基于科学素养导向的实验教学策略

王宪芳：小学科学特级教师，正高级教师，济宁市“小学科学学科教师培训基地”首席培训教师。荣获“邹鲁名师”“济宁市杏坛名师”“济宁市十佳教师”“孔孟之乡最美教师”等荣誉称号。在省市县组织的教师业务培训和交流活动中，做学术报告十多场次，参训教师近万人次。

实验教学是国家课程方案和課程标准规定的重要教学内容，是培养创新人才的重要途径。实验教学是小学科学教学中最常用且具有实践性的一种教学组织形式。在实验教学中，以实验为基础，开展探究式学习，培养学生的科学思维，发展学生的科学探究能力，对学生科学素养的形成具有十分重要的作用，是培养创新人才的基础性活动。

一、创设实验情境，培养学生问题意识

探究始于问题，问题源于情境。创设教学情境，重在指导学生观察，通过对自然事物、自然现象或自然变化的观察，引发学生一探究竟的好奇心，给学生提出问题的机会，期待学生自己提出问题，培养学生的问题意识，催生探究热情。

（一）在实验情境中提出问题

在教学中，教师要依据教学内容选择典型、直观的事物或现象吸引学生注意力，在具体、真实的教学情境中产生“为什么……？”“……怎么回事？”等指向探究目标的问题意识。

例如，教学青岛版科学（以下举例均以青岛版科学教材为例）《磁极的秘密》一课时，在一辆小车上放一块条形磁铁，教师用另一块磁铁靠近小车，不用手碰小车，就可以让小车前进、后退或拐弯。学生看后感到既新奇又好玩，此时，教师提出，能够从这个现象中提出问题的学生，才可以玩一玩。学生稍加思索，纷纷提出“磁铁不接触小车，小车为什么会前进和后退？”“手持的磁铁是怎样控制小车的？”等与研究磁极性质相关的探究问题，使教学情境与探究目标产生联系，学习具有了明确的学习目的。玩过之后，学生发现了磁铁“同极相斥、异极相吸”的性质，玩中有发现的学生又可以继续下面的闯关游戏。在整个教学活动中，学生始终保持提出问题、有所发现、解决问题的积极思维状态。

（二）在观察和比较中发现问题

通过对不同实验现象或实验数据进行观察和比较，是学生提出探究问题的有效方法之一。提问的本质是学生对生活中各种现象产生好奇心和求知欲。产生好奇心需要用心观察，用心观察的一种重要方法就是比较。要引导学生在观察比较中发现问题，形成解决问题的内在需求并有付诸行动的积极愿望，进一步激活学生的思维。

例如，教学“简单机械”单元《斜面》一课，在研究“斜面省力大小与坡度关系”时，教师有意识地为不同小组的学生提供同样长度的木板、同样载重的小车、不同数量的小木块，要求他们把这些材料全部用上，搭建一个斜面，并记录实验数据。实验后，通过对实验数据的观察比较，发现各组斜面省力情况的不同，提出“斜面省力大小与哪些因素有关”的探究性问题，再通过观察比较各组搭建的斜面，发现斜面坡度不同，省力情况也各不相同，由此推想影响斜面省力大小的可能性因素。

二、基于实验设计，强化学生控制变量的意识

《义务教育小学科学课程标准》在科学探究5～6年级学段目标中指出，能基于所学的知识，制订比较完整的探究计划，初步具备实验设计的能力和控制变量的意识，并能设计单一变量的实验方案。在具体的教学实施过程中，要启发学生自己寻找解决问题的方法和思路，其中包括制订探究计划、考虑变量的选择和控制。正如我国科学教育先驱刘默耕所言：当学生来到“树”下准备“摘果子”时，先让他们冷静地思考一下，选择什么“工具”，用什么方法能既安全又有效地“摘到果子”，而且“摘到最大最好的果子”。例如，教学三年级《怎样加快溶解》一课时，教师引导学生进行了如下的探究活动。

提出问题，猜想方法。根据生活经验，大胆猜想，怎样使食盐在水中加快溶解？（列举搅拌、加热、研碎等方法）

设计实验方案。物体有轻有重，运动有快有慢，都是通过比较知道的。搅拌能不能加快溶解？怎样用比较的方法来知道呢？（一个搅拌，另一个不搅拌）这就需要同时做两个实验。为了保证实验的科学性和严谨性，这两个实验中水的多少、食盐的多少应该怎样要求？水的温度是否要一样？实验观察的时间呢？加热（或用热水）能不能加快溶解？怎样用比较的方法来知道呢？（依据前2步的思路，说出实验方案）

通过研讨，实现共识。验证搅拌能否加快溶解实验：需要取相同质量的食盐两份，同时分别倒入两个盛有等体积水的烧杯中，用玻璃棒搅拌其中一个烧杯，观察两个烧杯中食盐溶解速度的快慢;验证加热能否加快溶解实验：取相同质量的食盐两份，同时分别倒入盛有等体积冷水和热水的烧杯中，观察两个烧杯中食盐溶解速度的快慢。

本课既要对学生进行对比实验的技能训练，还要重视实验设计的思维训练，并且是需要着力去做的，不可走过场。三年级学生设计对比实验还离不开教师的引导，控制变量意识的形成需要“教—扶—放”分层实施，递进培养，完全放手是需要看学生基础的。

三、基于实验现象或数据分析，发展学生科学思维

在常态实验活动中，基于实验获取的实验现象或数据，通过交流研讨、思维加工的过程，指导学生得出科学探究的结论。实验结论虽然重要，但不是实验教学的唯一目的。探究实验中最有价值的点，无疑是学生的思维要受到启发与激活，小学科学实验活动的重点，应在于建构科学概念、发现科学规律或得出科学判断的思维加工过程，而不在于实验结论。

（一）运用科学的思维方法指导研讨

海森堡曾经说过：科学扎根于交流，起源于讨论。研讨是形成概念的关键途径，研讨的目的是使学生一起思考，互相交流每个人在探究中所获得的印象，从而形成每个学生由感性认识向理性认识的发展，并提高他们的概念水平。

在学生对自然事物或现象已有初步感性认识的基础上，教师应引导学生对他们积累的思维材料进行科学的思维加工。如，运用比较、抽象、概括的方法来归纳自然事物或现象的共同特征;运用求异法、共变法培养学生的归纳推理能力;运用分析、综合的方法来探求自然事物间的相互联系;等。在具体的教学过程中，教师应遵循由易到难、循序渐进的原则，指导学生按照逻辑推理的形式，反复实践，反复练习，逐渐掌握，养成习惯。

例如，教学《声音的产生》一课，“制造声音”的目的是让学生通过制造声音来发现并描述不同物体发声时的相同点，为推想准备充分的“思维加工材料”。因此，活动前必须明确提出“观察这些物体发声时有什么相同点？”这一问题，让学生既动手又动脑，根据音叉、水、空气等发声时都在振动的现象，得出物体发声时会振动的结论，就是在归纳。在设计实验、验证假设环节，提出“你能利用身边的材料设计出不同的实验方法，来证明物体发声时都在振动吗？”引导学生运用演绎推理的思维方法，继续研究发声物体的振动现象，不但能验证猜想结果，还能培养学生多方面多角度的实验探究能力。

（二）搭建提升思维水平的“脚手架”

小学生由于受认知能力等诸多因素的限制，在亲历实验探究的过程中，需要教师“扶”一把。打个形象的比方，就是教师要为学生学习科学搭建“脚手架”。“脚手架”的搭建涉及实验内容、实验方法和教学评测，有可能贯穿于探究过程的某一个环节甚至全过程。“脚手架”的形式或内容可以是问题、图表（记录单、任务单等）、操作材料、参考样例（样品）、参考资料等。一般情况下，指导时机应选在学生在探究中遇到困难而又难于自行解决的时候，要避免一味地“放手自主探究”而导致学生“瞎忙”，以及探究无序现象的发生。

例如，教学《瓶吞鸡蛋的秘密》一课时，通常是以“瓶吞鸡蛋”的实验引入教学，要么教师演示，要么分组实验，在学生惊奇、感叹实验现象的同时，带着“瓶子为什么能‘吞下鸡蛋？”的质疑，展开对大气压力的感受和探究活动。教学实践证明，先做“瓶吞鸡蛋”的实验虽然激发了学生的好奇心，但是欠缺了实验现象发生前的预设、判断等积极的思維活动，产生的质疑是悬而未决的，学生的探究热情会锐减。如果先让学生提出瓶“吞”鸡蛋的办法，思考其中的奥秘，在“不愤不启，不悱不发”的状态下，通过递进式的提问搭建起思维的“脚手架”，会产生更积极的教学效果。

师：（先出示一个广口瓶）里面有什么？

生：里面有空气。

（教师把剥了皮的熟鸡蛋，往瓶口一放，正好卡在了瓶口上。）

师：如果不按压鸡蛋，又不弄碎鸡蛋，你有办法让鸡蛋进去吗？

生：把里面的空气抽出来。

师：为什么抽出空气来，鸡蛋就能进去？

生：因为里面的空气占据空间，抽出空气来，鸡蛋就能进去。

师：你真了不起！点子倒是好点子，可是我们用的是玻璃瓶，抽空气的办法行不通。谁还有别的办法？

又一个学生站起来：在瓶子里点火！

（现在学生很聪明，为了找到答案，善于积极地捕捉信息，他是看到了课本插图里有一盒火柴。）

师：你有一双善于发现的眼睛！为什么点火就能让鸡蛋进去呢？

生：一点火，里面的空气变少了。

生：一点火，就有热气，是热气吸进去的。

师：我们知道，热空气是往上走的，能把鸡蛋吸进去吗？我们可不可以这样来想，如果鸡蛋能进到瓶子里，一定是有力量在推它，想想看，是谁推动了鸡蛋？

（学生眼睛一亮）大声说：空气！（当然还有鸡蛋本身的重力。）

师：空气真的有那么大的力量吗？那就让我们试试吧！

在学生期盼的目光中，教师点燃酒精棉球放入广口瓶内，在火焰熄灭的瞬间，再把鸡蛋放在瓶口，鸡蛋慢慢地被吞进了瓶子里，瞬间欢呼声一片。通过这一段师生对话，教师了解和唤起了学生的已有认知，其中有空气占据空间、燃烧要消耗一部分空气、热空气会上升、气体的热胀冷缩、物体会受到力的作用等已有概念，瓶“吞”鸡蛋的实验是在唤醒学生已有认知的基础上，有了铺垫，才去做的，实验后再揭秘，那么接下来通过后续实验建构“大气压力”概念的教学就水到渠成了。

四、拓展提升，激发学生创新思维的火花

拓展，是开拓发展之意，指在原有基础上，增加新的东西，是质量的变化，而不是数量的变化。在实验教学中，在学生习得知识和技能的基础上，进一步提升学生运用新知和技能解决实际问题、建构新的模型或提出新的研究问题，使原有认知得以重构和发展，激发学生创新思维的火花，以抱有可持续发展的探究热情。

例如，《斜面》一课在研究“斜面省力大小与坡度关系”时，学生通过搭建斜面，认识到斜面坡度不同省力情况也各不相同。在拓展活动中，教师提出挑战性问题：“如果搭建不同坡度的斜面，你又有哪些方法呢？”学生通过思考会形成“改变斜面长度或改变搭建的高度，都可以改变斜面坡度”的创新性设计方案。

例如，教师巧妙地创设“如果煤气或天然气泄漏……”这一情境，引发学生思考、讨论，对气体会流动的性质有了更深刻的认识，既普及了应急处置安全事故的常识，又使学生体会到科学知识在人类生活中的重要作用。

综上所述，实验教学是小学科学课常态化的学习方式，教师要积极创造条件开足开全实验课，保证学生参与率，以呵护学生的好奇心和求知欲，激发和保持学生的探究热情。实验教学的着力点涉及提出问题、做出假设、探究验证、表达交流、创新应用等诸多方面，可因课而异，因学取舍，在手脑并用、做思共生的探究过程中，让学生的思维真正发生，发展科学探究能力，使科学素养的培养真正落地常态课堂，为学生的继续学习和终身发展打好基础。

【本文为2019年度山东省基础教育教学改革重点项目“传统文化视野下促进教育公平的小学科学课程资源开发与应用研究”（课题号：BHA140081）阶段研究成果。】