科学探究中实验环节的创新设计策略和实验器材的优质选择、改进策略

刘华 刘敏 王洪明 刘云钊 常培忠 石怡

（新泰市新汶街道中心小学，山东 泰安 271219）

一个国家的发展程度和综合国力越来越依靠科技的发展来支撑，要培养创新型人才就需要从小学阶段培养学生的科学探究素养。探究素养的培养是一个综合性的工程，要从多个方面综合施策，本文主要就实验环节的创新设计策略和实验器材的优质选择、改进两个方面来探讨具体的策略。

实验环节的创新设计包括教师方面的创新设计和学生方面的创新设计两个方面。

一、实验环节的创新设计

（一）教师方面的创新设计的策略有：

1.化复杂为简单,使实验器材更简易。

简易的实验器材更便于组装，能节约时间。例如在教学《热传导》一课时，课本上的实验设计是：先把铁棍的一端固定在铁架台上，然后用凡士林把4 根火柴粘在铁棍上，再用酒精灯给铁棍的另一端加热。但是由于铁架台存在以下缺点：比较笨重，收放不便，旋钮因老化或锈蚀不易使用等。所以我对器材进行了简化：把粗铁条的一端先弯成一个大小合适的正方形，再把铁条折向正方形的中心，再把铁条竖起，最后向右折，这样就把铁架台和铁棍的功能合二为一。优点是：既好操作，又好摆放、收取。

2.化难为易，使实验操作更简便。

实验的目的就是通过现象认识本质。所以，只要是能达到这一目的，实验操作越简单就越好，就越能提高实验的效率。例如在学习《研究磁铁》一课时，为了研究“同极相斥，异极相吸”，教材设计的实验是：把一根条形磁铁放在几支铅笔上，然后用另一根条形磁铁靠近。我把它简化为：用细线把一根磁铁吊起来。这样的优点是：把探究磁铁的“静止时能指示南北方向”与“同极相斥，异极相吸”两个性质放在一起，使操作简便化。

3.化抽象为具体，使实验更形象、直观。

小学生思维发展的特点是从以具体形象为主要形式，逐步过渡到以抽象逻辑为主要形式。实际上，对任何年龄段的人来说，通过形象思维可以更容易地认识事物。

例如在学习《光的折射》这一课时，“折射”定义中的“光的传播方向会在交界面上发生弯折”很难理解，为了突破这一难点，我设计了这样的实验：在黑板上画一条红色的横线，在横线上面用白粉笔点上很多小点表示空气；然后把装满了用墨水染黑的水的玻璃水槽的上沿靠在黑板上的红色横线的稍下方，用激光笔从空气斜向照射水槽中的水，学生就能形象、直观地完整理解了“折射”的含义，记忆效果也非常好。

实验设计重在让学生掌握如何科学地进行实验的方法和培养学生严密的逻辑思维能力。它要求设计者根据实验的目的，运用已有的相关知识，对实验器材的选择和实验步骤等进行恰当的设想和规划，是学生学习科学的薄弱环节。然而现在的实验教学常常忽视这一点，多数情况是学生按照教材上预先设计好的实验过程机械地操作，这种重实验操作，轻实验设计的做法，科学探究和科学素养培养的成分会大打折扣的。

（二）学生方面的创新设计的策略有：

1.循序渐进，培养学生的实验设计能力。

按照先易后难，从模仿到帮扶到自主设计的顺序，逐步提高学生的实验设计能力。

A 结合实例讲解，让学生学会试验设计的思路和步骤。例如在教学《铁生锈》一课时，教师可以这样讲解：我们研究的问题是“铁在什么条件下容易生锈？”，可是怎样设计相关实验呢？应该按照下面的思路：首先，我们根据生活经验发现铁在潮湿的地方容易生锈，潮湿的地方有水，由于空气无处不在，当然也有空气。然后做出假设：铁生锈可能和水、空气有关系。接着再对假设进一步思考：铁生锈是只和水或者空气有关呢？还是同时和两者都有关系呢？根据这个思路就可以这样设计3 个实验装置：第1 个是让铁钉完全浸入水中；第2 个是让铁钉完全置于空气中；第3 个是让铁钉的一半浸入水中，一半置于空气中。最后考虑选用哪种实验器材：装水或者空气的容器选择什么？（发现用“试管”比较恰当）；试管在平面上不好竖放，应该怎样解决？（发现用试管架比较好）。

总之，实验设计的最根本的思路就是：合理的假设——概括的实验方法——恰当的实验器材。通过一段时间的训练，就能提高学生的实验设计能力。

B 让学生独立进行实验设计，师生再补充。对于比较简单的学生实验，可以让学生独立设计操作过程，然后指名学生说出，其余学生讨论补充，最后教师补充。

在学生熟练掌握了实验设计的方法后，就可以放手让学生独立设计实验。教师要相信学生，充分发挥学生的主动性，培养他们的创新精神和解决问题的能力，进而达到类似科学家那样真刀真枪地进行科学研究。

2.改变实验条件，培养学生思维的广度和深度。

为了培养学生的思维能力，教师还要结合教材实际，通过改变实验的条件来进行实验拓展，引导学生创新实验。

例如在学习了串联电路后，课本上提出了这样的问题“在一个电路中，怎样让两个灯泡同时亮起来？试着连一连”。学生能比较容易地用导线连接出有一节电池、一个开关和两个灯泡组成的串联电路。我向学生提出了这样的问题：你能想出其它的连接方法吗？学生首先通过认真思考作出假设，然后通过小组讨论设计实验。由于这个问题难度较大，在有些学生思路受阻的时候，我就让大家课下通过查找资料，完成实验。在下一节课检查的时候，发现大多数小组完成了任务。通过询问得知，他们是通过讨论、查资料等方法，费了好大的劲才连接好的。这很好地培养了学生的思维能力。

3.布置开放性的实验或者小制作，培养学生的发散性思维和创新思维。

科学教学的实践证明，只有让学生为完成某种实际任务而努力探索时，才能有效地培养他们的兴趣，激发他们的发散性思维和创新思维。

在学习《设计、制作小台灯》时，我布置了这样的课下小制作：自由选择材料，制作一个美观、实用的小台灯。这个小制作是开放性的，电池、灯泡、开关、导线的数量及样式可以自主选择，制作台灯的底座、支架和灯罩的材料及样式也可以自选，唯一的要求就是：美观、实用。这极大地激发了学生的兴趣、想象力，开阔了他们的思路，后来学生交上的作品各具特色，让人叹为观止，我心里想：以前太低估了学生的创造力和想象力了。

4.课堂延伸，保持学生持久的创新热情。

实验探究素养的提升需要比较漫长的过程，需要长期的积累，最后达到量变到质变。但是课堂实验的时间毕竟有限，所以实验探究必须从课上延伸到课外，要拓展实验的内容，选择与学生生活实际紧密联系的小实验，或结合课堂教学的系列实验补充有趣味的实验。采用多种形式增加学生探究的时间，如：利用课外兴趣小组活动，由于时间比较充足，因此能有针对性地通过实验活动培养学生的探究能力。开放实验室就是在规定时间里将实验室向有意愿进行科学探究的学生开放，提供相关的实验器材，让学生开展一些自己感兴趣的研究活动。再就是让学生利用校外时间根据老师布置的任务或者就自己感兴趣的问题，自主探究，这既让学生学习了知识，又让学生学会将所学知识用于解决生活中的问题，学以致用。

二、实验器材的优质选择、改进策略

科学实验是培养学生探究素养的关键，科学教学的核心。在进行实验教学时，教师除了要考虑实验环节的设计外，还要花很多精力选择合适的器材、使用的方法、使用时的注意事项等。

（一）实验器材的选择要遵循以下原则：

1、安全性原则：根据科学实验要求和客观条件选用合适的器材，使科学实验切实可行，能达到预期目标。另外我们也十分注意科学实验教学器材的质量、使用标准等，确保科学实验的安全性。2、准确性原则：根据实验教学的需要，选用精度合适的实验器材工具。3、操作性原则：科学实验器材要调节方便，便于操作。

当前，各个学校在实验器材方面存在的问题大体类似：仪器室的器材质量差、易损坏，有待改进；器材使用不方便；器材不全，如实验需要的器材的种类、数量不足；器材使用率不高，有很多器材教材的内容不匹配等问题，所以器材的选择问题关系到科学实验的成败及效果。

（二）实验器材的选择、改进的策略有：

1.精心选择并试用器材，确保实用。

科学实验器材非常多，但是很多器材是按照旧的《自然》课程标准配备的，与《科学》课本配套的实验器材不足，在实验课中，这些旧器材有的可以选用，而有的却用不上。除此之外，很多器材的质量很差。例如：电学实验用到的小灯泡有的不亮，导线、电池盒有的不通电。在做光学实验时用到的凸透镜和凹透镜很容易从固定物上掉下、摔碎。等等，所以除了要求科学老师在课前要精心选择最恰当的实验器材之外，还要求教师上课之前必须把选用的器材都试用一遍，这样才能确保器材的实用性，也才能取得好的实验效果。

2.精心选择器材，确保效果。

实验效果是实验的灵魂，所以器材的选择必须以能取得良好的效果为前提。例如，在学习《七色光》这课时，为了做彩虹的形成实验，以前给学生准备的实验器材是三棱镜、中间带有小孔的黑色纸板、纸屏，实验的原理是：让一束细的阳光照射到三棱镜上，就会在纸屏上会形成彩虹，但是效果并不好。原因是：

为了获得一束阳光，就必须开窗，开窗后，由于室内的光太强，所以在纸屏上基本看不到彩虹，到这时候只能靠教师的讲解来补充。为了解决这一问题，我把器材改为普通的电脑光盘，只要让光盘对着窗子方向，不用在窗边，就能在光盘上看到明亮的彩虹，即使在阴天的时候做这个实验，效果也非常好。

3.自制器材，化抽象为具体，化难为易。

科学课本上的有些内容是比较抽象的，学生难于理解和记忆。如果通过实验的方法，学生在动手、动脑的过程中，就很容易掌握。例如在教学《搭支架》一课时，有这样的内容“不稳定的结构可以通过架梁的方法增加其三角形结构，从而使它变得稳定”。由于句子结构复杂、内容抽象，难以理解，但是选择器材时发现现有的器材并不合适，课本上只是讲了用大头针把吸管固定成三角形、四边形。可是如果采用：通过用大头针固定吸管给四边形架梁的方法，因为吸管又细又硬，既不好操作，又容易扎伤手，所以我用把泡沫塑料切成的长短不一的细条代替吸管，先让学生组合成三角形、四边形、五边形之后，让学生通过轻轻拉扯的方法了解不同的结构的在稳定性方面的差别，然后通过自主探究，让学生找到架梁的方法。例如：怎样架梁？需要架几根梁？架梁前后有什么变化？通过实验，学生能很快地理解，且牢固地记忆这一知识。

通过实验环节的创新设计策略和实验器材的优质选择、改进，提高了实验的效果，使学生掌握了科学探究的步骤，提升了探究能力和素养，培养了创新思维，使学生确立了用科学的态度解决实际问题的世界观和方法论。