淺談實驗設計與實驗設計能力的培養

一、培養學生實驗設計能力的意義

我們都知道，做事情要有計劃，所謂計劃就是未來行動的方案，是為了實現某項目標和完成某項任務而事先做的安排和打算。有了計劃，工作就有了明確的目標和具體的步驟，就可以協調大家的行動，增強工作的主動性，減少盲目性，使工作有條不紊地進行。同時，計劃本身又是對工作進度和質量的考核標準，對大家有較強的約束和督促的作用。所以計劃對工作既有指導作用，又有推動作用。

常識告訴我們，工作的內容越是復雜，參與實施計劃的行為主體和涉及的環節就越多，越需要計劃。我國古代就有“凡事預則立，不預則廢”的思想，西方經濟學家也闡明了這個道理：“雖然我們無法預見未來，但如果我們沒有根據當時所得到的信息而制定的未來計劃，我們就無法合理地行事”。實驗設計本身就是計劃，是實驗的計劃。因此，指導學生做好實驗設計，并經過我們的扎實的培養，使之養成一定的實驗設計能力，其重要性就不言而喻了。

實驗設計能力不但重要，而且也是我國科學課程標準的要求。在《科學 3-6 年級課程標準》中，對設計實驗的要求是這樣描述的：能提出進行探究活動的大致思路；能對自己或小組提出的探究問題作出書面計劃。在新課標征求意見稿中，對實驗設計也有如下總要求：需要經過嘗試和預測設計研究方案。具體要求有三條：①能根據已有的經驗和知識對已確定的研究問題提出預測；②能設計合理的觀察研究方案；③能設計較規范的單變量實驗方案。

綜上所述，無論從實驗設計本身來講，還是課標要求，以及對學生未來科學素質的養成，培養學生實驗設計能力都是非常重要的。

二、實驗設計的內涵

（1）實驗的內涵。實驗是用來檢驗一個理論或證實一種假設而進行的一系列操作或活動。在科學研究 中用來檢驗某種新的假說、假設、原理、理論或者驗證某種已經存在的 假說、假設、原理、理論而進行的明確、具體、可操作、有數據、有算法、有責任的技術操作行為。通常實驗要預設“實驗目的”、“實驗環境”，進行“實驗操作”，最終以“實驗報告”的形式發表“實驗結果 ”。

實驗與試驗是有區別的，“試驗”指的是在未知事物，或對別人已知的某種事物而在自己未知的時候，為了了解它的性能或者結果而進行的試探性操作。試驗大多帶有盲目性，沒有假說。科學課中，實驗與試驗都存在。

（2）什么是實驗設計。實驗設計是一種有計劃的研究，包括一系列有意圖性的對過程要素進行改變以及效果觀測，并對這些結果進行統計分析，以便確定過程變異之間的關系，從而改變過程。實驗設計是為了給研究者展示如何進行科學研究的概貌，試圖解決研究的全過程。實驗設計的內涵有廣義和狹義之分。

廣義的實驗設計是科學研究的一般程序的知識，它包括從問題的提出、假說的形成、變量的選擇等等一直到結果的分析、論文的寫作等一系列的內容。

狹義的實驗設計是實施實驗處理的一個計劃方案以及與計劃方案有關的統計分析。狹義的實驗設計著重解決的是從如何建立假說到作出結論這一段。我今天講的小學科學教學中的實驗設計，也就是本文所探討的實驗設計，屬于狹義的實驗設計的范疇。

（3）科學課教學的目的。科學課教學的目的是使學生發生變化，那么在科學教學中培養學生實驗設計能力時我們該關注哪些事情呢？概括的講：關注在既定問題下，如何使學生做出有效的假想；關注在一定的假想前提下，如何以實證的方式，對假想進行解釋。具體的講：① 建立與研究問題有關的假說；② 確定實驗中使用的自變量和必須控制的多余條件（額外變量）；③確定實驗中需要的實驗數量及被試抽樣的總體；④確定將實驗條件分配給被試的方法；⑤確定實驗中每個被試樣本要記載的測量（因變量）和使用的統計分析。

三、小學科學課中實驗設計的樣式

要指導學生進行實驗設計，教師必須能進行相應的實驗設計，這里我和大家一起分享這份實驗設計方案，簡單機械中的《斜面》。

（1）研究的問題。使用斜面（木板）將油桶滾上卡車省力嗎？對小學生來講，問題必須是真實情景的問題，問題必須要小、有針對性，這也是實驗目的性的表現。

（2）猜想與假設。使用斜面將油桶滾上卡車可能省力。 大多數學生能做出這樣的假設。

（3）實驗目的。學會用模擬實驗收集證據，證明假設成立與否。為什么將實驗目的放在假設之后？主要原因在于，這個實驗設計是要檢驗學生假設是否合理。

（4）實驗要求。模擬油桶沿斜面滾動到一定高度的過程中是否省力。

研究斜面是否省力，必須看物體在斜面上運動的狀態，即平動還是滾動，狀態不同，設計的實驗方法不一定相同。

（5）實驗材料與用具。斜面、臺階、測力計、能夠在拉動的情況下滾動的小滾筒、記錄單。

（6）變量控制。相同條件：斜面、臺階、測力計、能夠在拉動的情況下滾動的小滾筒。變量（不同條件）：提升物體的方式（不借助斜面、借助斜面）。

（7）補充說明。為了便于從收據中分析出不同高度的斜面省力情況不同，在教學過程中，同組斜面高度相同，各個實驗小組的斜面高度都有較明顯的差別。因此，對于同一個組，斜面高度不變，是相同條件，對于全班，斜面高度是不同的，是變量。

（8）實驗結果的預測。如果沿斜面拉動滾筒所用的力小于直接提取滾筒的力，那么，使用斜面省力；反之，費力；相同，不省力也不費力。

四、實驗過程

（一）實驗步驟

（1）用測力計直接提取滾筒到臺階，在提拉過程中收取記錄所用力。

（2）用測力計沿斜面拉動小桶到臺階，在拉動過程中收取記錄所用的力，重復做三次。

（二）實驗記錄單

五、如何指導學生進行實驗設計

基于任教的教材。我們大多數科學教師，無論從專業理論還是必備的一些經驗，都還沒有達到自行開發課程資源的水平，而且自行開發需要許多的時間和精力。如果將教師的時間和精力都放在理解課標和教材上，從教材中挖掘探究的問題，并以此指導學生設計實驗，相信會使師生都受益，且事半功倍。

在小學，無論低年級、中年級還是高年級，都需要培養學生的實驗設計能力，而且學生的實驗設計能力的培養都離不開教師的有效指導。

低年級在指導上應以簡單為主，以此為基礎并逐步復雜。

教師的指導應從示范、半獨立、獨立這樣的次序進行。所謂示范就是作出某種可供大家學習的典范。教師示范實驗設計，重在如何去想，要避免教師準備好實驗物品，讓學生做的現象。例如空氣占據空間實驗的設計，這個實驗的目的是證明空氣是不是占據空間。研究這個問題的關鍵點是“占據”的含義，不能只理解到在一個地方占著，而應理解到不但占著，而且如果不離開，其它物體就不能進來。對于固體、液體學生好理解占據空間，但是對于空氣，學生理解起來，或者要證明空氣占據空間就困難了。根據許多教師的經驗，有相當部分的學生對此模糊。期望學生自己設計實驗證明就更困難了。要引導學生這樣去設計：要證明空氣是否占據空間，必須創造一個封閉的空間，還必須能夠讓大家理解確實占據空間了。最后逐步出示杯子底部塞紙的實驗設計。

（一）實驗設計方案

（1）實驗目的。用實證的方法證明空氣占據空間。

（2）研究的問題，空氣占據空間嗎？

（3）猜想與假設，占據、不占據、說不好。

（4）實驗材料與用具，水槽、水、玻璃杯、紙。

（二）實驗結果的預測

在杯內底塞一團紙，豎直扣入裝入水（水的深度應不低于水杯的高度）的水槽內，如果紙濕了，說明空氣不占據空間，如果紙沒濕，說明空氣占據空間。（預測是思維過程，應加強對實驗結果預測的指導）。

（三）實驗步驟

（1）在杯內底塞一團紙。

（2）將塞紙團的杯子豎直扣入裝水的水槽內。

（3）一段時間后，直立取出杯子，觀察紙團。

教師的指導應有針對性，重點指導學生需要指導的部分。比如《斜面》教學中既可用測力計測量，也可以設計滾動的小滾筒，成敗的關鍵有時取決于一些細節，實驗設計也不例外。

指導學生實驗設計方案應先口頭設計再到文字圖表設計；先模仿設計再到獨立設計；先簡單設計再到比較復雜的設計；先局部設計再到整體設計。

總之，能力的形成是經過長期反復實踐逐步形成的，實驗設計能力的形成同樣如此。因此教師在教學中一定要重視學生的訓練和實踐。對于實驗設計能力的培養，概括的講，應本著明確意義、掌握標準、重在實踐、循序漸進的方針，只要這樣做了，學生的設計能力一定會有較大的提高。