学生实验作业单的设计与使用研究

张瑞珺

(上海市徐汇区康宁科技实验小学，上海 200235)

学生实验作业单的设计与使用研究

张瑞珺

(上海市徐汇区康宁科技实验小学，上海 200235)

小学自然学科领域着重于培养学生的科学素养，自然学科课程是促进学生全面发展的重要基础课程。实验教学是自然学科教学中非常重要的一个部分。然而，当前的课堂实验教学并没有起到应有的作用。文章从现今自然学科教师在实验教学中遇到的问题出发，经过分析与诊断，发现学生实验作业单对学生在课堂实验教学中的表现起到良好的作用。于是对学生实验作业单的设计与使用展开研究，并通过表现性评价验证其价值。

小学自然学科；科学素养；实验教学；学生实验作业单

一、研究背景

小学自然学科领域着重培养学生的科学素养，旨在通过科学探究活动的基本过程和方法，使学生建构关于科学知识与基本技能的概念，同时激发学生对科学的兴趣与情感，养成科学的态度与自然观。[1]

儿童认知发展理论领袖皮亚杰指出，儿童建构相关认知结构与其年龄特点有关，且遵循发展规律。他指出，儿童对周围环境中物体的实际操作和感知是其建构相关认知结构的关键，此处的认知结构是指人类心理的动态机能，是一种对外界环境信息进行整理、归类、改造与创造的功能。[2]因此，自然课堂中，符合学生认知发展特点的实验教学对学生建构科学知识与基本技能的认知结构起到重要作用。然而，笔者在长期的教学中发现，课堂实验教学并没有起到应有的作用，学生往往不理解实验的目的，从而不能将“所学”在生活中进行“活用”，甚至有在教师演示实验后学生短时内便忘记一些关键实验步骤，导致课堂实验失败的现象存在。

通过长期对课堂实验的研究，笔者对产生这一现状的根本原因进行分析与诊断，并不断尝试解决方案。实践过程中发现学生实验作业单能有效地解决现存问题，使学生学会主动学习，顺利建构科学知识与基本技能的认知结构。

依据皮亚杰儿童认知结构的发展理论，小学生的认知阶段正处于具体运算阶段，这一阶段的儿童对事物的认知正由表象转为内在，即从具体思维向抽象思维发展，但正因为处于过渡发展时期，在其抽象思维活动的时候更需要具体内容的支持。[3]对于过程较复杂、关键点相对较多的实验，教师课堂中通过纯粹的实验演示经常达不到所期望的效果，这便是学生认知发展过程中具体思维向抽象思维过渡时发生脱节的缘故。在实验作业单的使用过程中，学生通过阅读、思考、研究、质疑、分析、尝试、讨论、试误等方式，在潜移默化中帮助其形成抽象思维，从而构建相关的认知结构。

此外，美国佛罗里达大学心理系教育心理学家罗纳德·G·古德，以皮亚杰的认知结构发展理论为基石，与儿童科学的学习及概念形成相结合，对学生在科学课中概念的形成进行研究，加以剖析后发现，教师帮助儿童建构科学概念的认知结构时遇到了制约因素，其中最重要的是：其一，概念学习与其年龄对应的认知发展水平关系密切；其二，直接的口头教授对加速儿童的认知发展作用甚微。同时，在对课堂的研究中罗纳德将教师归结为5种角色：演讲者和问题的回答者；讨论的引导者；活动的指导者与评价者；活动的推动者；研究的共同参与者。并且在研究中发现当教师作为活动的推动者或是研究的共同参与者时，这些制约因素便能够得到改进与协调。[2]但是，现今小学自然教师通常以前三种角色出现，从而导致学生在构建科学知识与基本技能的认知结构时遇到阻碍。

通过学生实验作业单，完全将“学习过程 ”的主动权交给学生，教师从课堂的引领者转变为学生活动的推动者与实验研究的共同参与者。同时，从与学生年龄相应的认知水平出发对实验作业单进行反复的设计，使用后学生的理解、分析与发现问题的能力，以及主动思考与共同分享的习惯都获得了全方位的提高。

二、学生实验作业单的设计

作为活动的推动者，教师并非退出课堂，而是将其作用隐性化。学生实验作业单的设计便是教师推动整个教学实验活动的关键任务。皮亚杰建构主义理论认为，认知的建构是通过同化与顺应两种方式进行的。所谓同化，是指儿童将环境中的信息吸收并与已经存在的认知进行整合的过程；而顺应则是当儿童原有的认知结构不能适应环境的要求时，需要改变原有的认知结构以适应环境的过程，使自身的认知获得质的变化。[2]

因此，实验作业单不但要使学生知道整个实验的操作过程，达到同化的作用。又要具备使学生产生质疑的关键点，达到顺应的作用。通过两者的平衡，建构学生新的认知结构。

笔者经过多番尝试，发现实验作业单需要包含以下几项内容：

1.实验内容标题。让学生知道即将进行的实验研究是什么内容，使其有目的地去参与实验作业单的研究。

2.实验器材。处于具体运算阶段的儿童，在进行思维时，依旧需要借助具体实物的帮助，实验器材能够帮助儿童从具体思维向抽象思维发展。

3.操作步骤及相对应的操作要点或者设立显性思考提问。罗列简明清晰的操作步骤，使其明白整个实验的过程，并且给予相对应的操作要点或需要思考的问题，初步介绍建构实验的概况，让这些基本的操作流程同化于学生的前概念。

4.隐性思考的留白。教师不必说明每一步实验操作。在实验作业单中需预留一片思考的空间给学生，让其自己主动产生质疑、引发思考，这便是顺应的过程。

5.实验记录。实验完成后需要依据实验现象完成相关的记录，记录的内容应根据实验内容有目的地设计，使其明白观察的目标是什么，从而强化实验目的。

6.实验结论。实验的结论可以多样化，主要是让学生能够通过对现象的分析，以及在作业单的帮助下获得本次实验研究的结论。

实验作业单通过以上全部或部分内容，让学生知道做什么、怎么做、为什么这么做，从而对其建构相关的科学基本知识及技能的概念起到作用。

在对实验作业单设计的研究过程中，笔者发现对学生学习中不同的需要，大致可以将实验作业单设计为两类：操作型实验作业单与设计型实验作业单。并且，每一份实验作业单都经过初步设计、反复多次的实践研究与修改才最终定稿。例如《物质溶解量的多少》中的实验作业单(见图1)，即为典型的操作型实验作业单。

图1 《物质溶解量》实验作业单

这张实验作业单包含了以上6个部分，实验让学生研究不同物质在等量水中溶解量是相同还是不同，其中等量水已提供，学生需在其中加入差不多量的糖或盐，因此实行用勺子取后刮去多余物质的操作，作业单的操作步骤与要点都清晰罗列，文字浅显易懂，学生阅读都基本没有障碍。同时，又在每一个步骤中留下思考的空间：为什么要刮？怎么刮？何时能加下一勺？如何记录？如何统计？等等。这些都是给学生隐性思考留白的地方。通过对留白处疑问的逐一解决，使学生彻底了解实验的每一个步骤为何这么做，提高实验的成功率，建构学生的科学概念。

最初的实验单并没有达到最终需要的效果。原始实验作业单中，只提到每一勺的量要一样，并没有告诉学生可以使用塑料片，学生会产生抖一抖的方式，甚至在研究时不去使用塑料片，又或者教师直接提出塑料片的作用是什么，这对于达到学生的主动学习的目的效果就不明显。因为在他们需要思考的时候，实物与思维之间没有进行衔接，学生没有形成内在的思维。因此对作业单进行重新设计，经过不断尝试与修改，最终达到所需的效果。

设计型实验作业单是让学生在熟悉旧知识的前提下，在经验的基础上过渡到新的知识领域。这类实验作业单可以用两种方式呈现，一种是针对实验步骤设计的作业单，由于学生认知发展水平的局限性，学生不能够写出清晰的实验步骤，因此教师先将可能涉及到的实验步骤先以乱序的形式呈现于实验作业单，学生根据自己已有的认知进行判断并正确排序后，再根据正确的实验操作步骤进行实验。例如《沙温的变化》中测量沙温的变化实验作业单(见图2)就使用了此方法，学生在水温变化实验的认知基础上对其展开研究，获得了较好的学习效果。

图2 《沙的温度变化》实验作业单

另一种方式是对装置的设计，在此处教师需先给予学生相应装置的简图或者符号，便于学生画出装置的设计。教师应注意不给学生在画图上造成障碍，以阻碍学生科学认知的构建。如《小电珠的串联与并联》的实验作业单中(见图3)，学生在前一课时已知简单电路连接及电路元件符号的基础上，对能同时点亮两个小电珠的电路进行设计，让其形成内在语言，帮助对知识的构建。

图3 《小电珠的串联与并联》实验作业单

三、学生实验作业单的使用与指导

美国科学教育专家兰本达教授认为：如果一切知识是权威者给的，是自上而下的，那是封建思想，学得了这般知识的同时，也继承了封建思想。她主张让学生主动去寻找，知识是学生通过自身的努力而获得。教师不应把现成的结论告诉学生，这是她自己教学的“信条”。[4]学生实验作业单的使用便把学习主动权还给学生，提升学生的阅读分析、理解与综合探究能力。

1.利用操作性实验作业单，提升学生阅读分析能力

实验作业单的作用是使学生自主学习的内在动力被激发，实验的成功率提升。使用过程中，让学生通过个人阅读、摆弄器材——发现问题；小组讨论、教师指导——解决问题；知晓步骤、动手实践——完成操作。

如一堂研究课《物质溶解量的多少》(见图1)，教学目标中有一点是让学生通过实验、比较等方式，知道不同物质在水中溶解的量是不同的。学生主要通过对实验作业单的研究自主学习，完成实验。教师从任务的引领者成为活动的推动者。学生先自行阅读实验作业单，讨论实验的做法及注意点，从中提出疑问，小组内互相尝试解决，总结无法解决的疑问进行全班讨论。教师在学生研究后，与学生共同研究疑问并提出针对性的问题，以发现学生对实验的掌握程度。

教师在试教过程中，须针对学生对本次实验作业单使用的情况，进行二次设计。第一份实验作业单中，只提到每一勺的量要一样，并没有告诉学生可以使用塑料片。在修改时，将塑料片的使用显性化，引导学生思考它的作用，尝试它的用法，达到主动学习的效果。作业单不是给学生故意留难题，而是教师推动学生学习的媒介，所以既要保证理解的顺利性，又要确保之后思考的空间。

又如，五年级《空气的成分》这堂课中，教师在实验器材中添加一块玻璃片。学生在阅读实验作业单时，发现教师提供的器材和书本上器材不同，提出质疑。教师通过分析让学生明白玻璃片的使用能使实验效果更明显，能提高实验成功率。

《水的压力》这节课对操作性实验单又有了新的改进(见图4)。三年级的学生不具备实验设计能力，小学阶段又有大量的比较实验。教师在设计实验作业单时把实验准备部分的“操作要求”改成“操作与思考”。希望学生通过思考与讨论了解比较实验中如何控制变量。同时，教师让学生在实验前先有个思考的过程，“为什么要这样做？这样做的目的是什么？”学生在阅读时边思考、边分析原因，了解这样做的道理，学会了举一反三。

图4 《水的压力》实验作业单

操作性实验任务单的使用，让学生自己对学习内容进行解析、消化，使学生由被动接受变为主动思考。这将激发每位学生分析问题和解决问题的热情，使之真正成为课堂的主人。

2.利用设计性实验作业单，提升学生综合探究能力

设计型实验作业单不同于操作性实验作业单。它不再向学生细细说明实验操作步骤，但是学生能够根据教师提供的材料与结果的提示性语句设计出相关的实验步骤，这对学生设计实验的能力是一个提高的过程。同时材料的限制与提示的结果，又不会让学生的设计“跑题”，这也对教师设计实验作业单的另一种挑战。

如三年级研究《沙的温度变化》实验(见图2)，由于他们刚刚进入中年级阶段，实验能力相对较弱。要他们完整地写出每个实验步骤有一定困难。教师在指导这类实验时以学生的已有认知《水的温度变化》为基础，提升实验要求。让学生模仿《水的温度变化》操作步骤设计实验。教师在设计实验作业单时准备了许多实验器材、步骤供学生选择，大大降低设计难度，为学生顺利完成实验打下基础。

又如，在《水的旅行》一课中，教师利用设计型实验作业单让学生以画一画的方式“模拟水循环”。在设计前，先让学生明白高、中、低空的温度差异，学生有了知识和能力基础后，再启发学生用画的方式，呈现实验装置图。学生边设计边思考，这些材料可以模拟自然界的什么环境，接着带领学生研究他们的模拟装置是否合理，最后，用实验进行验证。

通过两种类型的实验作业单可看出，教师面对不同的教学目标，应采用不同形式的实验作业单从而培养学生不同方面的能力。其所达到目标，往往要比教师单纯讲授效果好。

四、学生实验作业单使用效果的评价

对于学生实验作业单的使用效果，采用表现性评价方法，它是在对传统的学业成就测验批判的基础上发展起来的，或者说通过学生自己给出的问题答案和展示的作品来判断所获得的知识和技能。因此，我们可以看出表现性评价不仅评价学生“知道什么”，更重要的是评价学生“能做什么”；不仅评价学生行为表现的“结果”，更重要的是评价学生行为表现的“过程”；不仅评价学生在课堂中的表现，更重要的是评价其在模拟真实或完全真实的情境下的表现。

此次评价选择了大型、中型、小型三所公办小学的三年级学生共230位参与。评价过程如下：

1.每所学校参与评价的学生以班级为单位，分为2组，一组为实验组，一组为对照组。

2.每所学校由同一位教师进行教学指导。

图5 《探究空气压力的方向》实验作业单

3.为了最终测评能顺利开展，在测评前2个星期，教师进行了“探究空气压力的方向”(见图5)及“用量筒量取8毫升的水”(见图6)这2项实验的学习。其中对照组，在2项实验操作过程中，没有实验作业单的布置，采取了讲师讲学生做的传统教学方法；实验组则在实验时，自主学习实验作业单，学生可以就实验作业单中的不清楚或容易产生疑惑的内容进行提问，通过教师和学生之间的互相交流，了解实验操作的正确方法，最终完成实验的操作。2个实验在一星期内完成操作。

图6 《用量筒量取8毫升水》实验作业单

在这两项实验当中，主要让学生通过操作了解如何用小烧杯往玻璃杯内加满水；量筒使用时，如何正确读数等。

4.为了保证实验的公平有效性，根据艾宾浩斯遗忘曲线的规律，[5]考核在2个星期后进行。考核的内容如图7所示：

用排水法测量橡皮的体积实验作业单实验器材：水槽、量筒、塑料盒、小烧杯、玻璃片、集气瓶、橡皮、抹布实验要求：在集气瓶中装满水，并盖上玻璃片，要求水中无气泡。将装满水的集气瓶放入塑料盒中。小心的移去玻璃片。将橡皮轻轻放入集气瓶中。将玻璃片盖在集气瓶上，并将集气瓶从塑料盒中取走。将塑料盒中的水倒入量筒中，读数并记录。完成实验记录。实验记录：我测得塑料盒中的水的体积为 毫升，等量对换，因此我测得的橡皮的体积为 立方厘米。提示：1毫升=1立方厘米。

图7 考核用实验作业单

在准备实验器材的过程中，水槽里的水量，需低于玻璃杯横过来的高度，使学生意识到需要用小烧杯往玻璃杯中加水，并要求水中无气泡。塑料盒则为一次性塑料饭盒。

考核标准如下表1：

表1 用排水法测量橡皮的体积实验评价表

这是结合之前2项实验中的内容而设计出的综合实验评价表。可以看到，取水中的第一项考核项目，往玻璃杯中倒水及量筒的使用，在之前的2个实验中已经学习过，学生将在已有的实验操作基础之上，根据实验作业单的内容，完成测评。这样不仅降低了考核的难度，同时更能体现出经过2个星期，在不同的教学方法学习后，哪一种教学方法更能使学生将实验掌握得更好。其中主要的考核点为能用小烧杯往玻璃杯中加水及读数正确。在读数正确方面，因为在操作过程中的差异性，教师检查学生的读数准确即可。

表2为本次考核的最终单项及总分的得分率对比。其中实验组为122人，对照组为108人。

表2 用排水法测量橡皮的体积实验评价表

图8

从上表中，我们可以看出，单项操作方面及最后的总分，实验组及对照组的得分率不相上下，这说明两组学生由于之前的2项实验操作的学习，致使学生的前概念水平差不多，遗忘程度也相差无几。

在单项方面，有些项目，如往玻璃杯中倒水，放橡皮的得分率要远高于与量筒的使用相关的得分率，这也足以说明，在日常实验教学中，量筒的使用频率较低，学生较少用到量筒，而用烧杯加水及放橡皮，一是难度较低，二是经常使用，致使这2项的得分率远高于其他几项。

从整体来说，在大部分项目中，实验组的得分率稍高于对照组，特别是在按序操作及读数正确这2个项目中，得分率要高于对照组。因此，通过实验作业单训练的学生，在实际的操作过程中，有序性及准确性较高。这些学生在测评中，拿到实验作业单后，能静心阅读作业单上的内容，看完整了后，再按照作业单的要求一步步进行实验操作，而没有接触过实验作业单的学生，在操作过程中，则稍显随意，有一些是看一步做一步，遇到困难，甚至会打乱操作步骤，比如有些学生看的时候不仔细，将塑料盒中收集到的水直接倒入水槽中，而不是量筒中，致使实验无法进行下去，也有一些按照桌面上的实验器材，有什么做什么，有序性及准确性较差。

从以上的数据来看，实验作业单的设计与使用有提高的空间，如果在教学过程中，能长期坚持实验作业单的教学，改变实验学习的方法，特别是在设计实验作业单的时候，教师能适当留白，隐藏某些关键的操作点，引发学生在阅读过程中的疑问，那么学生在阅读能力、质疑能力、操作能力等综合能力方面肯定会有长远的进步。

[1] 上海市教育委员会.上海市小学自然课程标准(试行稿)[S]. 上海：上海教育出版社, 2004.

[2] 罗纳德·G·古德.儿童如何学科学——概念的形成和对教学的建议[M]. 北京：人民教育出版社, 2005.

[3] 霍德华·加德纳.智能的结构[M]. 杭州：浙江人民出版社, 2013.

[4] 兰本达, P.E.布莱克伍德, P.F.布兰德温.小学科学教育的“探究——研讨”教学法[M]. 北京：人民教育出版社, 2008.

[5] 卢家楣, 魏庆安, 李其维. 心理学[M]. 上海：上海人民出版社, 2004.

Research on Design and Use of Experiment Homework Sheet

ZHANG Ruijun

(Shanghai Kangning Tech Experimental Primary School in Xuhui District,Shanghai 200235)

The task of science courses in primary school is to raise the primary students’ science quality and to improve their comprehensive development. Experiment teaching is an important part of science teaching. But the role of experiment teaching has not been understood yet. From the problems met in experiment teaching, the author notes that the experiment homework sheet has positive effect on students’ performance in experiment teaching, then he assesses its value by performance assessment.

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张瑞珺，上海市人，上海市徐汇区康宁科技实验小学高级教师，主要从事小学科学教育研究。