本立而道生——问初中科学实验教学之本和道

◎姚国明

实验是初中科学教学的重要内容，也是学生学习科学课程的重要途径。在教学实践中，科学教师虽然在观念上认同实验在教学中的地位和作用，在行动上也在积极开展实验教学，但存在的一个突出问题是实验教学质量并不高，典型的表现是学生会做实验不会分析现象，会分析现象不会概括本质，能得出结论不会解决问题，能解决问题不会迁移应用，即在科学能力、科学思维、科学方法等方面没有得到很好的训练和提升。初中科学课程对实验教学的要求为何难以落实？实验教学又如何走出困境趋向优质？笔者就其四个方面的核心问题分别开展探讨。

一、实验设计: 从注重实验结果到重视设计过程

初中科学教材对每章节中的实验活动都提供了实验方案，这为教师开展实验教学提供了参考。然而，不少教师机械地照搬教材中的实验方案，忽视实验方案背后的设计过程及其中所蕴藏的科学知识和思维发展过程，使实验效果大打折扣。如在“探究二力平衡条件”的实验教学中，大多数教师是按照教材提供的实验方案进行探究的，实验过程简单直观，实验效果看似完美。然而，教材中呈现的该实验方案的价值真正实现了吗？如果仔细分析，我们会发现该实验方案的价值还远远没有实现。

其实，从认知角度看，“二力平衡条件”的知识点本身是不难理解的。因此，该教学的难点不在于实验结论，而在于实验方案的设计和分析。教师若能重视实验方案的设计过程，引导学生对该实验方案的设计过程进行再现和分析，是非常有利于学生思维发展的。

重视实验的设计过程，虽然在一定程度上可能会延长实验过程所耗费的时间，但是设计实验方案的价值能得到最大程度的显现。学生在参与实验设计的过程中，由浅入深地思考问题，不断地解决问题，逐渐调整优化方案，原有的经验会被充分唤醒，思维产生连续冲突，实验素养和思维水平就会得到提升。因此，在初中科学实验教学中，教师要转变观念，不仅要关注实验结果，更要重视实验过程的设计。“一个好的科学探究过程的设计，实际上就是学生思维发展的过程，就是在实际情境中综合运用知识、技能来解决真实问题关键能力的提升过程。”[1]

二、实验组织: 从注重启发引导到强化探究发现

从学习观角度看，探究性实验是一种更符合学生认知特点和需求的学习方式。从教学观角度看，探究性实验在学生主体激发、思维发展和师生积极交互等方面也更有作为。因此，在初中科学教学中，应给学生提供充分的科学探究机会，让学生通过手脑并用的探究活动，体验科学探究的过程，如此才能“使学生更深刻地理解科学知识，更好地掌握科学方法，而且使学生得以亲身体会科学精神的实质”[2]。然而，在实际教学中，不少教师对探究性实验熟视无睹，不仅无法将验证性实验转化成探究性实验，还将原本的探究性实验演化成了验证性实验。

比如“研究影响电磁铁磁性强弱的因素”是一个探究性实验，教师在引导学生完成提出问题和作出假设环节后，直接给出了一个实验电路图，然后提出“实验中为什么要用电流表，它起什么作用”“实验中弹簧秤下为什么要挂一铁块，它有什么作用”“如何判断电磁铁磁性强弱”这样三个问题让学生进行分析，看似完成了制订计划这个环节，其实缺少“探究意味”，学生的思维发展也不充分，教师在不知不觉中完成了一次“伪探究”。

那么如何设计这一教学环节才能凸显科学课堂的“探究意味”呢？教师只需改变实验组织的方式，将“提出问题”改为“发现问题”，将“分析方法”改为“寻找方法”，即先组织学生思考设计实验方案需要解决的关键(核心)问题；然后再组织学生分组讨论，寻找解决问题的方法(具体如表1所示)；最后引导学生优选出C、E、G组提出的方法来组成实验电路图。

表1 “研究影响电磁铁磁性强弱的因素”实验探究方案

同样的教学环节，同样的实验方案，两种不同的设计理念，实验的“探究意味”完全不同，实验教学的效果也完全不同。科学的本质特征是探究，在科学教育的过程中应体现科学探究的精神，用科学探究的理念来设计实验，用科学探究的方式来呈现实验过程，让学生亲身经历以科学探究为主的学习活动。如此，不仅能让实验教学过程充满魅力，而且更符合学生的认知特点，对他们的长远发展也更有意义[3]。

三、实验目的: 从关注技能操作到聚焦科学思维

科学教育的核心目标是促进学生高阶思维能力的发展[4]，因此，作为一种教学方式，实验教学的根本目的也应该是通过实验活动训练学生思维。然而，现实中的实验教学仍然习惯性地聚焦操作技能训练，而忽视思维的培养。“思维能力培养的不足导致学生无法真正理解科学探究的本质，无法灵活解决现实情境中的真实问题。”[5]

如在“阿基米德定律”实验教学中，教师往往是利用弹簧测力计、金属筒、小铁块、溢水杯、小烧杯等器材，按照教材中的实验方案，引导学生一步步实验，最后通过实验数据分析，总结出阿基米德定律的内容和公式。然而，学生对实验设计思路并不明晰，因此对实验中要用到金属筒以及要将小烧杯中的水倒回到金属筒的操作并不理解，只是机械地按照教材提供的实验步骤进行实验，虽然最后得出了结论，但其实对阿基米德定律的内容认识得并不深刻。这就是很多学生会做阿基米德定律实验，而一旦碰到浮力的实际问题就束手无策的原因。

若以思维线来设计“阿基米德定律”实验，实验教学的效果就完全不同。教师在引导学生得出“浮力大小可能与物体排开液体多少有关”的假设后，问学生“实验中关键是要测出哪两个量的数据”，学生通过分析假设后认为“关键是需要测出浮力和物体排开液体的重力两个量”。那么，实验需要用到什么器材？如何来设计实验过程？教师让学生分组进行头脑风暴，大部分学生会想到教材中提供的实验方案，即利用弹簧测力计来测出两个力的大小，通过分别测出浮力和物体排开液体的重力的方式来比较两个量的关系。然而，他们可能并没有想到“将排开的水重新倒入金属筒使弹簧秤指针重新回到开始前的刻度”这一方式来比较浮力和物体排开液体重力的关系。

教师再问“若实验中没有金属筒，是否还能测出物体排开水的重力？你又有什么办法测出这个量？”有学生想到了用天平测物体排开水的质量，然后再根据重力公式来求算重力的办法。

教师继续追问“若实验中没有天平，是否还有其他办法测出这个量？”有学生想到了用量筒测物体排开水的体积，然后再根据密度公式来求算重力的办法。

科学思维是科学研究的灵魂[6]，而实验是学习科学课程的重要方法。没有实验的科学课堂不是真正的科学学习活动，而没有思辨的科学实验活动同样也不是完美的科学课堂。聚焦科学思维是初中科学实验教学的核心目标和根本任务。

四、实验价值: 从关注问题解决到凸显方法思想

科学方法是人们在认识和改造世界中遵循或运用的、符合科学一般原则的各种途径和手段，包括在理论研究、应用研究、开发推广等科学活动过程中采用的思路、程序、规则、技巧和模式。[7]科学方法作为科学课程标准的重要组成部分，是初中科学教学的重要内容，也是学生学习科学课程的重要方法。初中科学实验中蕴含着许多基本的科学方法，如观察、归纳、演绎、转化、理想实验、推理、模型、类比、等效替换、控制变量等，教师在实验教学中渗透这些方法思想，并引导学生将这些方法转化为学习科学课程的思维方式和能力，不仅能使学生提高学习效率，还能帮助学生提升学习科学课程的兴趣。令人遗憾的是，不少教师在科学实验教学中习惯性地强调实验技能和实验结果应用，而忽视了实验中体现出的科学方法和科学思想的教育。这种指向知识和技能的实验教学目标，使得实验教学的“最后一公里”没有被打通，实验教学变得肤浅且无色彩。

如在“大气压大小的测量”这一实验教学中，教师经常是以意大利科学家托里拆利测量大气压的故事引入，然后借助现有的器材演示“托里拆利实验”，之后再分析实验现象，通过计算总结得出大气压的值。但是为什么要用水银来求大气压的值？其实验设计的思想和方法是怎样的？如果教师以“覆杯实验”切入，引导学生对纸片进行受力分析。在学生明白了纸片为什么不掉下后，教师问学生“杯中的水是否可以装无限高，什么样的情况下纸片刚好掉下”，在学生作出判断后，再问学生“大气压能否直接测量，‘覆杯实验’对测量大气压有什么启示”，学生自然而然会想到“用水的压强来间接测量大气压”，教师再引导学生思考“为了减小实验中液柱的高度，最好用什么样的液体做实验”，至此，教师引出并演示“托里拆利实验”。

此时，教师引导学生得出“对于一些看不见摸不着的现象或不易直接测量的量，通常用一些非常直观的现象去认识或用易测量的量间接测量，这种研究问题的方法叫转换法”。在认识到这一科学方法后，不少学生立马想到还可以把大气压转化为固体压强来进行测量。比如，有同学想到了利用针筒挂重物的方法来测量大气压；还有的想到了用平时玩的皮碗挂重物的方法来测量大气压。

科学方法是科学知识转化为科学能力的桥梁和纽带[8]，科学方法的教育是学生科学素养形成的关键[9]，多样化的实验活动是训练学生科学方法的重要途径[10]。在初中科学实验教学中，教师应在指导学生通过实验解决科学问题的同时，潜移默化地渗透科学研究方法，有意识地引导学生运用相应的科学研究方法去分析或解决科学问题。这样不仅会大大提高学生对科学现象、概念或规律的认识和理解能力，还可以培养学生的科学思维方法和习惯、提高学生的科学素养。

(姚国明，绍兴市长城中学，浙江 绍兴 312000)