基于实验改进的初中科学探究教学有效性探索

孙方军

摘 要：构建有效课堂是教育科研的永恒主题。初中科学“熔化和凝固”一课中的实验是较难成功的，改进和优化教材中的实验就显得尤为重要，尝试用“冰和石蜡”代替“海波和松香”进行科学探究，让学生参与整个探究活动，体验探究过程的曲折和乐趣，更有效地使他们的智力向更高的层次发展。

关键词：实验改进；探究教学；有效性

科学课程以提高每一位学生的核心素养为总目标，通过有效的课堂教学，将学生原有的记忆事实再现、转移、直到深层理解，得出核心知识，同时了解学科知识结构，从而促进学生思维的发展。而科学是以实验为基础的一门综合课程，倡导以科学探究为主的多样化的学习方式，我们如何发挥实验的优势，让实验成为学习科学的铺路石。平时多从学生实际出发，通过各种途径有效地创设实验情境，利用一些简单的实验器材，设计出更优化的实验。笔者对《熔化和凝固》中的实验进行了探索、改进，获得与会专家和同行的一致好评，现将具体的做法与感悟阐述如下：

一、实验教学改进的原因

实验有效教学的基本点要从“学情基础”和“教材实验解读”两方面开始，这是做好本实验教学改进的前提。

1.学情基础

本节课的上课对象是七年级学生，在之前的学习过程中，学生已经接触热传递及物质三种状态的相关知识，具备一定的知识储备。生活中与本节课内容有关的事例很多，学生具备一定的生活体验，但对具体熔化过程中的温度变化规律尚欠缺认识，可能还存在物质吸热必定升温的错误概念，因此实验教学在这节课中的作用就很重要。

2.教材实验解读

浙教版教材通过海波、松香熔化的对比实验得出“熔化吸热但温度保持不变的是晶体，熔化吸热但温度持续上升的是非晶体”这一结论是非常困难的。理由如下：第一，若进行演示实验，则全班学生未直接参与观测，实验现象不够明显。第二，若组织学生实验，该实验对初一学生来说，从下往上固定装置，水浴加热，温度控制及不断搅拌使其均匀受热，同时读数并记录等操作要求高且繁琐，大部分学生望而止步，无法很好地保证实验的成功率。第三，本实验需要进行水浴加热，采用酒精灯加热耗能多耗时久。据测算，海波实验大概需要十五分钟，松香熔化四十五分钟也完成不了，所以根本无法完成对比教学。第四，平时无数次的课堂实验过程中发现海波熔化时温度也在不断上升，根本无法由数据分析对比得出晶体和非晶体这一结论。因此，平时教学中很多老师会通过视频播放实验完成这一核心的实验教学，抑或是老师只是简单演示一下，可能实验数据不精准，这样就违反了科学实验的实事求是要求，反而起到了不科学的实验教学示范。

二、实验教学改进的举措

如何整合这节课的课程资源，设计并改进实验，优化教学，提升科学核心素养，创建高效课堂，笔者通过反复实验，尝试创新设计解决此实验存在的困难，发现效果不错。

1.激发求知欲望

科学课程标准强调通过“从生活走向物理”的理念。在科学教学中，要重视通过情境的有效创设激发学生的求知欲，让学生通过领略自然现象提取科学事实和问题，培养学生的科学探索兴趣，从感性知识的概括上升到科学概念，培养学生初步的收集信息和处理信息的能力。本课的引題是这样开始的：

同学们，今天老师给大家带来了一段2008年雪灾的视频，请看大屏幕，待学生看完之后，提问：（1）冬天为什么会下雪？（2）视频中的积雪成灾是因为冰雪没有及时融化，你有哪些办法使冰雪快速有效地融化？接下来引导学生讨论，学生凭借以往的知识经验和生活经验，答案很多，如：用火烧、往冰上撒盐、往冰上撒煤渣……教师给予肯定并小结：同学们的方法很多，它们都能使固态冰变成液态水，我们将这一过程称作熔化。

用生活中的最常见事例作为情境，激发学生的兴趣和好奇心，由此引出本课课题，成功的拉近生活与科学的关系，调动了学生参与科学探究的积极性，激发了学生的求知欲望。

2.引发认知冲突

科学教学中，引发学生认知冲突对于前概念的转变具有关键意义，因为学生只有体验到认知冲突，才能感受到已有认知的不足，认识到替换或调整已有认知的必要性。在教学中笔者利用学生课堂生成的资源以及及时质疑引发认知冲突。

先抛出问题：用火烧使冰融化和撒盐会使冰雪熔化的原理一样吗？学生一般能回答出加热使冰雪温度升高了融化，而撒盐是如何实现加快融化，部分学生会以为盐溶解放热使冰温度升高，另一些学生对此会提出质疑。但无法圆满解决问题，在此基础上追问：要解决问题，我们就需要了解冰熔化时温度变化规律——熔化过程中温度会怎么变化？其他物质熔化时温度变化规律是否跟冰一样？

这一环节的教学激发了学生的探究欲望，为本节课的探究实验奠定了基础，引发学生进行科学猜测并参与到实验的设计中来。

3.设计实验方案

苏霍姆林斯基说：“在人的心灵深处，都有一种根深蒂固的需要，这就是希望自己是一个探索者、发现者、研究者。”如果给学生提供创新实验的平台，可能会给我们带来意想不到的惊喜。我们要发挥实验的优势，让实验成为学生学习科学的铺路石。培养学生像科学家那样来解决自然领域或科学问题的思维方式，学会科学思考，掌握科学方法来揭示自然的奥秘，因此大力提倡科学探究，并把它恰当地引入到教育尤其是科学教育中来。那就需要我们根据教学内容，科学设计实验方案，以期达到预期的效果。

当时笔者在课堂中是这样引导学生的：

师：如何测定冰熔化时的温度？

生1：将冰放在勺子上，先测冰的温度，再测融化时的温度。

师：就测这两点温度可以吗？冰熔化成水是不是一下子完成的？还是……

生2：过程也要测一些

生3：最好每隔时间段测出温度。

师：边在黑板上绘图边分析，用酒精灯加热，试管底部的冰先受热，上面的冰慢慢吸热，上下温度肯定不同，那么温度计测得温度能代表整个试管中所有冰在熔化时的温度吗？

生：不能

师：怎么办？

生：使它均匀受热

师：要使冰均匀受热，具体还有哪些办法？

生1：搅拌

生2：振荡

生3：水浴加热

师：展示两套水浴加热装置，你们会选择哪一套呢？

师：要使冰均匀受热，你会选择冰块还是小冰粒？

生：小冰粒。

师：其他同学有不同意见吗？没意见，那你们为什么选小冰粒？

生1：你的装置告诉我，小试管装不下冰块。

师：你真机智，其他同学也是这么想的吗？

生2：冰块太大，外部冰开始吸热熔化，里面开始吸不到热，不能做到同时吸热。

幻灯片提示学生分工合作进行实验注意事项：

1.搅拌员：实验中能否均匀受热就看你了。

2.观察员：细微观察，固、液转化一定要看仔细。

3.报时员：每隔0.5分钟报时。

4.记录员：平视读取温度计的读数，测出冰或石蜡的温度并记录在表中。

5.督察员：汇总结果、汇报结果。

在这一环节里笔者引导学生设计实验所需物质和器材，及实验所需注意事项，引导学生得出此实验成功的关键在于物质一定要均匀受热，为确保均匀受热，物质尽量小颗粒，实验过程中能做到搅拌、振荡并采用水浴加热，平视读取温度计的读数等，引导学会思考、学会选择。同时笔者考虑课堂受时间限制没有让学生设计实验需要测量的量和记录的表格，而是直接提供了表格。

因为原教材中实验存在着能耗高，耗时久，实验现象不明显，不易搅拌，很难成功等因素，因此我们改进装置和方法，具体归纳如下：

（1）改材料

用冰和石蜡代替海波和松香，取材贴近生活，并且低成本、低能耗、安全。平常海鲜保鲜就用冰，而且小冰粒一般市场上有卖，城市学校随时都可以买到，一元钱就能解决全班实验，在偏远乡下学校也可以自己制冰，再利用碎冰机碎冰，也可以在冰柜里刮取冰霜，这个效果会更好。在冰的用量上：考虑到在有限的时间里，完整地完成整个探究过程，试管中冰不能太多，但也不能太少，因为冰熔化后体积会减少及冰粒之间有空隙等因素会导致温度计玻璃泡不能完全浸没，无法准确读数。冰的处理：上课前利用撒盐能降低冰的熔点，将小试管埋在撒盐的大桶冰水中，为学生提供零下7摄氏度作为原研究对象，确保有冰熔化前、熔化时、熔化后的数据，也为以后合金熔点特点等后续学习埋下伏笔。另外石蜡熔化比松香熔化耗时少，取材也方便，也能再有限时间完成实验，而且可以直接采用70℃～80℃的热水进行水浴加热。

（2）改方法

经改进后的实验装置（如图2），小试管可以随时取出，振荡，并放回杯中进行水浴加热——因为零摄氏度的小冰粒降温成为零下七摄氏度时，部分小冰粒又凝固在一起成为小冰块，开始时无法搅拌，而采用此装置能确保物质熔化时，可以采用多种方式进行均匀受热，并且此装置操作简单安全，方便又快捷，让分组实验成为可能。另外冰熔化时水浴加热采用的温度差最好能控制在15℃左右，而原教材中用酒精灯加热就很难控制好温度差。

另外笔者曾经采用手捂热法控制温度差，对试管、烧杯中的冰进行加热，发现效果也都不理想，可能是温度差太大吧。石蜡熔化的水浴加热可以直接采用70℃～80℃的热水进行水浴加热。

经改进后的实验，使在一节课中不能完成的实验变得可以完成。只能做演示实验变成学生的分组实验，提高学生的参与度，增加学生学习的愉悦感。在课堂展示中得到了与会专家和同行的一致好评。

4.对比得出结论

科学探究是一种系统的调查研究活动，其目的在于发现并描述物体和事物之间的关系。探究活动包括观察、提问、实验、比较、推理、概括、表达、运用等。将观察的结果呈现出来，方式包括数字、图表等。通过交流，观察结果才得以公开、沟通、检验，并有利于研究者本人发现现象之间的关系，对观察到的现象作解释、思考和逻辑分析。数据本身并没有什么意义，重要的是从数据中所得到的启示。

笔者在各小组測得的数据中选择有代表性的用希沃授课助手上传并进行展示。

师：每隔0.5分钟测得的温度不能代表每一时刻熔化时的温度，我们该怎么办？我们可以将数据作图像处理的方法，及先将数据描在坐标上，然后将各点连成一条曲线，在这条曲线上我们就可以了解到每时每刻的温度及温度的变化特点。

并选取了一组数据在黑板上板演了将数据绘制成图3的过程，

然后并让学生将测得的数据绘制成曲线图，其中在三组石蜡熔化中选取了一组让学生在黑板上绘图展示

其余的小组我利用手机拍照，选取了有代表性曲线图借助希沃授课助手上传

让学生比较自己组及图5、6、7图像的异同点，讨论分析各小组数据差异背后的各种可能，最后介绍老师对数据到图像的一般处理办法，并在学生原图演示并上修改图像。

最后对比图8、4和教材第145页图像，得出晶体和非晶体的本质区别。

在这一环节，各小组学生通过交流、反思，使有些小组学生体会到自己在前面实验中没有很好搅拌、振荡、读数等导致实验数据最终的失败，加深了对均匀受热的重要性认识，并认识到成功的不易。而有些小组分工合作到位，组员齐心，实验过程观察仔细、认真、测量实验数据真实有效，体会了成功的喜悦。同时也让学生认识到实验不是玩乐，也不是一次就能成功。另外深刻体验图象法是一种非常简洁、有效的表示科学过程的方法，为今后使用图像法学习科学打好基础。

5.引导应用迁移

在课的最后展示晶体凝固和非晶体凝固过程的曲线图，启发学生运用逆向思维方式学习，让学生根据物质熔化规律推理出物质凝固规律：无论晶体还是非晶体在凝固时都要放热，晶体凝固时放出热量但温度不变，非晶体凝固时放出热量且温度降低。

并紧扣冰雪熔化这条主线，回到引课中问题——用火烧使冰熔化和撒盐会使冰雪熔化的不一样的原理，给学生展示了盐冰水混合物的温度，让学生明白了撒盐是降低冰的熔点，在低温环境中也能加快熔化。同时介绍目前世界上有些国家在主要公路上铺设加热管促使冰雪熔化，我国也正在积极研究各种能促使冰雪熔化的办法，为能及时解决清除冰雪、减少冰灾服务。并紧密联系前沿科技，介绍保温墙原理，现在人们研制出一种聚乙烯材料，在

15℃～40℃的范围内熔化或凝固，而熔化或凝固时，温度保持不变。把这种材料制成颗粒状，掺在水泥中制成储热地板或墙壁，天气热时颗粒熔化，天气冷时又凝固成颗粒，能调节室内的温度。让学生关心科学技术的新进展和新思想，了解自然界事物的相互联系，树立科学的世界观。

科学思维是科学探究的核心和灵魂，科学思维具有广阔性、深刻性、独立性和敏捷性，这些特点能揭示客观世界中纷繁复杂现象的本质，发现它们之间的相互关系，掌握自然发展的规律。

三、对实验改进的思考

显然，经过改进的教学设计，创新实验，让学生多一次亲历探索与思考，从实验中活动中获得科学本质的感悟的机会，这是做题不能获得的。笔者相信只要一线教师多研究、多思考、多实验定能将一些有困难的实验一一改进，让随堂实验成为可能，为探究式教学创造条件，从而使学生爱上科学，感悟科学本质，真正实现有效课堂！

参考文献：

[1]马朱林.合理引导激发学生实验创新的潜能[J].物理教师，2015（5）.

[2]薛义荣.物理概念教学的有效策略[J].中学物理教学参考，2014（7）.

[3]施坚.创设有效问题情境，构建高效智慧课堂[J].中学物理教学参考，2014（7）.