淺論科學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計的優(yōu)化與實踐

王紅

摘 要 課程標(biāo)準(zhǔn)指出：科學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實驗探究能力，創(chuàng)設(shè)條件使所有的學(xué)生有機(jī)會參與探究活動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生觀察實驗和交流實驗，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。本文通過對科學(xué)實驗完成現(xiàn)象的調(diào)查，從增強(qiáng)小組合作性、明確實驗?zāi)康男浴⑼怀鰧嶒炋骄啃?、?qiáng)化實驗規(guī)范性和關(guān)注實驗綠色化等不同層面入手，采取一系列的優(yōu)化科學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計的對策，并通過SPSS等數(shù)理統(tǒng)計分析方法，對教學(xué)效果做了粗淺的分析。

關(guān)鍵詞 初中科學(xué) 科學(xué)實驗 設(shè)計 實驗反思

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

On the Optimization and Practice of Scientific

Experiments Instructional Design

WANG Hong

（Zhejiang Hangzhou Jingfang Middle School， Hangzhou， Zhejiang 310016）

Abstract Curriculum standards stated： Science is a discipline based on experiments， students focus on science experiments to explore the ability create conditions so that all students have the opportunity to participate in exploration activities to stimulate students' interest in science， to guide students to observe experiments and exchange experiments improve students' scientific inquiry skills. based on the phenomenon of scientific experiments completed surveys from enhanced team collaboration， clarity experimental purposes， highlighting experimental inquiry， and strengthen the normative and concerns experimental experiments starting at different levels， such as green， take a series of scientific experiments to optimize the design of teaching strategies， and through the SPSS statistical analysis and other mathematical methods of teaching effectiveness were superficial analysis.

Key words junior science； science experiment； design； experimental reflection

科學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實驗探究能力，創(chuàng)設(shè)條件使所有的學(xué)生有機(jī)會參與探究活動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生觀察實驗和交流實驗，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。

1 初中科學(xué)教學(xué)設(shè)計過程中存在的現(xiàn)象

為了完成科學(xué)課本上的活動和探究，出現(xiàn)了有的老師在教學(xué)設(shè)計的過程中只重視實驗結(jié)論，不重視實驗過程；有的老師在教學(xué)設(shè)計的過程中參與度明顯不強(qiáng)，喜歡從網(wǎng)上下載視頻，使學(xué)生缺少親身體會的過程；有的老師在教學(xué)設(shè)計過程中很少進(jìn)行反思，以至于課后沒有任何印象，對來年的教學(xué)設(shè)計沒有起到促進(jìn)作用。對于這種現(xiàn)狀，科學(xué)實驗教學(xué)已經(jīng)成為科學(xué)教學(xué)的“瓶頸”。尋找有效教學(xué)策略，進(jìn)行科學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計的優(yōu)化和實踐，成為目前科學(xué)教學(xué)亟待解決的問題。

2 優(yōu)化科學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計的對策

根據(jù)現(xiàn)狀，從增強(qiáng)小組合作性、明確實驗?zāi)康男?、突出實驗探究性、?qiáng)化實驗規(guī)范性和關(guān)注實驗綠色化等不同層面入手，對優(yōu)化科學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計采取一系列的對策：

2.1 教學(xué)設(shè)計中增強(qiáng)小組合作性，培養(yǎng)學(xué)生交流合作能力

由于每個學(xué)生在實驗過程中的動手能力參差不齊，我對任教班級的學(xué)生按照自己的意愿自由組合成6個小組，推選一名組長，幫助組里能力稍微弱的同學(xué)一起完成實驗。每個組長負(fù)責(zé)協(xié)助老師開展探究活動，帶領(lǐng)本組成員根據(jù)實驗?zāi)康摹⒁蟾倪M(jìn)與組合、對實驗過程進(jìn)行優(yōu)化，實驗完畢后及時進(jìn)行交流自己的意見， 對實驗效果進(jìn)行評價 ，完成科學(xué)探究的任務(wù)。在進(jìn)行測定土壤酸堿性的實驗的過程中，同一個小組的每個成員分別在操場上不同的地方進(jìn)行實地取樣，配制待測液，運(yùn)用PH試紙來測定土壤的酸堿性，然后取平均值。通過小組合作使學(xué)生充分明白多次實驗可以避免實驗的偶然性，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊意識。因為有的學(xué)生的基礎(chǔ)較差，不能掌握實驗的技巧，甚至有的同學(xué)直接把土壤放在PH試紙上進(jìn)行測定， 這時組里的“小老師”們就出馬了，通過他們的交流使學(xué)生能夠正確地掌握實驗操作的規(guī)范性。 這個實驗和日常生活結(jié)合比較密切，還需要課內(nèi)和課外相結(jié)合、實驗探究和資料的查詢整理相結(jié)合，充分發(fā)揮組內(nèi)每個成員的能力，通過學(xué)習(xí)來了解土壤的酸堿性對農(nóng)作物生長的影響。在我們的宗旨是激發(fā)學(xué)生的探究欲望、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)的熱忱。

2.2 教學(xué)設(shè)計中明確實驗?zāi)康男?，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

設(shè)計任何一個科學(xué)實驗教學(xué)，都要有它的目的性，究竟是讓學(xué)生掌握科學(xué)知識，要學(xué)生掌握實驗操作技能，要學(xué)生學(xué)會記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，還是讓學(xué)生學(xué)會評價實驗結(jié)果等等。

在復(fù)習(xí)《二氧化碳制取》時，也可以通過將二氧化碳實驗室制法的方程式呈現(xiàn)來讓學(xué)生思考給他們一個提問的策略：為什么用碳酸鈣？為什么用稀鹽酸？怎樣探究生成物是氯化鈣（學(xué)生會通過已有的知識把它化整為零來驗證氯離子和鈣離子的存在）、二氧化碳、水？隨著這種問題意識的產(chǎn)生，以后學(xué)生碰到類似的問題就會很踴躍地提出問題。

對于為什么用碳酸鈣，如果從正面來分析，學(xué)生很難回答為什么不用碳酸鈉和碳酸鉀？學(xué)生就會迎刃而解了，會從價格的角度、取材方便的角度、反應(yīng)的速度和反應(yīng)的量來分析解決。為什么用粉末狀的大理石？（因為很多時候老師都是取塊狀的大理石把它敲碎），學(xué)生如果從大理石的狀態(tài)來思考就比較容易了（此處可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會對實驗過程的觀察）。在實驗的過程中不小心錯用了硫酸和大理石制取二氧化碳會出現(xiàn)什么現(xiàn)象，許多學(xué)生都能熟練的回答出并且把現(xiàn)象描述得非常清楚，也能想到隨著反應(yīng)的進(jìn)行，二氧化碳的產(chǎn)生量卻慢慢減少，可是裝置中碳酸鈣和硫酸卻還有很多，老師如果在此時提出不打開裝置，能不能加一種物質(zhì)把硫酸鈣除去，或者能不能想辦法把硫酸除去，學(xué)生會從不同的角度來回答問題，有的學(xué)生甚至?xí)岢隽税蜒b置稍微振蕩一下，這樣可以培養(yǎng)學(xué)生的問題意識以及培養(yǎng)學(xué)生考慮問題的思路，雖然解決問題的方法有很多種，但是主要是采用簡單、方便的方法來解決問題，還可以把所學(xué)的酸堿鹽的物理和化學(xué)性質(zhì)融會貫通，深層次的思維含量增加。

2.3 在教學(xué)設(shè)計過程中突出實驗探究性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識

科學(xué)實驗具有科學(xué)的探究性，對于激發(fā)學(xué)生的求知欲望、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和促進(jìn)學(xué)習(xí)的積極性都是有效的措施。我們科學(xué)教師在進(jìn)行實驗教學(xué)設(shè)計時，要有意識地多設(shè)計一些探究性實驗，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。

在初二的課本中涉及到電解水的知識，實驗提出能使帶火星的木條復(fù)燃的是氧氣，能被點(diǎn)燃并且產(chǎn)生藍(lán)色火焰的是氫氣，后來通過初三的學(xué)習(xí)后學(xué)生發(fā)現(xiàn)一氧化碳和甲烷燃燒也產(chǎn)生藍(lán)色的火焰，這時學(xué)生非常積極地設(shè)計一個探究實驗來說明產(chǎn)生的氣體是氫氣，此時學(xué)生表現(xiàn)出非常有成就感，能夠用學(xué)過的知識來審視課本實驗的不足之處。

還有一個實驗關(guān)于驗證光合作用需要二氧化碳，課本上用澄清石灰水和水讓學(xué)生去分析哪里設(shè)計得不合理 ，其實當(dāng)時學(xué)生的知識背景還不夠，不能馬上解決這個問題，而通過初三的學(xué)習(xí)，為什么不用澄清的石灰水而用氫氧化鈉溶液，水是對照組。如果繼續(xù)拓展為二氧化碳的濃度是否會對實驗產(chǎn)生影響，怎樣來改變二氧化碳的濃度呢？方法有很多種，增加三個實驗組，一個增加二氧化碳濃度的，一個減小二氧化碳濃度的，一個常態(tài)下二氧化碳濃度，這樣實驗比原來更加豐富了。當(dāng)然實驗的探究是無止境的，上面我們是從定性的角度進(jìn)行粗略的探究實驗，如果我們從定量的角度精確地來探究，就更能優(yōu)化科學(xué)探究，使學(xué)生有一種可以挑戰(zhàn)權(quán)威的感覺。

2.4 在教學(xué)設(shè)計過程中強(qiáng)化實驗規(guī)范性，培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗習(xí)慣

每個探究實驗都要有規(guī)范性，精心設(shè)計好對照組，滲透控制變量的思想。在關(guān)于綠豆種子萌發(fā)的實驗，曾經(jīng)有學(xué)生設(shè)計了氣溫、水、空氣三個因素，可是在種子的數(shù)量安排卻是水上、水面、水里各一顆種子，為什么會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象呢？因為學(xué)生在潛意識中認(rèn)為種子的萌發(fā)實驗只需一顆綠豆就可以，忽視了實驗的偶然性，而實際上應(yīng)該要有足夠多的種子來進(jìn)行實驗，當(dāng)然種子的數(shù)量越多，成本越高，實驗越準(zhǔn)確，這是和平時我們所說的低成本的實驗相矛盾的，因此在取材方面學(xué)生要尋找一個矛盾的結(jié)合點(diǎn) ，學(xué)會怎么取材。分組方面，學(xué)生潛意識中都會分組，特別是在考試卷中表現(xiàn)得非常棒 ，但是在操作過程中卻亂七八糟、丟三落四，無法區(qū)分實驗組和對照組，主要原因是學(xué)生對分組的知識掌握得比較好，對分組的能力和實踐缺乏。

在探究實驗的過程中，需要控制變量，在設(shè)計實驗時怎樣控制變量呢？在控制變量的過程中不僅因素要相同，而且要符合，例如2013年杭州中考題第10題在探究硝酸鉀的導(dǎo)電性實驗，許多學(xué)生都選擇了D，忽略了C。學(xué)生在實驗的過程中，對于觀察現(xiàn)象的記錄往往停留在定性、粗略、片面的觀察，于是我特別強(qiáng)學(xué)生盡可能做到定量、精確、全面觀察。當(dāng)然，好的實驗習(xí)慣養(yǎng)成不是一蹴而就的，而是一個漫長的過程，需要老師在平時的教學(xué)設(shè)計過程中慢慢地滲透和培養(yǎng)形成。

2.5 在教學(xué)設(shè)計過程中關(guān)注實驗綠色化，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識

隨著霧霾逐步侵?jǐn)_我們的生活，在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計的過程中要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注和環(huán)境污染有關(guān)的問題，使學(xué)生逐步形成可持續(xù)發(fā)展的理念，使學(xué)生逐漸養(yǎng)成環(huán)保意識。

關(guān)于白磷自燃的實驗，課本中的實驗（如圖1所示）存在的問題：對教室中的空氣污染比較嚴(yán)重，很多學(xué)生出現(xiàn)咳嗽的癥狀。主要原因是磷燃燒的產(chǎn)物不但對于呼吸系統(tǒng)有很強(qiáng)的刺激性，而且還會與空氣中的水蒸汽反應(yīng)生成有毒物質(zhì)，污染環(huán)境。于是在教學(xué)設(shè)計中改進(jìn)試驗。

圖1 圖2

如圖2：將分別放有質(zhì)量相等的白磷（濾紙吸去表面上的水）和紅磷的兩個金屬瓶蓋放于培養(yǎng)皿中，倒扣在一個大燒杯中，往培養(yǎng)皿內(nèi)倒入60℃熱水，金屬瓶蓋漂浮。差不多30秒后，白磷自燃，同時產(chǎn)生濃厚的白煙，紅磷沒有燃燒。60秒后白煙消失，生成的五氧化二磷與水反應(yīng)生成磷酸，實驗完畢后向培養(yǎng)皿中加入弱堿性溶液來中和磷酸。在整個實驗過程中產(chǎn)生的有毒物質(zhì)沒有散發(fā)到教室中避免了污染，實驗環(huán)境得到極大的改善，學(xué)生的實驗興趣也得到提高，使學(xué)生意識到環(huán)保問題已經(jīng)深入到我們的學(xué)習(xí)和生活中。

2.6 在教學(xué)設(shè)計過程中注重選材的多樣性，激發(fā)學(xué)生探究的興趣

科學(xué)課本的實驗只是單純依靠老師來進(jìn)行演示，學(xué)生的印象不是很深刻。如果在教學(xué)設(shè)計的過程中進(jìn)行實驗的改進(jìn)，尋找各種材料，可達(dá)到事半功倍的效果。例如“日晷”，學(xué)生非常難以理解，可以用酸奶盒、白紙、刻度尺等材料，在光線充足的室內(nèi)根據(jù)太陽光的直射點(diǎn)不同，來畫出不同時間太陽光行走的痕跡；做氫氣爆炸實驗，可先在娃哈哈AD鈣奶的空飲料瓶的瓶底戳一個小洞，然后用纏著棉花的火柴梗塞住，倒扣在實驗臺上，收集半瓶氫氣，點(diǎn)燃。諸如此類的材料垂手可得，有的實驗學(xué)生甚至可自己在家里完成（例如雞蛋在醋酸中跳舞），使學(xué)生學(xué)會用生活中的材料來進(jìn)行科學(xué)探究的習(xí)慣，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活中的實驗現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行實驗探究的興趣。

3 科學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計優(yōu)化的成效

本次研究采用問卷調(diào)查的方法，將今年收集的相關(guān)數(shù)據(jù)與去年進(jìn)行對比，其結(jié)果看到依賴在教師引導(dǎo)下能完成探究實驗的學(xué)生比率明顯減少，經(jīng)過Z統(tǒng)計表明 Z=3.263>2.85差異極顯著 ，學(xué)生能自己動手獨(dú)立完成的探究實驗的學(xué)生比率有所上升，經(jīng)過Z統(tǒng)計表明Z=2.355>1.96 差異顯著，愿意自己動手并用課外時間完成與課本內(nèi)容有關(guān)且與生活實際相結(jié)合的家庭小實驗的學(xué)生比率雖然有所上升，但經(jīng)過Z統(tǒng)計表明Z=1.666<1.96 增長不顯著。

下面通過卡方檢驗判別學(xué)生實驗?zāi)芰κ欠竦玫斤@著改善，樣本數(shù)據(jù)的自由度為V=（31）祝？1）=2，我們選擇顯著水平 =0.05，查表可以確定卡方分布的臨界值為5.99。進(jìn)行卡方統(tǒng)計檢驗，通過卡方分析=10.768>=5.99，2013年學(xué)生實驗完成情況得到顯著改善。經(jīng)過一年的時間，對我校部分學(xué)生進(jìn)行隨機(jī)問卷調(diào)查，學(xué)生通過小組合作、認(rèn)真觀察、細(xì)心分析，逐漸實現(xiàn)科學(xué)實驗優(yōu)化，對科學(xué)實驗充滿興趣，通過實驗成功體驗的愉悅感，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生想學(xué)、愛學(xué)、樂學(xué)。

當(dāng)然，學(xué)生實驗的優(yōu)化這個永恒的話題，應(yīng)該滲透到教學(xué)模式、智力情感、意志品質(zhì)等各個領(lǐng)域，學(xué)生實驗優(yōu)化有很大的發(fā)展空間，并不是上述的舉措都是萬能的，都能達(dá)到預(yù)期的效果，每個舉措都要有細(xì)化的要求，例如小組合作的效果沒辦法來監(jiān)控，實驗探究的目的性效果在本文中也沒有涉及。愿意自己動手并用課外時間完成與課本內(nèi)容有關(guān)且與生活實際相結(jié)合的家庭小實驗的學(xué)生比率雖然有所增長，但是效果并不明顯，因為做家庭小實驗對學(xué)生來說還是有一定的困難的，例如時間的安排、家里的實驗器材、試劑，雖然有的家庭小實驗不需要正規(guī)的器材和試劑，但畢竟和我們實際有些差異，學(xué)生操作起來比較困難。眾所周知，優(yōu)化實驗的探究需要花費(fèi)大量的時間和精力，不是一朝一夕可以完成的，這與我們平時的教學(xué)任務(wù)比較緊張是相沖突的。中考雖然強(qiáng)化突出探究，但是學(xué)生并沒有完全領(lǐng)會探究的精神實質(zhì)，更多地根據(jù)應(yīng)試要求來進(jìn)行探究，把探究題作為題目來完成，不能使探究能力得到充分的發(fā)展，沒有養(yǎng)成探究的思維習(xí)慣，體現(xiàn)探究的真諦。

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