关于提升初中科学实验教学效益的思考

杨封友 何明媚

一、提炼实验思想

达尔文曾说:“最有价值的知识是方法的知识”。科学大师深刻的设计思想、精巧的实验方法,一直是人类认识未知世界的锐利武器和宝贵财富。科学史上每一次的重大发现,往往伴随着实验思想的重大突破。就像“物体振动产生声音、影响电阻大小的因素”等平常的实验中都蕴涵着转换、类比等永恒的实验思想,拣起这些洒落的珍珠让学生去触摸也应成为实验教学的追求。提炼实验思想,可隐含于实验方案的设计过程,也可显现于对实验方案的评价。

例如,在“力的作用效果”教学中,学生通过挤压气球、掰断粉笔、捏橡皮泥等实验,知道了“力能使物体发生形变”,此时出示锥形瓶,问道:“用手指捏锥形瓶外壁,锥形瓶有没有发生形变呢?”,“看不出”、“应该有吧”,学生难以确定。教师启发道:“锥形瓶的形变很细微,很难直接看出,我们有哪些办法使它的形变清晰可见?”冷场一会儿后,一位学生说:“在瓶中倒满水,若锥形瓶受挤压发生形变,水会溢出来。”受此启发,在讨论中最后形成方案:将锥形瓶装满水、密封,再插入一根很细的玻璃管,用手指挤压瓶壁,玻璃管内水柱可能会上升。演示后,师生一起总结:利用水的流动性,借助内径很细的玻璃管,将瓶壁的微小形变转化并放大为水柱的明显升降。在这一教学过程中,通过对有没有形变的猜测、使形变由不易察觉转换为显而易见的讨论,学生自然而然地体会到了“转换”的思想和“放大”的方法。

又如,在教学“光合作用的过程”时,让学生直接对教材中的实验方案进行评价:为什么要将一片叶子的一半遮住?而不将全部遮光的叶片与另一未遮光的叶片进行比较呢?通过评价与讨论,学生发现了这样做的好处:选择同一片叶片可以使除了有无光照这一因素不同之外,其余的情况都是相同的,避免因条件的差异而引起实验结果的偏差。在这一过程中,学生虽没有说到“控制变量法”,但事实上已利用了变量控制思想,并能粗略地感知通过对变量的控制可以使实验朝着研究的方向发展。看来,我们可以引导学生直接对现成的方案进行评价,在评价中体悟实验的思想方法。

当然,我们也可通过实验科学史的介绍、科学大师们精妙实验的再现等多种方法,让学生感知实验的思想与方法,领悟永恒的科学精髓,实现实验教学功能的提升。值得注意的是,在进行思想方法培育时,我们要努力在实践中“渗透”,少做方法的“说教”。

二、质疑实验方案

质疑行为是经过独立性思考、批判性分析的思维结晶,质疑精神正一步步承载并推动着社会的发展。实验方案是对实验的系统预设,往往包含着确立一定的理论假设、选取相应的实验器材、拟定具体的操作步骤等过程。在实验教学时,从方案的设计过程出发,从方案的科学性、可行性等角度入手,引导学生对实验方案进行质疑,有利于学生养成“不迷信书本、不盲从权威”的品质。质疑时间既可在方案设计时,也可在实验进行后,视具体情况而定。

例如,在“质量守恒定律”的教学时,为测出反应前后的质量,引导学生设计相应实验装置,当师生一起设计出了如教材所示的实验装置后(见下图),由于设计过程中的习惯性质疑,教师也让学生对方案的可行性进行最后的讨论,一些学生提出了质疑:1、用细铁丝去引燃白磷,若塞橡皮塞的动作不够迅速,由于白磷燃烧会使气体膨胀,一部分气体会跑出瓶外,导致实验的不准确;2、锥形瓶中空气的质量是很少的,白磷、瓶中氧气两者反应的质量可能会少于天平的感量,其结果不能让人信服。经过又一番讨论,学生对实验方案又进行了优化:为避免气体泄露,建议不用细铁丝引燃,改为将锥形瓶放在石棉网上加热点燃;为感知量的微小变化,建议使用更精密的天平。

又如,在探究“影响酶催化作用的因素”时,教材中的方案为:内装2毫升1%淀粉溶液的试管分别置于60、10和37℃左右的水中,5分钟后分别注入1毫升新鲜的淀粉酶溶液,再过5分钟后各滴入1滴碘液,然后观察颜色变化情况。依照教材方案实验后,让学生围绕“方案是否科学”进行讨论,有学生质疑:由于在整个实验中都用同一种淀粉液,实际上已经预先设定了PH值,其得出的在37℃时酶的活性最好只能说是在某一个PH值时是这样的,却不能说在任何PH值下都是37℃时的酶的活性最好。面对这一意外而合理的质疑,我鼓励大家重新设计实验方案。经过讨论,学生设计了如下表所示的实验方案。该方案体现了温度和PH值的相互关系,可以看出他们能全面地看待影响某一事物的多种因素。

也许,学生的质疑可能比较肤浅,设计不一定完美,但只要我们持之以恒地加以引导和鼓励,也会有利于质疑习惯的养成、批判性思维的培育、科学素养的提升。当然,要引导学生学会质疑,教师首先要善质疑、会质疑、懂质疑。

三、研究实验技术

技术是人类文化史上较早出现的一种文化活动,能为科学的发展提供有力的支撑。每一项实验技术,看似普通,细而推之,往往又是精巧而独特的,追溯、演绎技术的诞生过程,还会发现其中蕴含着丰富的教育资源。如伽俐略的“斜面”,看似信手拈来,其实独具匠心;以此达到“冲淡重力、放大时间”的目的,从而克服了当时测量工具精度不高的局限,取得了一系列富有前瞻性的成果;托里拆利用一端封闭的玻璃管和水银测出了大气压强;借助弹起的乒乓球观察音叉的振动……在实验教学过程中,让学生体会实验技术的奥妙、蕴含的人文精神,利于全面提升学生的科学素养与创造能力。

又如,在教学“影响电阻大小的因素”时,先让学生猜测、设计方案,与学生一起按教材利用不同规格的电阻丝进行实验,得知导体的电阻大小与材料、长度、横截面积等因素有关。在此基础上,出示一根细铁丝和几个带导线的金属夹,让学生讨论“只用一根细铁丝能否验证导体长度对导体电阻的影响”;大家很快想到了办法:将金属夹夹在细铁丝的两端,移动金属夹改变接入电路的细铁丝长度;此时教师追问:“能否用一根细铁丝验证导体横截面积对电阻的影响”;经过短暂的冷场后,有个别学生提出:将细铁丝弯折成两股,比较在相同长度下,一股细铁丝与两股细铁丝的电流大小的关系,即通过改变股数实现横截面积的变化。

在上述实验教学过程中,通过对影响电阻大小因素的器材替换的探讨与演示,以不同的实验器材达到了相同甚至是更好的效果,为理解滑动变阻器原理作了自然的铺垫,拓宽了学生的实验思维,延伸了学习的领域。可见,对实验技术进行适当的研究与提升,可谓益处颇丰。当然,如何适度地组织学生进行技术设计、操作实践,我们需根据学生水平、实验技术难度等因素加以确定。

四、拓展实验问题

好奇是人之天性,问题是科学的源泉。陶行知先生曾说:“发明千千万万,起点是一问。”爱因斯坦也指出:“提出一个问题往往比解决一个问题更为重要,因为解决问题也许仅是数学上的或实验上的技能而已,而提出新的问题、新的可能性、从新的角度去看旧的问题,却需要创造性的想象力,而且标志着科学的真正进步。”因此,在实验过程中,当学生验证了他们的猜想或解决了心中的疑惑后,如果此时将问题延续或引导学生提出更广、更深的问题,对学生积极主动地探索未知世界,发展思维、锻炼能力可能会有更大的帮助。

例如,在进行“声音的传播”教学时,当学生体验了自制“土电话”能传声后,让学生针对影响传声效果的因素,提出可进一步研究的问题。学生在相互启发下,不断地提出了新的问题:线的长短有没有影响?线的材质有无关系?线的粗细会不会影响?线的股线是否有关?纸杯的大小是否有关?……在不同角度的问题出现后,再让学生对问题进行分类,布置课后研究任务。

又如,在探究“为什么在路面撒盐可以阻止水结成冰”的活动中,学生通过实验发现了其中的奥秘,不少学生就大胆设想:如果往水里加糖会不会有同样的效果?加酒精又会如何?还有没有比盐更好更经济的材料呢?学生很乐意也很主动地投入到他们感兴趣的研究之中。

再如,一些实验的失败之处或存在缺陷的实验过程也可以成为拓展实验问题的有利契机,教师不必次次将实验做得完美无缺,有时可故意出现一些“错误”,给学生的问题激发留一些空间。如“铁丝在氧气中燃烧”实验,瓶底故意没有铺一层细沙或导入一些水,导致实验结束后,集气瓶底被炸裂;在“氢气还原氧化铜”的实验中,在实验结束时,先停止通氢气,过一会再移酒精灯,结果生产的红色铜又变成了黑色的氧化铜。

在实验教学过程中,可以针对实验器材、操作步骤、异常现象、实验结果等要素,引导学生提出进一步研究的问题。值得注意的是,要让学生延续问题,不断发展提出问题能力,教师除了提供各种促使问题得以延续的机会外,还要注意保护学生的问题意识,不论问题的质量如何,教师都要积极地善待、鼓励学生,让他们能持续地保持着对探究的好奇心。

总之,在实验教学过程中,通过提炼实验思想、质疑实验方案、研究实验技术、拓展实验问题,在一定程度上能挖掘实验功能,提升实验教学效益,为学生科学素养的全面发展提供帮助。值得注意的是,在进行实验教学提升时,我们要力求有的放矢、切合实际,切忌面面俱到、随意提升;此外,课前还需充分预设、系统规划。■