在科学探究活动中培养学生对比实验设计能力的策略

夏晓峰

(南京市江宁开发区学校，江苏南京，211100)

小学科学课程是一门重视实践的课程，对比实验是帮助学生动手探究的重要方式之一。《义务教育小学科学课程标准(2017年版)》把“提出问题、作出假设、制订计划”作为构成科学探究要素的前三个重要内容。[1]科学探究活动中的对比实验设计主要从提出探究问题、提出假设(确定变量和不变量)、制订实验计划和方案三个方面进行。当前，科学探究活动中对比实验教学普遍存在重操作观察，轻实验设计的现象。由于学生在进行对比实验设计时存在一定的困难，教师更多地是简单引导学生交流一下对比实验设计，然后出示标准的实验设计方案，让学生直接根据教师提供的设计方案进行实验操作、观察、记录现象等，这样便导致学生的对比实验设计流于形式，失去了对比实验设计真正的意义。

一、在探究活动中学生对比实验设计的现状分析

在科学探究活动中进行对比实验设计的困难有三：如何让学生从真实的情境中发现可以用对比实验来解决的问题；如何引导学生基于已有知识和经验从事物的结构、功能、变化及相互关系等角度提出有针对性的假设，即根据探究问题找到影响实验结果的变量；如何引导学生设计单一变量的实验方案和树立控制变量的意识。为解决这些问题，教师要针对科学探究活动中学生对比实验设计的现状进行深入分析。

(一)对比实验设计中提出问题的现状分析

好的科学问题不仅可以激发学生探究的兴趣，而且能引发学生深入思考。对比实验的探究问题通常源于学生对自然科学现象的观察和比较，是从事物的结构、功能、变化及相互关系等角度出发，可以用对比实验研究的科学问题。但是，三年级学生刚接触对比实验时，提出可以运用对比实验进行探究的问题具有难度，教师就要进行有针对性地提出问题的训练。学生之所以在提出问题时存在一定的困难，主要是因为其对含有科学知识的生活现象缺乏观察和思考。同时，教师在课堂导入环节只提供单一的现象让学生观察，也是导致学生很难提出可用对比实验进行探究的问题的原因。

(二)对比实验设计中作出假设的现状分析

根据探究问题提出假设是对比实验设计的难点，对比实验中的假设实际上是对变量的识别过程。然而，在平常的教学中，学生对变量的识别是在教师有针对性的引导下完成的，这导致学生缺乏对识别变量过程的认识。教师之所以不让学生直接进行变量的识别，是因为识别变量需要学生亲身体验探究问题、仔细观察科学现象，但由于具有丰富经验的学生较少，教师如果让学生直接进行变量识别，就容易出现以偏概全的情况。[2]

(三)对比实验设计中制订实验计划和方案的现状分析

制订实验计划和方案需要建立在上述两个环节的基础上，在学生根据探究问题进行假设之后进行。在这个环节，教师要让学生经历“由扶到放”的过程。从三年级学生接触对比实验开始，就要让学生形成控制变量的意识，并能设计单一变量实验。目前，三年级学生缺乏针对对比实验设计的训练，他们通常知道变量和不变量是什么，但不知道如何控制变量。由于缺乏经验和指导，学生设计的实验计划和方案缺乏结构性和可操作性，有些教师为了保证教学进度，未能帮助学生解决实验计划和方案中的问题，或者直接向学生提供一个成熟的实验计划和方案，让学生直接进行对比实验操作。这样的做法容易导致学生制订的实验计划和方案流于形式，学生制订实验计划和方案的能力没有得到提升。

二、在探究活动中培养学生对比实验设计能力的策略

(一)提出问题：创设真实情境，充分体验

创设真实情境有助于充分调动学生的已有知识和经验，提升对比实验设计教学的效率。教师设计的情境贴近学生的生活经验，学生的探究兴趣就会被有效地激发，启发学生逐步达成学习目标。当学生对真实情境中的自然科学现象进行观察、比较时，教师要善于捕捉学生的疑难点，及时进行引导，促进学生思考，启发学生的思维，引导学生提出可以运用对比实验探究的问题。[3]

例如，在教学三年级上册“把盐放到水里”一课时，教师要先让学生理解“溶解”的概念。为了帮助学生理解这一抽象概念，教师创设了如下情境：妈妈精心烹饪了一碗鸡汤，小明端起鸡汤喝了一口说“太咸了”，你们知道是怎么回事吗？当学生说“妈妈盐放多了”时，教师立刻质疑“汤里哪里有盐”。这样可以引发学生思考。然后，教师给每个小组发两杯水和两份盐，让学生将两份盐分别放进两杯水中，仔细观察盐在水里的变化。为了让学生更深入地认识“溶解”的现象，教师还精心准备了两杯不同的水供学生实验观察。由于两杯水是不同的，盐在水里溶解的速度也是不一样的。当学生经历这样的观察活动后，自然便会产生可用对比实验探究的问题——盐在水里溶解的快慢与什么因素有关。“汤中放盐”的情境与学生的生活经验十分贴近，便于学生理解“溶解”的概念，并且在学生观察溶解现象的同时，教师悄然地设计两份实验材料，学生在观察的过程中自然就会比较两份材料溶解时的区别，从而自然而然地引导学生提出可用对比实验探究的问题。

(二)提出假设：合理选择变量，严谨控制

对比实验会受众多因素的影响，这些影响因素都是变量。教师要引导学生树立公平实验的意识，指导学生只改变众多因素中的一个，其他的影响因素保持不变，进行单一变量的对比实验。同时，教师要让学生进行充分假设，选择合理的变量，对其他变量进行严格控制。

1.引导充分假设，明确实验变量

在进行对比实验设计时，教师不愿意放手让学生作出假设的原因有二：一是学生进行假设需要丰富的经验，而具有丰富经验的学生通常只占少数；二是教师担心放手让学生假设，会出现一些与研究主题无关或是脱离教师预设的假设。比如，在教学“摩擦力”一课时，针对“摩擦力的大小与什么因素有关”这一探究问题，学生提出了接触面的大小、接触面的粗糙程度、接触面的压力、接触面的材质等众多假设，而教师的预设材料可能只能满足教材中要求的部分变量因素。为防止这样的不可控情况，教师往往不愿放手让学生假设。然而，这不应该是教师不愿意让学生进行假设的理由，教师应该为学生提供充分假设的平台，挖掘学生的经验，引导学生从事物的结构、功能、变化及相互关系等角度提出与研究主题相关的假设。即使学生的假设不适合进行课堂研究，只要其与主题相关，教师也应将其作为不变量进行控制，树立严谨的实验态度。

2.合理选择变量，保证单一控制

学生在充分假设后，会针对探究问题提出众多变量。此时教师要引导学生合理选择变量，重点做到以下两点：一是选择适合学生研究的变量，剔除无需研究或已超出了学生研究能力的变量；二是根据对比实验的特征，遵循树立公平实验意识的原则，保证单一变量控制，即只能改变一个变量，其他变量均保持不变。[4]

在猜测盐在水中溶解快慢与什么因素有关时，学生提出了水的温度、水的多少、是否搅拌、盐的粗细等变量。在这些变量中，“水的多少”不需要学生研究，但仍要作为不变量进行控制；“盐的粗细”是影响因素之一，但《义务教育小学科学课程标准(2017年版)》指出，小学阶段只需要对“水的温度”和“是否搅拌”这两个影响因素进行研究，因此，教师要将其列为不变量，并引导学生选择“水的温度”和“是否搅拌”这两个变量中的一个。如在研究盐在水中溶解的快慢是否与水的温度有关时，教师可以引导学生思考“怎么设计实验才能保证公平”，从而让学生明确需要改变的条件只能是“水的温度”，而除此之外的其他条件都要严格控制一致，以达到公平实验的目的，让学生树立严谨的科学态度。

(三)制订实验计划和方案：优化细节引导，形成可行方案

学生缺乏制订实验计划和方案设计的训练，没有经历“由扶到放”的指导过程。虽然学生知道进行对比实验设计时只能改变一个变量，但具体怎么改变却不清楚；同样，学生也知道进行对比实验设计时要保证不变量一致，但怎样保证一致却无从下手。[5]因此，在让学生制订实验计划和方案之前，教师要引导学生思考需要改变哪个条件、怎么做才能改变、哪些条件在实验中要保持不变、怎么做才能保持不变等。

例如，在设计对比实验探究“摩擦力的大小是否与接触面的粗糙程度有关”时，学生在经历前面两个环节后已经知道只能改变“接触面的粗糙程度”这一个变量，其他变量条件均要保持不变，但并不清楚具体如何操作。对此，教师可以让学生先独立制订实验计划和方案，重点针对变量的控制细节进行设计，再结合小组讨论(如小组成员相互提设计建议等)、大组交流分享等形式完善设计方案，从而明确先用小木块在长木板上摩擦、再用同样的小木块在毛巾面或砂纸面上摩擦，分别测得摩擦力后进行比较。需要注意的是，实验计划和方案的制订不必拘泥于文字的表达形式，教师可以鼓励学生运用多种表达方式进行设计，如画图、图文结合的形式等。

三、在探究活动中培养学生对比实验设计能力的实施建议

(一)创设课前个人小研究

学生之所以不能提出可用对比实验解决的探究问题，以及对探究问题的变量的提出存在困难，主要是因为学生经验不足，缺乏充分体验。针对这一情况，教师可以设置“课前个人小研究”，在课前提出探究问题和变量，让学生利用课前时间充分体验实验情境。[6]表1为具体课前个人小研究的案例。

表1 课前个人小研究“温度计”

温度计虽然是生活中常见的物品，但实际上学生仅对温度计的用途较为熟悉，至于温度计其他方面的知识了解得并不多。基于这样的现状，教师设计了表1中的“课前个人小研究”，让学生自制简易温度计，并将其放入热水中观察液柱的变化情况。学生在与同伴的交流中发现每个人自制的简易温度计存在一定程度的区别(主要是吸管的粗细不同)，从而在课前积累充分的经验，自然而然将探究方向指向“自制温度计液柱反应快慢可能与什么因素有关”这一可用对比实验探究的问题，并尝试设计对比实验。学生带着这样的经验走进课堂，教学就会事半功倍。

(二)制作对比实验设计单

当学生进行对比实验设计时，单纯进行口头交流容易产生如下问题：一是学生的交流缺少支撑，会加大实验设计的难度；二是学生没有将设计的具体情况记录下来，会对后续的实验操作产生很大的影响。为避免上述问题，教师可以引导学生制作对比实验设计单，例如表2所示的对比实验设计单。

表2 对比实验设计单“温度计”

根据这一对比实验记录单，教师先让学生充分假设，并确定研究内容，如“我们认为温度计液柱反应快慢与液柱粗细有关”。然后，让学生明确在对比实验中需要改变的条件及保持不变的条件分别是什么。最后，合理选择图画、文字或图文结合的表达方式，完善实验步骤设计。同时，在实验操作环节还要强调严格按照对比实验设计方案进行实验，从而再次验证对比实验的设计是否合理。

对比实验是科学实验探究的重要形式之一，教师要引导学生科学地进行对比实验设计，引导学生从真实的情境中提出可用对比实验探究的问题，根据已有的知识、经验、现象与问题发生的条件、过程等方面作出假设，明确控制变量和不变量，最后制订出比较完善的对比实验计划和方案。通过这样反复的对比实验设计训练，可以逐步培养学生对比实验设计的能力，提高学生的科学素养。