“變量”減輕科學(xué)探究“作業(yè)量”的實踐與思考

楊柳青

要減輕學(xué)生課業(yè)負(fù)擔(dān)，從科學(xué)學(xué)科的特征來看，最基本的一是要增進理解，抓住本質(zhì)；二是要從方法的角度，讓學(xué)生主動地認(rèn)識規(guī)律、形成方法。另一方面來說，增進學(xué)生對科學(xué)概念、過程、方法、規(guī)律等的理解，形成認(rèn)識問題、分析問題、解決問題的方法和能力，這也是初中科學(xué)教學(xué)的最終歸宿。兩者不僅不矛盾，且高度統(tǒng)一。

1 問題的提出

科學(xué)探究是初中科學(xué)最為重要的內(nèi)容和方法，也是教學(xué)評價最為重要的內(nèi)容，沒有之一。在雙減背景下，讓學(xué)生通過大量習(xí)題，被動認(rèn)識科學(xué)探究，獲得探究能力，既不科學(xué)，也沒了操作的空間。據(jù)此，通過變量認(rèn)識科學(xué)探究的一般過程和方法，從本質(zhì)和方法上認(rèn)識科學(xué)探究，是雙減背景下提升科學(xué)探究教學(xué)效率、減輕負(fù)擔(dān)、發(fā)展學(xué)生探究能力的唯一途徑。

1.1 探究的重要性

科學(xué)是以自然界為研究對象的探究活動，科學(xué)的本質(zhì)特征就是科學(xué)探究?？茖W(xué)探究對于初中科學(xué)的重要性不言而喻，無論是三維目標(biāo)或是核心素養(yǎng)的評價體系，其核心始終是科學(xué)探究。從初中科學(xué)對初中生核心素養(yǎng)的貢獻力來看，最主要還是表現(xiàn)在培養(yǎng)學(xué)生能像科學(xué)家一樣地去思考，使學(xué)生逐步形成用科學(xué)知識、思維、方法和態(tài)度去解決問題的意識和能力，而這一切的獲得都必須以科學(xué)探究為內(nèi)容和途徑。

1.2 變量的重要性

如果說初中科學(xué)的靈魂是科學(xué)探究，那么變量就是科學(xué)探究的靈魂所在。就初中科學(xué)探究的實質(zhì)而言，就是控制無關(guān)變量、改變自變量、測量因變量，并根據(jù)實驗收集的數(shù)據(jù)，分析、尋找自變量與因變量之間關(guān)系的過程。具體說，提出問題和猜想就是尋找變量的過程，實驗設(shè)計就是如何設(shè)計變量的過程，實驗和得出結(jié)論就是尋找變量間關(guān)系的過程，交流評價很大程度上就是評價變量設(shè)計的過程。因此，變量是科學(xué)探究的實質(zhì)，也是正確打開科學(xué)探究的金鑰匙。

1.3 方法的重要性

多樣的自然界是統(tǒng)一的，千變?nèi)f化的自然表象下是統(tǒng)一的事物運動規(guī)律。也就是說認(rèn)識自然規(guī)律是有方法的，而對于“科學(xué)探究”這一學(xué)習(xí)科學(xué)最為重要的方法或者說工具，在學(xué)習(xí)時更應(yīng)該強調(diào)方法和系統(tǒng)。其實不是說在雙減背景下，需要強調(diào)方法的學(xué)習(xí)，來實現(xiàn)輕負(fù)高質(zhì)，而是科學(xué)探究學(xué)習(xí)的本身就應(yīng)該是這樣的。只是說在雙減背景的加持下，按方法系統(tǒng)學(xué)習(xí)科學(xué)探究也許成了唯一的選擇，而這個方法的核心就是變量。

基于以上分析，只有從變量的視角，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的一般過程和方法，才能擺脫通過大量機械化訓(xùn)練來碎片化學(xué)習(xí)科學(xué)探究的窘境，才能實現(xiàn)在減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)的情況下，真正增進學(xué)生對科學(xué)探究本質(zhì)的認(rèn)識，從而提升學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。

2 基于變量的科學(xué)探究教學(xué)

通過前文所述，明確了科學(xué)探究之于科學(xué)的重要性，明確了變量之于科學(xué)探究的重要性。基于以上兩點認(rèn)識，如何有目的、有方法地運用變量，系統(tǒng)地促進科學(xué)探究教學(xué)，就顯得尤為重要，而這首先要厘清變量與科學(xué)探究的內(nèi)在關(guān)系。

2.1 問題與猜想，尋找變量

科學(xué)探究提出問題和做出猜想的環(huán)節(jié)，實質(zhì)是根據(jù)因變量尋找自變量的過程。教學(xué)中，教師要善于根據(jù)這一關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察、比較、分析，提煉自變量和因變量，并以此提出問題和做出猜想。這樣，學(xué)生不僅容易提出問題、做出猜想，而且所提出的問題和做出的猜想是有根有據(jù)的，才會更富科學(xué)性。更為重要的是學(xué)生可以通過這一關(guān)系尋找新的方法，并增進對科學(xué)探究前兩個環(huán)節(jié)的理解。

例1：氣體壓強與流速的關(guān)系

教材通過“飄出來的窗簾”作為引入，通過“吹紙條”“對玻璃管吹氣”兩個活動來認(rèn)識氣體壓強與流速的關(guān)系，如圖。雖沒有明顯的探究過程，但從變量學(xué)習(xí)科學(xué)探究的角度可做如下處理：

（1）窗簾什么時候能被刮出窗外？（引導(dǎo)到平行窗戶吹較大風(fēng)時）

（2）從風(fēng)的概念，從空氣運動來看，不刮風(fēng)、刮小風(fēng)、刮大風(fēng)的區(qū)別是什么？（引導(dǎo)到自變量空氣的流速）

（3）窗簾被吹出窗外，從力與運動的關(guān)系判斷，窗簾受到了什么力（自內(nèi)向外的壓力）？從壓強的角度可以做出怎樣的猜想（壓強差）？（引導(dǎo)到因變量氣體壓強）

（4）基于這個現(xiàn)象和上述分析，你能提出什么問題，做何假設(shè)？

（5）再通過吹紙條、吹玻璃管來設(shè)計和驗證猜想。

為達(dá)成這一方法，首先要讓學(xué)生通過七年級上冊的學(xué)習(xí)，從“影響因素”逐步過渡到自變量、因變量的概念。其次是在教學(xué)中，特別是七年級科學(xué)探究的教學(xué)中，要著重引導(dǎo)學(xué)生逐步能從變量的視角，感受到科學(xué)探究的實質(zhì)就是尋找自變量與因變量之間的關(guān)系。

2.2 方案與實驗，設(shè)計變量

設(shè)計實驗方案的過程，其實質(zhì)就是控制無關(guān)變量，改變因變量設(shè)置對照組，并解決如何測量因變量，以及如何記錄自變量與因變量的過程，簡而言之就是設(shè)計變量的過程。教學(xué)中，教師要善于以教材探究為范例，通過引導(dǎo)認(rèn)識、理解如何運用控制變量法控制變量，如何運用轉(zhuǎn)換法測量因變量等科學(xué)方法，并從N個范例中認(rèn)識到實驗方案的設(shè)計就是設(shè)計變量的本質(zhì)，并以此認(rèn)識實驗設(shè)計，掌握實驗設(shè)計的一般方法。

例2：光合作用

光合作用的探究是一個非常經(jīng)典的科學(xué)探究范例，其可挖掘的探究方法是極為豐富的，這里就各簡單說幾點。

（1）控制無關(guān)變量。研究對象是同一種類兩株植物的葉，還是同一株植物的兩張葉，還是同一張葉的不同部位。

（2）改變自變量。葉綠體：為何一個有葉綠體，一個沒有葉綠體呢（選材）？C02：為何一個有C02，一個沒有C02呢（C02吸收劑）？水：為何一個有水，一個沒有水呢（切斷運輸途徑）？

（3）測量因變量。如何判斷光合作用已經(jīng)發(fā)生了？能否從質(zhì)量變化檢驗淀粉（干重）？通過有無淀粉產(chǎn)生從表達(dá)式看是檢驗什么（產(chǎn)物）？既然如此，除了檢驗淀粉（有機物），還能檢驗什么來判斷光合作用的發(fā)生？根據(jù)表達(dá)式，從測量因變量的角度，你有什么發(fā)現(xiàn)？

實驗設(shè)計環(huán)節(jié)是科學(xué)探究最有思維力度和學(xué)科味道的部分，也是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容，當(dāng)然也是學(xué)生學(xué)習(xí)相對困難的部分。所以需要從日常的科學(xué)探究教學(xué)中，不斷引導(dǎo)學(xué)生形成解決問題的大小方法。大方法就是控制變量、改變自變量、測量因變量這條主線；小方法就是如何控制變量、改變自變量、測量因變量的具體方法，例如如何獲得相同速度、等大拉力、如何通過力的作用效果認(rèn)識力（磁力）的存在，淀粉、水蒸氣、二氧化碳等物質(zhì)的檢驗方法，恒溫箱、二極管、氣壓、二氧化碳傳感器等工具的使用等。

2.3 結(jié)論與評價，分析變量

得出結(jié)論的環(huán)節(jié)就是分析實驗獲取的有關(guān)自變量與因變量的數(shù)據(jù)，檢驗自變量與因變量之間的關(guān)系。評價環(huán)節(jié)重點則在于從變量的控制（變量是否唯一，變量控制是否有利于檢測自變量對因變量的影響等）、自變量的改變（自變量的樣本取樣方式、數(shù)量和普遍性，自變量變化區(qū)間的設(shè)定等）、因變量的測量（因變量的顯性度、測量方法、測量的干擾因素、測量的準(zhǔn)確度等）來加以評價。如果實驗設(shè)計環(huán)節(jié)的教學(xué)是圍繞“設(shè)計變量”展開的，那么得出結(jié)論和交流評價過程，學(xué)生評價的指向就會比較明確。這就是方法的力量，也是減負(fù)的動力來源。

例3：氫氧化鈉變質(zhì)

在探究氫氧化鈉是否是完全變質(zhì)時，學(xué)生會習(xí)慣性地忘記碳酸鈉溶液本身成堿性而對氫氧根離子檢測的干擾。從表面看是對碳酸鈉溶液呈堿性知識上的缺陷造成的，其實不然。很多學(xué)生知曉這一點，但在探究方案設(shè)計中卻體現(xiàn)不出來。所以從本質(zhì)上講，還是探究環(huán)節(jié)對控制變量思想、意識、方法上的缺失。以此為例，對學(xué)生直接加酚酞鑒別的設(shè)計方案引導(dǎo)評價如下：

（1）要探究氫氧化鈉是否完全變質(zhì)，從物質(zhì)看檢驗什么（氫氧化鈉），從離子的角度就要檢驗什么（OH-）。

（2）要檢驗OH-，可用什么方法（堿的通性）？那可否用無色酚酞？自變量是什么（堿性）？因變量是什么（無色酚酞呈紅色）？需要控制的變量是什么（不能有其他堿性物質(zhì)）？

（3）怎么辦（除去碳酸根離子）？能不能加入氫氧化鈣（不能混入干擾的OH-）？

（4）如果加入氯化鈣，會有什么物質(zhì)產(chǎn)生？從控制變量的角度還需什么操作（先確定氯化鈣、氯化鈉本身成中性）？……

引導(dǎo)評價的目的不僅是提幾個問題，掌握幾個知識點，評價變量是為了更好地設(shè)計變量，歸根結(jié)底還是為了引導(dǎo)學(xué)生更好地認(rèn)識變量之間的關(guān)系，以及如何科學(xué)地設(shè)計變量，從而進一步促進學(xué)生形成科學(xué)探究的一般方法。

3 基于“變量”的科學(xué)探究教學(xué)策略思考

理順變量與科學(xué)探究的關(guān)系，并本著這個關(guān)系組織科學(xué)探究的教學(xué)，讓學(xué)生習(xí)得方法。這樣既避免了反復(fù)操練，表現(xiàn)在學(xué)生，不僅會做熟悉的題目，對于新情景下的探究也會得心應(yīng)手。即便一時不會解答，至少也會有明確的思考方向。當(dāng)然，為達(dá)此目標(biāo)，除理順變量與科學(xué)探究的內(nèi)在關(guān)系外，從方法出發(fā)，結(jié)合教學(xué)實踐，教學(xué)需要注意以下幾點。

3.1 要善于運用“比較法”學(xué)習(xí)變量

比較思維要求把若干同一屬性的現(xiàn)象或人物等進行對照，找出它們之間存在的差異及存在差異的原因，并從比較中歸納出具有實質(zhì)性或有意義的結(jié)論。很顯然這與探究教學(xué)的過程和目標(biāo)相當(dāng)吻合。因此，教學(xué)中需要通過結(jié)構(gòu)性的材料，通過自身的前后比較，不同對象、環(huán)境的比較中，尋找自變量、因變量，提出問題和猜想；通過比較的思想設(shè)計對照實驗；通過比較實驗組和對照組數(shù)據(jù)得出結(jié)論，通過比較不同方案進行評價等。以此來培養(yǎng)學(xué)生尋找、設(shè)計、評價變量的思維方式和探究方法。

例4：影響浮力的大小因素

通過學(xué)生將空礦泉水慢慢浸入水槽的體驗，提供從淺水區(qū)走向深水區(qū)的圖片和感受，分別引導(dǎo)思考礦泉水瓶和人從開始到后面的變化量，尋找出浸入水中的體積和深度兩個自變量和浮力大小這個因變量，再引導(dǎo)到底是深度還是浸入體積，還是兩者共同作用的結(jié)果，做出三種猜想，并按不同的猜想設(shè)計實驗，驗證猜想。

從上述案例來看，通過前后比較得出的，引起差異性的因素自然就是自變量。所以從猜想的角度，深度作為自變量完全是正確的，也是符合認(rèn)知和一般方法的。教師切不能因為已有知識去干擾學(xué)生尋找變量方法的形成。

3.2 要始終把變量思想貫穿于教學(xué)中

方法的習(xí)得和概念學(xué)習(xí)一樣，離不開歸納和演繹。只有在不斷的實踐中，才能熟能生巧。因此，正如應(yīng)把探究貫穿于整個初中科學(xué)教學(xué)一樣，也應(yīng)把變量的思想貫穿于所有的探究過程。正如教學(xué)中鼓勵實行部分探究一樣，同理也可在教學(xué)中進行部分變量思想的參透。例如學(xué)習(xí)氣溫，可以結(jié)合一天的氣溫坐標(biāo)圖，問問學(xué)生自變量、因變量等各是什么。而且結(jié)合日常教學(xué)內(nèi)容，總比剝離開來、另外弄些題目來得順暢，也更省時、省力。

例5：探究型作業(yè)的做和評

作業(yè)是教學(xué)的重要組成部分之一。從作業(yè)的學(xué)習(xí)功能出發(fā)，學(xué)生做和教師講評探究題，應(yīng)該盡可能地先結(jié)合題目，從整體出發(fā)，圍繞變量與科學(xué)探究的關(guān)系，嘗試思考以下幾個問題后，再動筆解題或講評。

（1）從問題，或猜想，或結(jié)論，或?qū)嶒炘O(shè)計方案出發(fā)，先搞清楚探究的是個什么問題，即尋找變量。

（2）從方案出發(fā)，自變量如何改變？無關(guān)變量有哪些，如何控制的？因變量是如何測量的？探究方案中，有什么不理解？能不能從變量設(shè)計的角度來理解？即設(shè)計變量。

（3）從獲取的數(shù)據(jù)來看，存在什么關(guān)系？即如何比較變量。

最后完成或講評好作業(yè)后，再思考本探究有什么值得學(xué)習(xí)的地方，即評價變量的設(shè)計。

作為探究題，背景和篇幅往往都比較大。若只是指題中的幾個小題，一是對探究方法的習(xí)得幫助不大，二是浪費材料和時間。于是只能通過反復(fù)的練習(xí)來補救，這勢必會增加學(xué)生的作業(yè)負(fù)擔(dān)。而從學(xué)習(xí)功能出發(fā)，從整體出發(fā)，從方法出發(fā)，才有助于提升作業(yè)的利用率，在實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的同時，減輕課業(yè)負(fù)擔(dān)。

3.3 要在實踐中提升設(shè)計變量的能力

強調(diào)實踐，一是科學(xué)探究是認(rèn)識自然的基本方法，學(xué)習(xí)科學(xué)探究不僅僅是為了應(yīng)對學(xué)業(yè)評價，更是為了培養(yǎng)學(xué)生在今后的生活和工作中解決個人與社會問題的能力。二是方法的習(xí)得光從理論出發(fā)，既不形象生動，也不具深刻性。只有在實踐中，在解決困難的過程中，在反復(fù)的試錯中，在獲得的成功體驗中，才能真正形成解決問題的能力，以及解決問題所需要的品質(zhì)。因此，方法不僅是講出來的，更是實踐出來的。

例6：最小刻度與測量的準(zhǔn)確性

因變量的測量準(zhǔn)確性直接影響著探究結(jié)論的準(zhǔn)確性。最初來源于測量工具的最小刻度以及求平均值，這里以最小刻度為例，論述在實踐中的習(xí)得方法。

（1）在探究影響電磁鐵磁性強弱中，給每個小組發(fā)放不同質(zhì)量的大小鐵釘、圖釘?shù)?。通過小組間的比較，認(rèn)識鐵釘間的質(zhì)量差異就是最小刻度問題。

（2）測量大氣壓值時，發(fā)放不同規(guī)格的鉤碼、小桶和水或細(xì)沙。通過小組間的比較，認(rèn)識鉤碼、水滴、砂粒的重力就是最小刻度問題。

（3）酸堿中和時，發(fā)放滴管和不發(fā)放滴管；發(fā)放滴管的是邊加鹽酸變振蕩，還是滴幾滴再振蕩。通過小組間的比較，認(rèn)識滴1滴、滴5滴、傾倒就是最小刻度問題。

還如方格法測面積、測方格的大??；橫線法測滑輪做功的距離、橫線間的距離……

實踐中獲取方法，一定是在克服困難，或者是在尋找實驗失敗原因，或者是在與同伴的比較過程中最深刻。因此，實踐的關(guān)鍵點不在于機械的操作，而在于在矛盾沖突中的主動獲取，強調(diào)學(xué)生的主觀能動性。

當(dāng)然要掌握以變量學(xué)習(xí)探究的方法，除了上述三點，還需注意系統(tǒng)性。正如教材學(xué)生科學(xué)探究能力培養(yǎng)做了總體安排，使學(xué)生得到系統(tǒng)科學(xué)方法的訓(xùn)練一樣，也應(yīng)該相應(yīng)系統(tǒng)地安排方法的學(xué)習(xí)。例如，七年級以認(rèn)識變量以及變量和科學(xué)探究的關(guān)系為主，八年級以設(shè)計和評價變量為主，九年級以整體運用為主。另外，基于方法，以及系統(tǒng)性安排，作業(yè)的設(shè)計也應(yīng)服務(wù)于這個系統(tǒng)，匹配也是減負(fù)的重要措施之一。

4 總結(jié)

（1）減負(fù)不能減質(zhì)，而兩者的結(jié)合點就是本質(zhì)和方法。

（2）在雙減背景下，從本質(zhì)和方法出發(fā)組織教與學(xué)是必然的選擇。

（3）科學(xué)探究無論從核心素養(yǎng)或是學(xué)業(yè)評價都是初中科學(xué)最為重要的內(nèi)容。

（4）科學(xué)的雙減應(yīng)該從科學(xué)探究開始，從變量出發(fā)，體現(xiàn)本質(zhì)，形成方法。

（5）唯有從變量出發(fā)，才能減輕負(fù)擔(dān)，且高效發(fā)展學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。

（作者單位：浙江省杭州市富陽區(qū)富春中學(xué)）