提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力

〔摘 要〕 科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中“科學(xué)探究目標(biāo)”的基本要素之一，也是小學(xué)生構(gòu)建與提升科學(xué)核心素養(yǎng)的基石。本文結(jié)合“新課標(biāo)背景下提升學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力”課題研究案例，提出：提供模板，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)方案；借助演示，啟發(fā)學(xué)生修正方案；關(guān)注數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力；發(fā)散思維，鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)方案多樣；嘗試實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)方案等五方面的策略，旨在提升小學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，全面發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

〔關(guān)鍵詞〕 小學(xué)科學(xué)；科學(xué)實(shí)驗(yàn)；設(shè)計(jì)能力；核心素養(yǎng)

〔中圖分類號(hào)〕 G424 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕 A 〔文章編號(hào)〕 1674-6317 （2025） 03 109-111

隨著科學(xué)教育對(duì)學(xué)生探究實(shí)踐核心素養(yǎng)的不斷重視，科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)作為科學(xué)探究能力培養(yǎng)的基本要素，越來(lái)越受到中小學(xué)科學(xué)教師的關(guān)注。對(duì)于小學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的監(jiān)測(cè)與培養(yǎng)，不僅是提升小學(xué)科學(xué)教育質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，更是當(dāng)前亟待解決的教育議題之一。然而，在日常的科學(xué)課堂教學(xué)中，雖然部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)關(guān)注到學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，但在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生往往處于被動(dòng)探究的狀態(tài)，依賴教師提供實(shí)驗(yàn)方案和步驟，僅按照既定要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，雖然課堂氛圍活躍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果看似“正確”，學(xué)生興趣濃厚，但缺乏對(duì)學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的系統(tǒng)培養(yǎng)。這種教學(xué)方式限制了學(xué)生的想象力和創(chuàng)新精神的發(fā)展。因此，我們需要重新審視并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以更加全面和系統(tǒng)的方式培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

一、現(xiàn)狀分析

在小學(xué)科學(xué)教育領(lǐng)域，學(xué)生主要在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力上普遍表現(xiàn)出不足。究其原因，主要集中在以下幾個(gè)方面。

（一）教師對(duì)提升學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的認(rèn)識(shí)不足

教師雖然認(rèn)識(shí)到了實(shí)驗(yàn)探究實(shí)踐能力的培養(yǎng)對(duì)探究能力、問(wèn)題解決能力、邏輯思維能力培養(yǎng)的重要性，但是沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)同樣具有舉足輕重的地位。因此，教師對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的重視程度尚顯不足。

（二）學(xué)生缺乏科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的指導(dǎo)

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)往往局限于教師演示實(shí)驗(yàn)步驟而學(xué)生跟隨模仿的傳統(tǒng)模式。在這種模式下，缺乏教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的深入指導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生在遇到復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，常顯得迷茫而缺乏應(yīng)對(duì)策略。

（三）學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)訓(xùn)練得不到保障

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括提出問(wèn)題、做出假設(shè)、制訂計(jì)劃、實(shí)施計(jì)劃、得出結(jié)論、表達(dá)交流等方面，過(guò)程長(zhǎng)、環(huán)節(jié)多?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的形成需要充分理論知識(shí)與具有豐富實(shí)踐操作的教學(xué)活動(dòng)支撐。然而，當(dāng)前對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，尚缺乏系統(tǒng)性規(guī)劃與安排，同時(shí)也缺乏有針對(duì)性的教學(xué)活動(dòng)。這種現(xiàn)狀導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力得不到有效提升。

二、提升學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力策略

（一）提供模板，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)方案

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出：能基于所學(xué)知識(shí)，從事物的結(jié)構(gòu)、功能、變化及相互關(guān)系等角度提出可探究的科學(xué)問(wèn)題和研究假設(shè)，制訂比較完整的探究計(jì)劃，設(shè)計(jì)控制變量的實(shí)驗(yàn)方案。因此，教師要精心設(shè)計(jì)、精心策劃并挑選出與學(xué)生的能力水平相匹配的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案材料。在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的初衷和原理，即為什么選擇這樣的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而激發(fā)學(xué)生的思維，啟發(fā)他們的靈感。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師應(yīng)關(guān)注學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，及時(shí)給予指導(dǎo)和反饋，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。教師通過(guò)這種方式，幫助學(xué)生積累和沉淀實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本規(guī)律和方法，進(jìn)而有效提升其自主設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案的能力。

例如，教學(xué)教科版五下《種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)》一課時(shí)，教師提問(wèn)核心問(wèn)題：種子發(fā)芽需要哪些條件？利用綠豆，我們能用什么實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證我們的想法？要求學(xué)生根據(jù)自己的認(rèn)知提出猜想，以激發(fā)學(xué)生探究種子發(fā)芽的興趣，并充分展現(xiàn)前概念。之后引導(dǎo)學(xué)生以“土壤”條件為例開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，教師呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃表格，組織學(xué)生討論以“土壤”為研究條件的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，研討“如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)施，讓實(shí)驗(yàn)更公平”。在討論中，學(xué)生就“為什么要設(shè)置兩組進(jìn)行對(duì)比”和“為什么要在每個(gè)玻璃皿中放3顆種子”等對(duì)比實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求達(dá)成共識(shí)。此時(shí)教師因勢(shì)利導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)“實(shí)驗(yàn)中只改變選擇研究的一個(gè)條件，同時(shí)保證其他條件相同，保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性”。接著播放“土壤”實(shí)驗(yàn)的操作微課，為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作提供指導(dǎo)。“在實(shí)驗(yàn)中，我們觀察到什么現(xiàn)象能驗(yàn)證我們的預(yù)測(cè)？”在研討活動(dòng)中，形成如果實(shí)驗(yàn)中“有土”組的綠豆發(fā)芽了，“無(wú)土”組的綠豆沒(méi)有發(fā)芽，就說(shuō)明綠豆種子發(fā)芽需要土壤的預(yù)測(cè)成立，反之則預(yù)測(cè)不成立的結(jié)論。在這一方案設(shè)計(jì)歷程中，教師逐步引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的缺陷，并在研討中將對(duì)比實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)逐一解決，培養(yǎng)學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)性與科學(xué)性。

總之，教師要精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)引導(dǎo)、啟發(fā)和拓展的方式，幫助學(xué)生更好地理解和運(yùn)用模板，充分認(rèn)識(shí)到對(duì)比實(shí)驗(yàn)公平性的重要性，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施中實(shí)現(xiàn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)控制變量的要求，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

（二）借助演示，啟發(fā)學(xué)生修正方案

小學(xué)階段的學(xué)生正處于身心發(fā)育的初級(jí)階段，他們的思維方式、考慮問(wèn)題的角度尚處于初級(jí)階段，對(duì)一些較為復(fù)雜的事物和細(xì)節(jié)可能無(wú)法全面而深入地理解和把握。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，這對(duì)于實(shí)驗(yàn)的成功與否有著至關(guān)重要的作用。

例如，在教科版五年級(jí)上冊(cè)《時(shí)間在流逝》一課的燃香實(shí)驗(yàn)中，教師提問(wèn)：“古人還曾用燃香來(lái)計(jì)時(shí)。它的燃燒速度是均勻的嗎？怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)?？”學(xué)生通過(guò)討論確定研究方法：給燃香等分成四段，分別記錄燃燒每一段所需的時(shí)間。教師根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，學(xué)生在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)卻發(fā)現(xiàn)每個(gè)小組第二、三、四段的燃香時(shí)間基本一致，而第一段的燃香時(shí)間都要比其他三段的時(shí)間短得多。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)哪個(gè)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題呢？在深入交流研討中，學(xué)生恍然大悟，在第一段點(diǎn)火燃香時(shí)與其他三段的燃香條件不同。此時(shí)，教師因勢(shì)利導(dǎo)，學(xué)生就能深刻地領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注細(xì)節(jié)的重要性。因此，在小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師需要根據(jù)學(xué)生的年齡特點(diǎn)和認(rèn)知水平，采取合適的教學(xué)方法和策略，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，從而提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和科學(xué)素養(yǎng)。

（三）關(guān)注數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力

探究實(shí)踐是科學(xué)課程學(xué)習(xí)的主要方式，制訂計(jì)劃并搜集證據(jù)、分析證據(jù)并得出結(jié)論是科學(xué)探究能力的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)中扮演著不可或缺的角色，它是實(shí)驗(yàn)得以順利進(jìn)行的基礎(chǔ)，也是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅可以幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變化和現(xiàn)象，還可以為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持。因此，學(xué)生應(yīng)該重視實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，做到準(zhǔn)確、詳細(xì)、及時(shí)地記錄下實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以便更好地開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，提高實(shí)驗(yàn)效果。數(shù)據(jù)本身只是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的量化表達(dá)，而數(shù)據(jù)的真正價(jià)值在于它背后的意義。除了準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生還應(yīng)該學(xué)會(huì)如何分析和解讀這些數(shù)據(jù)。

以教科版五年級(jí)下冊(cè)《增加船的載重量》一課教學(xué)為例?！霸诓牧嫌邢薜那闆r下，你覺(jué)得制作怎樣的船只載重量會(huì)更大？”學(xué)生結(jié)合自己的生活經(jīng)驗(yàn)，有一部分猜測(cè)底面積要大些，而多數(shù)學(xué)生認(rèn)為船舷高些的載重量會(huì)大些。學(xué)生在探討完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)后，教師提問(wèn)：“我們要怎樣才能直觀呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中總結(jié)出規(guī)律？”引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)自變量、因變量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄單并在實(shí)驗(yàn)時(shí)做好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄?！按细叨?、船底面積等因素對(duì)船的載重量有什么影響？”這一問(wèn)題將學(xué)生引入對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的討論與分析中，學(xué)生暢談自己的發(fā)現(xiàn)、思考以及新的疑問(wèn)——為什么這些鋁箔船船舷高了，載重量反而降低了？在綜合分析相同的鋁箔紙舷高與底面積之間的關(guān)系后，引出體積的概念，發(fā)現(xiàn)“用相同重量和相同大小的材料制作的船，船型體積越大，載重量越大”。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過(guò)程，不僅提高了學(xué)生的數(shù)據(jù)處理和分析能力，也培養(yǎng)他們的批判性思維能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

（四）發(fā)散思維，鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)方案多樣

在小學(xué)科學(xué)教育中，對(duì)知識(shí)的深入探究和獲取固然重要，但讓學(xué)生體驗(yàn)探究活動(dòng)的樂(lè)趣，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，形成科學(xué)思維方式才是根本?？茖W(xué)教師應(yīng)該敏銳捕捉每一個(gè)教育契機(jī)，深入挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛質(zhì)，積極引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用發(fā)展性思維，從多角度、多層面去考慮和解決問(wèn)題，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的思想碰撞與靈感迸發(fā)，設(shè)計(jì)出豐富多彩、創(chuàng)新獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。

例如，教學(xué)教科版五年級(jí)上冊(cè)《光的傳播方向會(huì)發(fā)生改變嗎》一課，學(xué)生按著課本的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，卻發(fā)現(xiàn)：為什么課本上實(shí)驗(yàn)圖例能出現(xiàn)光柱，而我們的實(shí)驗(yàn)卻看不到光柱？我們要看到光柱需要具備什么條件？我們的實(shí)驗(yàn)達(dá)到了這些條件了嗎？怎樣改進(jìn)我們的實(shí)驗(yàn)才能看到光柱呢？在問(wèn)題鏈的驅(qū)動(dòng)下拓展學(xué)生思考問(wèn)題的深度和廣度。此時(shí)，再激發(fā)學(xué)生從生活現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)什么情況下在亮光中也能看到光柱，引發(fā)學(xué)生探究理解弱光中看見(jiàn)光柱的“丁達(dá)爾”現(xiàn)象的條件及原理，以及如何利用“丁達(dá)爾”原理改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。以思維導(dǎo)圖方式驅(qū)動(dòng)學(xué)生發(fā)散思維，深度思考制造光柱的途徑，使學(xué)生的思維能力朝著更深更廣的方向發(fā)展進(jìn)階。學(xué)生從顆粒物的類型、制造顆粒物方法的不同角度提出了各自設(shè)想，再結(jié)合空氣與水中顆粒物看見(jiàn)光柱的途徑進(jìn)行組合應(yīng)用，一個(gè)個(gè)別具一格的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案展現(xiàn)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維。

培養(yǎng)小學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力，需要教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用發(fā)散性思維，從多個(gè)角度和層面去考慮問(wèn)題，同時(shí)鼓勵(lì)他們發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，設(shè)計(jì)出豐富多彩、創(chuàng)新獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)方案。這樣，學(xué)生不僅能夠更好地掌握科學(xué)知識(shí)，還能夠培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。

（五）嘗試實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)方案

在教育實(shí)踐中，教師應(yīng)是一個(gè)引導(dǎo)者，鼓勵(lì)學(xué)生自主大膽嘗試，勇于探索，同時(shí)要求學(xué)生細(xì)致入微地觀察實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)步驟，對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各類現(xiàn)象進(jìn)行深入的剖析和理解。正如俗語(yǔ)所言：“經(jīng)歷挫折，方能成長(zhǎng)?！碑?dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到困難，甚至遭遇挫折時(shí)，教師不必急于給出答案或解決方案，而應(yīng)引導(dǎo)他們進(jìn)行深入的分析和討論，以找到失敗的原因，并共同探討改進(jìn)策略。通過(guò)這樣的方式，學(xué)生不僅能夠不斷地優(yōu)化和完善實(shí)驗(yàn)方案，從而有效地規(guī)避潛在的失敗因素，而且其設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力也能得到提升。

例如，教科版五年級(jí)下冊(cè)《增加船的載重量》一課中，在各小組匯報(bào)鋁箔船的載重量第一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，對(duì)于體積相同的鋁箔船，大多數(shù)小組承載墊圈20～22個(gè)，而有的小組卻僅有7～8個(gè)?！盀槭裁大w積相同的鋁箔船，載重量卻有這么大的差異？影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素是什么？”引發(fā)學(xué)生的深度思考，此時(shí)，教師用視頻呈現(xiàn)了墊圈數(shù)量明顯差異的兩組實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生觀察操作細(xì)節(jié)，對(duì)比分析交流導(dǎo)致差異的主要原因。在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生不僅深刻認(rèn)識(shí)到全面考慮實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和輕拿輕放、擺放均勻操作細(xì)節(jié)的重要性，還認(rèn)識(shí)船只的平衡性和穩(wěn)定性是影響船的載重量的重要因素，培養(yǎng)了觀察和分析問(wèn)題的能力。此時(shí)，再讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)就能水到渠成了。

三、結(jié)語(yǔ)

在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐中，教師要緊跟時(shí)代的步伐，堅(jiān)守課堂陣地，致力于提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，通過(guò)精心策劃與引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，讓學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者，進(jìn)而將科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實(shí)處。

【本論文系永安市基礎(chǔ)教育科學(xué)研究2023年立項(xiàng)課題“新課標(biāo)背景下提升學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力”研究成果，課題編號(hào)：YAKT2023077】

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2]唐虞.小學(xué)中高年段學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的現(xiàn)狀研究[D].上海：上海師范大學(xué)，2023.