初中科学实验设计新思路

倪陆明　朱华羽

摘 要 核心素养在现今初中科学课程改革中越来越受到人们的重视，提升学生科学探究能力是初中科学核心素养的重中之重。有效的科学实验活动能激发学生的学习欲望和兴趣，培养学生的观察能力、动手能力和实验设计能力等，从而提升学生科学探究的素养。本文以2020科学中考第27题实验设计为契机，从更新实验设计思路、更新实验设计方法、优化实验教学方法和更新实验设计评价方式等方面，探讨初中科学实验设计的新思路。

关键词 初中科学 实验设计 实验教学

中图分类号：G424                                 文献标识码：A  DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.02.064

New Ideas of Scientific Experiment Design in Junior Middle School

NI Luming， ZHU Huayu

（Puyang Middle School， Hangzhou， Zhejiang 311255）

Abstract Core literacy in the current junior high school science curriculum reform is more and more people's attention， improve students' scientific inquiry ability is the top priority of junior high school science core literacy. Effective scientific experiment activities can stimulate students' learning desire and interest， cultivate students' observation ability， hands-on ability and experimental design ability， so as to improve students' quality of scientific inquiry. This paper takes the experiment design of question 27 of 2020 science high school entrance examination as an opportunity to explore the new ideas of junior high school science experiment design from the aspects of updating experiment design ideas， updating experiment design methods， optimizing experiment teaching methods and updating experiment design evaluation methods.

Keywords junior middle school science; experiment design; experiment teaching

一道中考题引发的思考。

【例题】2020年杭州中考科学第27题

为探究酸性环境对唾液淀粉酶催化作用的影响，请根据所提供的实验器材设计一个实验方案。实验器材：试管、1%淀粉溶液、新鲜唾液、5%HCl溶液、量筒、温度计、烧杯、碘液、蒸馏水、滴管、酒精灯、三脚架、石棉网、火柴、记号笔、计时器

（1）该实验的原理是：① ______________;②碘液能使淀粉变蓝。

（2）设计该实验的主要步骤（可用文字、表或图简要表述）。

（3）预期本实验的结果是______________。

错因分析：该题学生错误率较高的是第2、3两小题。尤其是第2小题实验设计学生出错是最多，主要表现为以下几点：①没有分组对照思想，只是在试管中不停的放入物质。②没有注明等量的唾液和等量的淀粉液，这种量的控制，学生的作答表达含糊，一支试管中倒入唾液和淀粉液，盐酸溶液，另一支试管倒入清水。③审题不清，设计成不同温度对实验的影响以及不同盐酸浓度对催化作用的影响等。④观察现象不具体，学生方案中基本有观察现象等字样，但没有表述到观察颜色的变化而失分。第3小题则主要错误是将实验结果写成实验结论。

实验设计反映了学生的实验探究的基本素质，也反映了学生分析问题、解決问题的能力。该题得分率低也反映了我们实验教学的缺陷，在教学实践存在以讲代做，以“演”代“探”，只注重实验的结果而轻视实验的过程，学生实验“走形式”，实验演示不规范等问题，导致学生观察能力差、语言表达不准确、动手操作能力弱，更不用说实验设计能力。这些现象不仅有碍于实验教学的开展，而且不利于科学知识的传授，更有碍于学生的创新能力发展，与新课标提出的“以培养学生科学素养为宗旨”的理念相悖。然而，中考题也为我们实验教学的提供了新出路，实验设计可以用文字、表或图简要表述。而我们传统的实验设计以文字表述为主，偶尔用到表或图的形式也把他们又转化为文字表述。因此，我们应注重以表或图的实验设计开展有效的实验教学，更新实验教学方法，培养学生实验设计能力，从而提升学生科学探究的素养。

1更新实验设计教学思路

课堂实验设计是实验教学的重要组成部分，也是整堂课教学设计的重要部分。但实验设计不要盲从教科书上提供的实验，而应根据实验内容结合学生的实际充分利用实验器材有的放矢。

1.1不应盲目追求成功，应体现实验的科学性

在实践教学过程中总有一部分教师特别关注科学实验的成功与否，将课堂演示实验的成功与失败作为教学成败的评价标准，感觉在课堂上实验失败了就要花很长时间寻找原因，而影响了后面教学。如在探究液体蒸发的影响因素时，有学生在两片玻璃片上分别滴了一滴水，其中一片不停用书本扇，另一片为了保证液滴上方没有空气流动用双手保护，结果却发现没有扇的液滴先蒸发完，而教师为了教学进度却没深究他们的原因而把实验失败归咎于一开始滴的两滴液体有大小。这样似乎也在说明控制无关变量的重要性，但这不利于学生分析问题解决问题能力。这时我们应让这组学生的实验重现，让大家尝试分析其中的原因，然后改进再进行实验，最后得到答案。

1.2不应盲目照搬书本，应体现实验的探究性

有些教师盲从书本权威，觉得书本的设计定有它存在的合理性，如实验结果不明显应是实验操作有误。如八年级上“土壤的成分”的教学中，验证土壤中有无机盐的实验，按照书本实验设计过程很难出现明显的现象，而有教师为了实验成功将土壤浸出液中添加了少许食盐。这不仅违背了实验的科学性，也违背了实验的探究性。我们应该让学生通过实验实事求是分析实验现象，引导学生现象不明显的原因可能是土壤中的无机盐含量较少，并尝试探究用其他方法验证土壤中的无机盐，如用导电法验证。这样才有利于培养学生质疑的能力，激发学生勇于挑战书本权威的信心，也有助于培养学生发现问题、解决问题的能力。

1.3开发课程资源，有利于提高学生的科学素养

师生平时应该广泛收集实验素材，不断充实教学资源。如“温度的测量”一课，可引入伽利略温度计，并提出三个问题“外界温度升高，玻璃管内液面怎么变化？伽利略温度计利用了什么原理？如何提高伽利略温度的准确度？”引发学生认知冲突，激发学生学习兴趣，并通过实践操作检验学生们的猜想。再让学生讨论伽利略温度计的缺点，引出现代温度计的构造及原理，使学生经历了温度计发展史，不仅获得了温度计的知识要点，更丰富了学生的见识，明白知识背后的知识，培养学生勇于探究、善于分析的科学素养。

2 更新实验设计的方法

在核心素养的背景下，对于实验的设计应遵循客观规律，体现实验的严谨性、科学性、可行性等。因此，在实验设计过程中我们引导学生有良好的构思、严谨的步骤、准确的表达。

2.1 实验设计的构思

实验设计一般要注意以下几点：①控制什么条件（无关变量）相同;②改变什么条件（自变量）;③观察与记录实验现象（因变量）。基于以上几点实验设计的步骤要有一定的顺序，要注意实验步骤的关联性和实验操作的程序性。[1]如探究温度、酸碱度酶的催化的影響，唾液、淀粉液、水浴加热等具有一定的先后顺序，特别是淀粉液的加入顺序与时间节点差异将直接导致不同的结果从而影响实验的严密性。因此，实验设计的构思一般如图1。

2.2 实验设计的技巧

在实验设计的构思下进行步骤的设计还应注意以下技巧：①实验的分组、编号。涉及两组或两组以上的实验，尤其生物和化学类的实验设计，需用1、2、3…或甲、乙、丙…等方式加以编号区分。[2]②方案的表述。实验设计时应对温度、体积、质量、时间等做准确的量化描述，如：“适宜的温度”“等量的**”“在相同条件下”等等。③对照的科学性。对照实验中除变量外，其他条件应相同。如“N、P、K元素对植物生长的影响”，对照组应为含有N、P、K元素的土壤浸出液;实验组应为缺乏某种元素的土壤浸出液。而非对照组是蒸馏水，实验组是含某种元素的水溶液。④实验现象的观察。明确实验观察的对象并准确描述。如上述中考题中就要求对实验现象的准确描述，描述的关键点在于两组实验现象的主要区别是变蓝色和不变蓝色。⑤实验结果的预测分析。用文字、表格或直角坐标图等形式记录实验现象，然后预测分析某一自变量对实验应变量的影响。

2.3 实验设计的展示

为了能更直观的展示自己或小组的实验设计过程，最好采用绘图或图表的形式展示设计思路，并通过语言描述补充一些重要信息。如上述中考题可通过以下两种形式进行展示。

3优化实验教学方法

实验设计灵感来源于平时的实验基础。因此，我们应该从平时的实验教学入手，联系生活、社会与科学技术，优化一些实验方法，提升实验的趣味性、探究性、开放性，从而提升学生实验设计的能力。

3.1 增加演示实验

演示实验不仅能帮助学生理性理解相关的科学知识，更重要的是能起到示范作用，引导学生正确的实验操作及科学方法的运用。但教材中有些实验存在一定的缺陷，需要适当的增设演示实验，加强教学的直观性。例如：在滑动摩擦力的影响因素，教材采用匀速拉木块的方法很难做到匀速运动，引起学生对实验结果的怀疑，这时可以增设演示实验在木块下再放一长木板，让弹簧测力计固定不动而拉木板的方法测摩擦力大小来探究滑动摩擦力的影响因素。通过两种实验方法的比较，让学生能更深刻理解实验设计的严谨性与科学性。

3.2 变演示实验为探究性实验

学生实验设计能力弱有一部分原因是学生动手实践操作机会较少，理论与实践总会存在一定的差距，有些实验设计看似可行，但在实践操作中才能发现问题所在。为增加学生动手实践机会，可将部分演示性实验改为探索性实验，发挥学生的主体作用，培养学生实验设计中理论联系实际的意识。例如，《指南针为什么指南》一节的教学中，为了弄清磁体的性质，可以发给学生相关的器材，让学生分组探究，在玩中总结磁体的一些性质与规律并将每组的成果展示到黑板上，通过对比分析归纳出磁性、磁极、磁极间的相互作用等内容。引导学生对展示的内容或方法提出质疑，从而修正、完善各自实验设计，再重新实验得出结论，而不是按部就班完成课本活动而已。这样的教学过程学生的实验设计能力才能在潜移默化中得到提升。

3.3 精心设计探索性实验

探索性实验的设计应注重启发学生对问题探索，对可能的影响因素的筛选，对实验设计的展示，引导学生质疑所在组和其他组方案的缺陷，鼓励交流与讨论实验心得，在发现问题和解决问题中培养学生实验设计能力。例如：在探索“重力大小的相关因素”的实验中，引导学生大胆猜想哪些因素会影响重力的大小并说出自己的理由，学生马上根据自己的生活经验提出了5个因素分别是质量、体积、密度、高度、形状，然后引导学生进行筛选去掉雷同的，学生发现质量和体积间接描述了密度，就去掉了密度，然后对4个因素一一设计展示验证，验证时严格控制无关变量，发现重力与质量有关，与体积、形状、高度无关，再引发质疑与高度无关吗？学生马上意识到方案存在问题，改变的高度太小。真正的探究并不是知道实验的结果而是经历探究的过程，只有经历实验才能避免今后其他探究实验中犯雷同的错误。

3.4 增设开放性分组实验

学生的分组实验在初中科学中相对较少且较为单调，所提供的实验器材、实验原理和实验步骤都是固定的，其主要目的是培养学生的动手操作能力。[3]学生分组实验虽少但是实验教学中不可或缺的一部分。因此，为拓展教学我们可设当增设开放性实验，这样有助于学生的发散性思维。如：在讲授“杠杆”一课后，增设学生的开放性分组实验课，给学生提供纸盘、10g的砝码（做秤砣）、其他固定克值得砝码、细线、木条等制作杆秤，并测出一个苹果的质量，比一比谁得杆秤测出得最接近真实值。学生就要运用所学知识思考怎样设置提扭、标刻度等问题。这样学生的发散思维会被激发，努力将理论知识转化为实践运用。实物设计对设计的要求明显更高，这无疑提升了学生实验设计的能力。

3.5 落实家庭小实验

家庭小实验是课堂教学的延伸、拓展与深化，有助于学生巩固课堂知识、开阔视野，也有助于学生提升实验技能，培养学生的创造思维能力。例如，在学习浮力之后，要求学生自己动手在家自选材料制作密度计。他们就会运用所学的知识积极动脑，根据实验原理努力设计优良的方案，在实践中不断尝试修正，发现解决问题的方法。又如，学习摩擦力之后，探究筷子提米的方法。再如，種子的萌发因素、绿豆芽的向光性、净水器的制作等等，这些小制作、小实验，对于培养学生的实验设计都会起到极大的促进作用。

4更新实验设计的评价方式

学生实验活动的复杂性、“不确定性”以及评价手段与工具的局限性，导致不能对学习活动及其结果作出有效的评价。因此，在实验设计的评价中，我们应当注重过程评价与结果评价相结合，采用表现性评价，运用量表进行观察与评价，侧重过程性评价，从而确定学生的实验设计水平。学生实验从其教学特点来看又可分为验证性实验和探究性实验。不同类型的学生实验其评价策略的侧重点也有所不同。

4.1 验证性实验的评价

验证性实验是以验证和巩固已学过知识为目的而进行的实验。因此，验证性实验的评价应侧重知识和原理的掌握、实验器材的选用、实验步骤的表述程度、实验操作的规范程度、实验结果与结论的正确与否以及实验误差分析判断情况。详见表1。

4.2 探究性实验的评价

探究性实验是学生在未知实验结果的前提下积极主动探索、分析，运用科学知识和科学方法得出相关结论的活动。因而探究性实验的评价侧重学生假设的合理性、实验设计的规范程度、小组合作的参与程度以及学生表达和交流情况。详见表2。

5 结束语

通过以上实验教学的转变与实施，所教两个班的学生学习科学的兴趣更浓厚了，学生实验操作技能也明显提高了，语言表述能力也增强了，实验设计思路明显开阔了，逐渐形成了严谨的科学思维和实事求是、探索真理的科学态度。然而学生实验设计能力的培养不是一蹴而就的，需要在教学实践中不断的磨炼与强化。实验教学是培养学生实验设计能力的主阵地，我们应该努力联系教材、器材结合先进科学技术，对每个实验进行认真的分析与整合，尽可能确定每个实验要注重培养学生某方面的能力，而不一定要面面俱到。相信只要我们努力挖掘教学资源，提高实验教学的有效性，让学生经历科学探究的过程，就一定能在培养学生实验设计能力的教学中取得良好的效果。

参考文献

[1] 卢翠红.浅谈初中生物探究性实验的设计思路与技巧[J].小作家选刊，2018.

[2] 刘雪峰.关于初中生物实验设计的几点思考[J].速读（上旬），2016.

[3] 王定荷.浅谈初中物理实验教学[J].课外阅读（中旬），2011.