“变式实验”在科学教学中的实践与研究

王孝德 张梦雅

摘 要：以实验为基础是科学教学的基本特征。如何提高科学实验的效率，体现“学为中心”的思想，是科学教学的一个重要课题，也是素质教育的基本要求。在科学课堂教学实践中，我们努力探讨了变式实验教学及其教学策略，希望能对科学教学有所启发。

关键词：变式实验；科学教学；实验优化

科学课程的核心理念之一就是科学探究。随着新一轮课程改革的纵深推进，实验已成为教学环节的重要组成部分。我们以实验为基本手段和方法，调动全体学生的积极性，优化学生思维品质，培养学生学习习惯和学习方法，从而减轻了学生负担。在变式实验教学过程中，我们积极调动学生的学习情感，组织学生开展活动，把握活动的广度和深度，激发学生思维，从而达到素质教育的真正目的——启蒙人的智慧与思想。

变式教学最早起源于上海学者顾泠沅，他在《学会教学》中率先加以研究，以“青浦实验”有关变式教学的研究为基础，从一个特定的角度对中国数学变式教学进行经验反思与理论分析。所谓“变式”，就是指教师有目的、有计划地对命题进行合理的转化。由于学科之间的共通性，科学中采用变式实验优化教学。我们用不同形式的实验材料，变换实验方式帮助学生理解实验原理，建构科学概念，提高学习效率。为了实现有效变式实验教学，体现“学为中心”的思想。

一、实验材料的优化是实现有效“变式实验”教学的重要策略

黄鹏飞老师提出基于“学为中心”的“五优化”实验教学，包括优化实验目标、优化实验方式、优化实验准备、优化实验过程、优化实验评价。其中，实验准备的优化是最为有效的方法之一，而在实验准备优化过程中，实验材料的优化较为高效，也是“学为中心”的直观体现之一。材料结构的优化让学生更投入地探究、更自由地操作、更有效地学习；使学生通过研究材料去发现问题，解决问题，促进学生养成科学素养。例如，在2012年浙江省优质课评比中，“电热器”课例充分体现了通过实验材料的优化，达到有效变式实验教学的目的。

师出示：一根电阻丝，连接到电路中，闭合开关。

设问：现在这根电阻丝是否有热量产生？

生1：用手来摸，如果感觉热，就说明产生了热量。

师：这想法理论上是可行的，但实际操作中是有问题的。

生2：继续通电看电阻丝是否会发红。

师：这也许需要很长的时间。

教师出示一个泡沫，把泡沫放在刚才的电阻丝上，泡沫很快被切断了。

师设问：你观察到了什么现象？

生1：泡沫被切断了。

师：说明了什么？

生1：电阻丝产生了热量，把泡沫切断了。

师：把不可见的现象转换为可以看到的现象，科学上把这种方法叫作转换法。

“电热器”这一课例将书本中的电阻丝加热实验进行变式，用泡沫切割的方法替代温度计，实验过程简单，现象明显，表达清晰，学生较容易理解。通过实验材料的优化，学生能清楚地理解电阻产热的原理，并渗透了转换法的科学方法，由浅入深，激发了学生的探究欲，在变式实验中体现了“学为中心”的主旨，突出了学生的主体性。

二、拓展学生思维是有效“变式实验”教学的前提

实验材料的优化作为实现变式实验教学的有效策略之一，方法简便，效率高，但需要教师具有较强的创新能力，且需要思维的灵活度。学生是课堂的主体，更是实验教学活动的主要参与者。为了体现“学为中心”的思想，我们强调必须在实验变式教学中拓展学生思维，具体可以通过探测学情、内化概念、建构概念等过程拓展思维。

1.探测学情，引发思考

实验前的预测是拓展学生思维的切入点。在实验进行之前，教师应通过创设富有挑战性的问题情境，引发认知冲突，而设定的实验恰是解决这一认知冲突的关键。现以“气体压强和流速关系”这一课为例。

师：这里有两张纸片，如果往纸片中间吹气，会有什么现象？

生1：会吹开。

师追问：为什么会吹开？

生1：我生活中吹纸片，一吹就吹开了

师：其他同学呢，有没有不同的观点？（学生都点头）

师：科学是讲究证据的，我们需要通过实验来验证这一现象。

教师以两张纸片的例子探测学情，一部分学生可能会说纸片会吹开，这与实验结果相反，从而引发认知冲突，拓展学生的思维，激发其学习兴趣，建构出一个概念——气体流速越大，压强越小。试探性的学情预测能够使学生的思维过渡到活动中，从预测到思维的过渡是一个循序渐进的过程，学生逐渐建构概念，符合其认知发展规律。

2.运用新知，内化概念

科学概念建构之后，需要让学生明确科学概念是经得起反复考证的。所以，由学生设计实验来验证科学概念的正确性，用不同形式的直观材料或实例说明事物的本质属性。这也是学生对科学概念的迁移和提升。现以“气体压强和流速关系”一课的实验环节为例。

师：其实这一规律在生活中还有很多应用，请同学们尽可能设计实验，实验器材有

乒乓球、吸管、烧杯（水）、一次性塑料杯、纸，待会儿请同学上来演示，一个同学做，一个同学仿照这个范本进行讲述。

（1）你用______使______处气体的流速变______了。

（2）你通过______现象发现______处压强变______了。

（3）你得出______结论______。

小结：当气体流速越大，压强会越小。那么液体呢？

请同学们利用轮船、注射器、乒乓球、水槽（注意注射器的水流水平射出）来设计实验，验证液体压强和流速的关系，也仿照范本：

（1）你用____________使______处液体的流速变______了。

（2）你通过____________现象发现____________处压强变______了。

学生运用刚掌握的结论进行自主设计实验，并应用科学概念。他们能轻易地设计出乒乓球从纸杯跳起、两塑料杯内吹乒乓球等实验，最后，在液体压强与流速关系的教学中，直接给出器材轮船、注射器、水槽，由学生自主探究。这是因为在之前气体压强与流速关系的学习中，教师已经作好铺垫，学生能够由气体压强与流速的关系类比推出液体压强与流速的关系，所以能比较容易地设计实验。教师合理利用实验设计环节，能够使学生的思维更广、更深，内化科学概念。

3.建构概念，发展认知

概念初步建构好后，就需要发展学生的认知，感知建构经验。当教学内容所蕴涵的信息通过一系列活动呈现在学生面前时，只有超越所给的信息，才会获得重要的、可迁移的观念，才能适应复杂的环境，而这种超越就是对实验现象的解释。在“气体压强和流速关系”课例中，就体现了概念从建构到发展的过程，反映了学生思维的发展过程。

师：为什么纸片会靠拢呢？看来咱们要好好分析下。纸片的中间和外面充斥着什么？

生：空气。

师：那刚开始前，纸片处于什么状态？

生：静止。

师：说明纸片两侧受到的大气压力有什么关系？

生：相等。

师：吹气不是把中间的空气吹跑，而是使中间的气体流速变大，那我们看到了什么现象？

生：纸片靠拢了，里侧的压强小，外面的压强没有改变。

师：通过这个实验，咱们得出的结论在生活中有很多应用，比如刚才的同学就很巧妙地运用了吹气让乒乓球悬浮的办法，现在我们来解释下。

吹气使乒乓球 上方 处的气体流速变 大 了，气压变 小 了，使乒乓球下方的气压大于上方的气压，所以乒乓球不会下落。

“纸间吹气”现象的解释——初步建构“气体流速越大压强越小”概念，“悬浮的乒乓球”现象的解释进一步认同“气体流速越大压强越小”概念，在这一过程中概念一步步得到发展，学生主动地参与到学习过程中，最后真正建构“流体流速越大，压强越小”的概念。

三、学生体验深刻是有效“变式实验”教学的途径

学生思维的拓展可以有效促进概念的发展，这对于强调学生思维发展的“变式实验”教学是非常重要的。除此之外，学生学习科学知识是接受的过程，更是发现和创造的过程。因此，教师在科学教学中引导学生自主发现、主动探究，体验未曾经历的独特经历，让学生体验学习的乐趣。在实验教学中，学生是主动参与者，变式实验尤为强调学生体验的深刻性。在“气体压强和流速关系”课例中，有许多让学生印象深刻的体验活动。

师：现在每位同学都有两张纸片，大家吹吹看。

师：大家去吹纸片时，发现纸片怎么样了？

生：纸片真的合拢了（体验深刻）

……

师：现在你们在注射水流的过程中发现了什么？

生：小船碰到一起了！（经验继续延展）

……

师：同学们，当我用吹风机吹机翼时，你观察到了什么？

生：机翼升起来了！（体验进一步加强，经验在学生头脑中牢固建构）

从吹纸片到注射小船、吹机翼模型，在这些实验活动中，学生都亲自操作，亲自体验，从“真的合拢”“碰到一起”“机翼升起来”这一系列的话语可以看出，学生对体验很有感悟，并发自内心地感到快乐，这与“学为中心”的思想是非常契合的，学生在此活动过程中非常快乐，学习效率也得到提升。这一系列的活动让学生体验非常深刻，经验在学生头脑中从建构到延展再到牢固打下基础，着实提升了实验教学的有效性。

四、学生充分交流是有效实验教学的保证

当学生对一系列彼此有联系的材料进行探究并获得有意义的经历之后，他们的内心有了等待开发的语言思维——一种可用语言表达的思维。这种由前语言思维向语言（概念）思维的转化有一个过程，集体研讨则是促进这种转化的有效途径。学生通过对有效实验现象和结果进行交流，这是有效实验教学的保证。

总之，有效变式实验是科学实验教学的重要组成部分，我们通过实验材料的优化、拓展学生思维、充分交流等实践实现有效的实验教学。在实验中调动学生的积极性，提高学生举一反三的能力，体现以“学为中心”的思想，有助于素质教育的实现。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.初中科学课程标准（2011版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]袁运开，蔡铁权.科学课程与教学论[M].杭州：浙江教育出版社，2003.