應(yīng)運而生，取之有道

摘 要：中小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)極具重要性，實驗方法和實驗儀器材料是決定實驗教學(xué)成敗和效果的兩大因素。教師在教學(xué)實踐中，應(yīng)適時對實驗方法創(chuàng)新設(shè)計和實驗儀器材料改進、研發(fā)，以更利于實驗教學(xué)的高效實施。

關(guān)鍵詞：小學(xué)科學(xué)；實驗教學(xué)；實驗方法；實驗儀器材料

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

2023年5月，《教育部等十八部門關(guān)于加強新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》中指出：科學(xué)教育重在實踐，激發(fā)興趣；推進基于探究實踐的科學(xué)教育，激發(fā)中小學(xué)生好奇心、想象力和探究欲，引導(dǎo)學(xué)生廣泛參與探究實踐；注重將知識學(xué)習(xí)與實踐相結(jié)合，強化做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)。[1]2023年6月，教育部辦公廳印發(fā)《基礎(chǔ)教育課程教學(xué)改革深化行動方案》中要求，加強科學(xué)類學(xué)科教學(xué)，將學(xué)校實驗課開設(shè)情況納入教學(xué)視導(dǎo)和日常督導(dǎo)。以上兩個文件的印發(fā)，足以說明中小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)的重要性。做實驗可以使學(xué)生在動手動腦、積極體驗的活動中，經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，獲取科學(xué)知識，領(lǐng)悟科學(xué)思想，學(xué)習(xí)科學(xué)方法[2]。筆者在長期的實驗教學(xué)工作中發(fā)現(xiàn)，實驗方法與實驗儀器材料對實驗教學(xué)的成敗和效果起著重要的決定作用。實驗方法是活動的先導(dǎo)，實驗儀器材料是活動的保障，科學(xué)實驗教學(xué)應(yīng)緊緊圍繞方法設(shè)計和儀器材料的使用兩個方面，做好創(chuàng)新與改進。

一、向傳統(tǒng)實驗“說不”

“斜面”是多年來小學(xué)科學(xué)不同版本教材中的一個傳統(tǒng)實驗內(nèi)容，主要是利用測力計對在不同斜面上拉動物體所用的力進行定量觀察、采集數(shù)據(jù)，然后通過大量數(shù)據(jù)信息分析對比，得出使用斜面提升物體的省力規(guī)律，即斜面坡度越小越省力。筆者在長期的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實驗方法與相關(guān)儀器的配備，存有兩個弊端：其一，利用實驗室配備的組裝材料搭建出的斜面，有的斜面長度和高度都是固定的，有的只能改變斜面高度，而且搭建斜面長度的板子過短不利于學(xué)生準確觀察拉力，還有一些材質(zhì)過于陳舊笨重，使用極其不便；其二，學(xué)生在不同的斜面上動手實驗后，很難把斜面省力規(guī)律歸結(jié)到斜面坡度大小這一根本因素上來。針對以上問題，可以先對斜面裝置進行改進：精選一定尺寸的輕質(zhì)梧桐木板刨光作為主材，先取兩塊短木板A和B在一端用合頁進行連接（A板作為水平支撐板，B板作為斜面板），同時在A、B板夾角處加裝任意停支撐連桿和量角器，B板可以通過插接更多木板改變斜面長度。這樣經(jīng)改進后的斜面裝置不但可以靈活搭建出長度、高度或坡度不同的多個斜面，坡度大小還能通過斜面與水平面夾角量角器的數(shù)據(jù)來具體反映。在學(xué)生自主搭建一個斜面驗證出使用斜面可以省力的結(jié)論后，教師拋出一個問題“大家搭建的斜面有什么不同，誰搭建的斜面更好呢？”一下子把學(xué)生帶入更深層次的思維和研究，學(xué)生很快注意到大家各自的斜面是不同的，省力情況也是不一樣的。學(xué)生開始紛紛議論和猜測，究竟是斜面長度、高度，還是坡度影響到了省力情況呢？怎樣使用斜面才能更省力呢？此刻，搭建各種不同長度、高度或坡度的斜面進行實驗驗證，成了學(xué)生最迫切的需要。創(chuàng)新的實驗材料引出了開放性的問題，開放性的問題引發(fā)了學(xué)生的積極思維，思維激發(fā)了學(xué)生搭建多個不同斜面進行實驗的動機，同時該創(chuàng)新裝置也為實驗實施提供了強有力支撐，一下子打破了傳統(tǒng)儀器材料的局限性。學(xué)生實驗完成后，經(jīng)多組（搭建的不同斜面上）實驗采集的數(shù)據(jù)用電子表格匯總（如圖1所示），然后運用排序功能，分別以“斜面長度”“斜面高度”“斜面坡度”數(shù)值對表格整體進行排序，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)在不同斜面上提拉同一重物的用力大小是與斜面坡度大小完全成正比的，輕松得出使用斜面坡度越小越省力的科學(xué)結(jié)論。一次斜面裝置的改進，一項斜面坡度數(shù)據(jù)的置入和電子表格排序功能的使用，使傳統(tǒng)實驗變得更富“新”意。

在科學(xué)實驗教學(xué)實踐中，面對傳統(tǒng)實驗的老方法和舊儀器，不能機械地“照搬照抄”，要善于思考，及時發(fā)現(xiàn)“傳統(tǒng)”中存在的問題或弊端，尋求改進與創(chuàng)新，使實驗趨于科學(xué)與高效。

二、“小”實驗“大文章”

在科學(xué)諸多實驗中，有些實驗無需專用儀器材料支持、無需讓學(xué)生進行實驗設(shè)計和記錄數(shù)據(jù)分析，操作簡單、現(xiàn)象明顯，往往被視作“小”實驗。但是，因為這些“小”實驗在課堂上“翻車”的事件卻是屢見不鮮。比如“熱空氣上升”實驗，教師經(jīng)常憑自己的主觀判斷和經(jīng)驗主義，隨意性地安排學(xué)生課前自由準備塑料袋和蠟燭，結(jié)果遭遇課堂實驗失敗的尷尬。這個實驗成功的必要條件是需要足夠數(shù)量的熱空氣支撐起一定大小和輕重的塑料袋向上飄起來，是這個“小”實驗背后暗藏的“大文章”。要保證塑料袋成功上升飄起，作為教師必須為學(xué)生提供可靠的結(jié)構(gòu)性材料和方法指導(dǎo)，為學(xué)生實驗成功保駕護航。這就需要教師杜絕經(jīng)驗主義，通過課前大量的實驗試做，從而確定熱源（酒精燈、酒精棉還是蠟燭）及統(tǒng)一準備相關(guān)合適匹配的塑料袋（大小輕重合適），同時對塑料袋與火源的高度距離、放手時間等重要影響因素具體指導(dǎo)到位，只有這樣才能做到課前心中有數(shù)，課堂有的放矢。鑒于傳統(tǒng)方法與材料存在的弊端，可以通過增置鐵架臺作為塑料袋支架，實現(xiàn)“熱氣球”的自行上升，有效克服學(xué)生不好把握放手塑料袋的時機這一難點，同時也能把學(xué)生雙手解放出來，觸摸塑料袋來感受空氣的膨脹變化；該實驗也可以在塑料袋內(nèi)部涂抹感溫油墨，通過觀察感溫油墨的顏色變化，從而判斷袋內(nèi)空氣的溫度變化，實現(xiàn)熱空氣上升原理的可視化、直觀化。

進行“小”實驗教學(xué)，如果能創(chuàng)新實驗方法并精心準備儀器材料，一樣做出“大文章”。教師只有努力做好“大文章”，才能保證“小”實驗的成功，從而激發(fā)學(xué)生的好奇心、體驗實驗成功的樂趣，并生動直觀地幫助學(xué)生揭示科學(xué)本質(zhì)。

三、原創(chuàng)教具儀器填補“空白”

“星空教學(xué)”是小學(xué)科學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容之一，屬于2022年版科學(xué)課程標準中規(guī)定的第九個學(xué)科核心概念“宇宙中的地球”，具體內(nèi)容要求為“知道宇宙中有很多恒星，通過觀察或借助軟件識別織女星、牛郎星等亮星……”標準中給出的學(xué)習(xí)活動建議描述為“觀察不同季節(jié)的星圖或?qū)嶋H觀測星空，識別織女星、牛郎星等亮星，識別大熊座、獵戶座等星座?！钡珜τ谶@部分內(nèi)容，鮮有教師在公開課、賽課活動中染指，甚至很難找到星空教學(xué)的相關(guān)優(yōu)秀資源。廣大教師望“星”生畏，一味選擇墨守成規(guī)，只知其難而未思其“源”，長期以來星空等天體內(nèi)容逐漸成為科學(xué)教學(xué)的“無人區(qū)”。其實，星空教學(xué)之所以難，是因為在課堂教學(xué)時沒有“星空”，教師沒有教學(xué)“抓手”和教學(xué)“支點”，唯有“活動星圖”這個資源是可以呈現(xiàn)給學(xué)生的“星空”，但活動星圖的平面特點與真實星空的立體感偏差較大，使用較困難。如何才能把“星空”更加形象真實地搬到課堂上來呢？經(jīng)過筆者多年的教學(xué)“孕育”，“星空傘”教具模型終于“誕生”了：用一把深色小傘模擬孩子眼中的夜空，在長期觀察、測繪和查閱資料的基礎(chǔ)上，把每一個季節(jié)某時間節(jié)點天空重要亮星和星座，用不同亮度的小電珠模擬，并固定在傘內(nèi)面大致相對應(yīng)的位置，通過用小開關(guān)分控各星或星座的亮滅。星空傘模型的原創(chuàng)，實現(xiàn)了把遠離學(xué)生課堂的真實星空具象化，為學(xué)生提供星空情境，說星星認星星不再是“空談”。師生同在“夜空”下交流互動真是一道靚麗的風景，學(xué)生輕松認識夜空中的主要亮星和星座，知道它們在夜空中的大致位置，為課后觀察星空打下堅實基礎(chǔ)，建立了星空空間觀念。教學(xué)星空有困難，不見星空是空談，自制星傘亮閃閃，模擬情景破難關(guān)。

科學(xué)教學(xué)無止境，教材、教師用書、課程標準中給出的方法指導(dǎo)或教學(xué)建議，以及現(xiàn)有儀器的配備，難免存有一定的局限性。廣大科學(xué)教師在教學(xué)實踐中，應(yīng)善于發(fā)現(xiàn)問題并思考問題根源，勇于挑戰(zhàn)教學(xué)難點，善于原創(chuàng)教育儀器填補教學(xué)“空白”，促進科學(xué)教學(xué)長效良性發(fā)展。

四、挑戰(zhàn)教材為求“真”

多版本科學(xué)教材（教科書）基本以彩圖的形式呈現(xiàn)實驗，很多時候都是“理想型”實驗，只是呈現(xiàn)出實驗的主要輪廓。這就需要教師積極發(fā)現(xiàn)實驗中存在的問題，再通過自己的實踐去改進實驗方法和材料，使廣大實驗操作更加符合學(xué)生實際，更利于學(xué)生的認知和思維。所以，教師應(yīng)在實驗教學(xué)前的備課過程中有自己的獨立思考，敢于挑戰(zhàn)教材中的“不合理”，同時積極尋求相對更加科學(xué)的方法，堅持科學(xué)的嚴謹和求“真”。

比如教學(xué)“水中下沉的物體是否受到水的浮力實驗”時，某版本教材呈現(xiàn)的實驗方法是用橡皮筋提起鉤碼，測量橡皮筋的長度，然后把該鉤碼浸入水中再次測量橡皮筋長度，通過橡皮筋長度變短得出下沉的鉤碼在水中受到了水的浮力。很顯然這種實驗方法是牽強的，實驗過程中鉤碼只是懸浮于水中橡皮筋變短，并不是在沉入水底時發(fā)生直觀變化。怎樣才能讓學(xué)生更加直觀具體的感知水中下沉的物體受到的浮力呢？一個材料與方法的小改進，卻收到事半功倍的效果：

①把兩端系有相同鉤碼的繩子掛在并排的兩個定滑輪上，端兩杯水同時使兩個鉤碼分別浸入A、B杯底部，鉤碼均下沉。

②撤掉B杯水，A鉤碼從水中上浮起來，同時B鉤碼向下移動。

③把A鉤碼置于空杯底部，B鉤碼懸空，往A杯中注水，A鉤碼上浮同時B鉤碼向下移動。

④把A鉤碼向下按壓到水杯底，B鉤碼懸空，松手A鉤碼被上浮起來，同時B鉤碼向下運動。新的實驗方式方法，通過四個變式，學(xué)生輕松感知到水中下沉的物體會受到水的浮力，形象直觀。

教無定法，更加適于學(xué)生的方法，更加科學(xué)嚴謹?shù)姆椒?，更切合教學(xué)實際需要的方法，是每一位科學(xué)教師應(yīng)該追求的方向。只有全身心扎根于科學(xué)實驗教學(xué)，在實踐中不斷探索和追求，才能覓得“真理”，達到教學(xué)新高度。

五、善思巧改更“高效”

筆者在教學(xué)“蠟燭燃燒實驗”時發(fā)現(xiàn)，教材所呈現(xiàn)的實驗方法指導(dǎo)存有以下弊端：

①手持干燥燒杯，罩在蠟燭火焰上方，觀察燒杯內(nèi)壁先出現(xiàn)水霧，后出現(xiàn)黑煙。這種手拿燒杯的方式不安全，即使戴上隔熱手套也不可取，學(xué)生容易疲勞還影響學(xué)生觀察現(xiàn)象。

②手持燒杯罩在蠟燭火焰上方收集氣體，翻轉(zhuǎn)燒杯迅速倒入澄清石灰水振蕩，觀察石灰水變化。這種收集二氧化碳氣體并與澄清石灰水混合的方法，只能說是一種理想主義，學(xué)生實際操作完成并不容易。

讓學(xué)生從操作的繁瑣與困難中解脫出來，把精力集中到觀察蠟燭燃燒后帶來的現(xiàn)象上，是實驗改進之本。該實驗重在觀察，而不是去操作收集氣體，教師應(yīng)該為學(xué)生提供結(jié)構(gòu)性實驗材料。經(jīng)思考和巧妙改進，蠟燭燃燒成套裝置應(yīng)運而生：如圖2所示，取一段高溫燃燒管（一端塞上插有玻璃導(dǎo)氣彎管的膠塞），根據(jù)實驗時蠟燭火焰的高度，將燃燒管固定在鐵架臺合適高度，管口朝下恰好罩在蠟燭火焰上方合適高度，保證實驗過程中蠟燭不易熄滅且源源不斷收集更多的二氧化碳氣體；玻璃導(dǎo)氣管通向盛有澄清石灰水的小試管。兩個實驗有機合二為一，學(xué)生只需用眼觀察燃燒的蠟燭、燃燒管內(nèi)壁以及試管內(nèi)的變化就可以了，蠟燭燃燒生成水蒸氣使干燥的玻璃燃燒管內(nèi)壁出現(xiàn)水霧，然后黑煙被掛在玻璃燃燒管內(nèi)壁，與此同時源源不斷的二氧化碳經(jīng)燃燒管收集后流向試管內(nèi)澄清的石灰水，石灰水逐漸變渾濁，一氣呵成。實驗材料和實驗裝置的巧妙改進，使學(xué)生的實驗任務(wù)更具有集中性和目的性，有效去除了學(xué)生冗余繁雜的活動，大大提高了實驗效率。

在學(xué)生實驗活動時，教師一定要本著去繁就簡的原則，把重點放在該實驗要達成的目標上，盡可能為學(xué)生提供簡單易行的方法和具有指向性的結(jié)構(gòu)性材料，這樣才能讓學(xué)生在輕松愉悅中把實驗做成功，使課堂更高效。

六、結(jié)語

廣大科學(xué)教師在實驗教學(xué)實踐中，切不可故步自封、因循守舊，當然也不能盲目追求實驗的高大上與高科技含量，一定要本著簡潔、實用、高效原則做實驗。實驗方法的創(chuàng)新和實驗儀器材料的研發(fā)都是為教學(xué)所需服務(wù)的，即應(yīng)運而生，取之有道。

參考文獻：

[1]教監(jiān)管〔2023〕2號.教育部等十八部門關(guān)于加強新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見[Z].

[2]張養(yǎng)亮.實驗教學(xué)創(chuàng)造性使用儀器材料例談[J].教育與裝備研究，2023，39（3）：48-51.

（責任編輯：加順花）