“變式實驗”在科學教學中的實踐與研究

王孝德 張夢雅

摘 要：以實驗為基礎是科學教學的基本特征。如何提高科學實驗的效率，體現“學為中心”的思想，是科學教學的一個重要課題，也是素質教育的基本要求。在科學課堂教學實踐中，我們努力探討了變式實驗教學及其教學策略，希望能對科學教學有所啟發。

關鍵詞：變式實驗；科學教學；實驗優化

科學課程的核心理念之一就是科學探究。隨著新一輪課程改革的縱深推進，實驗已成為教學環節的重要組成部分。我們以實驗為基本手段和方法，調動全體學生的積極性，優化學生思維品質，培養學生學習習慣和學習方法，從而減輕了學生負擔。在變式實驗教學過程中，我們積極調動學生的學習情感，組織學生開展活動，把握活動的廣度和深度，激發學生思維，從而達到素質教育的真正目的——啟蒙人的智慧與思想。

變式教學最早起源于上海學者顧泠沅，他在《學會教學》中率先加以研究，以“青浦實驗”有關變式教學的研究為基礎，從一個特定的角度對中國數學變式教學進行經驗反思與理論分析。所謂“變式”，就是指教師有目的、有計劃地對命題進行合理的轉化。由于學科之間的共通性，科學中采用變式實驗優化教學。我們用不同形式的實驗材料，變換實驗方式幫助學生理解實驗原理，建構科學概念，提高學習效率。為了實現有效變式實驗教學，體現“學為中心”的思想。

一、實驗材料的優化是實現有效“變式實驗”教學的重要策略

黃鵬飛老師提出基于“學為中心”的“五優化”實驗教學，包括優化實驗目標、優化實驗方式、優化實驗準備、優化實驗過程、優化實驗評價。其中，實驗準備的優化是最為有效的方法之一，而在實驗準備優化過程中，實驗材料的優化較為高效，也是“學為中心”的直觀體現之一。材料結構的優化讓學生更投入地探究、更自由地操作、更有效地學習；使學生通過研究材料去發現問題，解決問題，促進學生養成科學素養。例如，在2012年浙江省優質課評比中，“電熱器”課例充分體現了通過實驗材料的優化，達到有效變式實驗教學的目的。

師出示：一根電阻絲，連接到電路中，閉合開關。

設問：現在這根電阻絲是否有熱量產生？

生1：用手來摸，如果感覺熱，就說明產生了熱量。

師：這想法理論上是可行的，但實際操作中是有問題的。

生2：繼續通電看電阻絲是否會發紅。

師：這也許需要很長的時間。

教師出示一個泡沫，把泡沫放在剛才的電阻絲上，泡沫很快被切斷了。

師設問：你觀察到了什么現象？

生1：泡沫被切斷了。

師：說明了什么？

生1：電阻絲產生了熱量，把泡沫切斷了。

師：把不可見的現象轉換為可以看到的現象，科學上把這種方法叫作轉換法。

“電熱器”這一課例將書本中的電阻絲加熱實驗進行變式，用泡沫切割的方法替代溫度計，實驗過程簡單，現象明顯，表達清晰，學生較容易理解。通過實驗材料的優化，學生能清楚地理解電阻產熱的原理，并滲透了轉換法的科學方法，由淺入深，激發了學生的探究欲，在變式實驗中體現了“學為中心”的主旨，突出了學生的主體性。

二、拓展學生思維是有效“變式實驗”教學的前提

實驗材料的優化作為實現變式實驗教學的有效策略之一，方法簡便，效率高，但需要教師具有較強的創新能力，且需要思維的靈活度。學生是課堂的主體，更是實驗教學活動的主要參與者。為了體現“學為中心”的思想，我們強調必須在實驗變式教學中拓展學生思維，具體可以通過探測學情、內化概念、建構概念等過程拓展思維。

1.探測學情，引發思考

實驗前的預測是拓展學生思維的切入點。在實驗進行之前，教師應通過創設富有挑戰性的問題情境，引發認知沖突，而設定的實驗恰是解決這一認知沖突的關鍵。現以“氣體壓強和流速關系”這一課為例。

師：這里有兩張紙片，如果往紙片中間吹氣，會有什么現象？

生1：會吹開。

師追問：為什么會吹開？

生1：我生活中吹紙片，一吹就吹開了

師：其他同學呢，有沒有不同的觀點？（學生都點頭）

師：科學是講究證據的，我們需要通過實驗來驗證這一現象。

教師以兩張紙片的例子探測學情，一部分學生可能會說紙片會吹開，這與實驗結果相反，從而引發認知沖突，拓展學生的思維，激發其學習興趣，建構出一個概念——氣體流速越大，壓強越小。試探性的學情預測能夠使學生的思維過渡到活動中，從預測到思維的過渡是一個循序漸進的過程，學生逐漸建構概念，符合其認知發展規律。

2.運用新知，內化概念

科學概念建構之后，需要讓學生明確科學概念是經得起反復考證的。所以，由學生設計實驗來驗證科學概念的正確性，用不同形式的直觀材料或實例說明事物的本質屬性。這也是學生對科學概念的遷移和提升?，F以“氣體壓強和流速關系”一課的實驗環節為例。

師：其實這一規律在生活中還有很多應用，請同學們盡可能設計實驗，實驗器材有

乒乓球、吸管、燒杯（水）、一次性塑料杯、紙，待會兒請同學上來演示，一個同學做，一個同學仿照這個范本進行講述。

（1）你用______使______處氣體的流速變______了。

（2）你通過______現象發現______處壓強變______了。

（3）你得出______結論______。

小結：當氣體流速越大，壓強會越小。那么液體呢？

請同學們利用輪船、注射器、乒乓球、水槽（注意注射器的水流水平射出）來設計實驗，驗證液體壓強和流速的關系，也仿照范本：

（1）你用____________使______處液體的流速變______了。

（2）你通過____________現象發現____________處壓強變______了。

學生運用剛掌握的結論進行自主設計實驗，并應用科學概念。他們能輕易地設計出乒乓球從紙杯跳起、兩塑料杯內吹乒乓球等實驗，最后，在液體壓強與流速關系的教學中，直接給出器材輪船、注射器、水槽，由學生自主探究。這是因為在之前氣體壓強與流速關系的學習中，教師已經作好鋪墊，學生能夠由氣體壓強與流速的關系類比推出液體壓強與流速的關系，所以能比較容易地設計實驗。教師合理利用實驗設計環節，能夠使學生的思維更廣、更深，內化科學概念。

3.建構概念，發展認知

概念初步建構好后，就需要發展學生的認知，感知建構經驗。當教學內容所蘊涵的信息通過一系列活動呈現在學生面前時，只有超越所給的信息，才會獲得重要的、可遷移的觀念，才能適應復雜的環境，而這種超越就是對實驗現象的解釋。在“氣體壓強和流速關系”課例中，就體現了概念從建構到發展的過程，反映了學生思維的發展過程。

師：為什么紙片會靠攏呢？看來咱們要好好分析下。紙片的中間和外面充斥著什么？

生：空氣。

師：那剛開始前，紙片處于什么狀態？

生：靜止。

師：說明紙片兩側受到的大氣壓力有什么關系？

生：相等。

師：吹氣不是把中間的空氣吹跑，而是使中間的氣體流速變大，那我們看到了什么現象？

生：紙片靠攏了，里側的壓強小，外面的壓強沒有改變。

師：通過這個實驗，咱們得出的結論在生活中有很多應用，比如剛才的同學就很巧妙地運用了吹氣讓乒乓球懸浮的辦法，現在我們來解釋下。

吹氣使乒乓球 上方 處的氣體流速變 大 了，氣壓變 小 了，使乒乓球下方的氣壓大于上方的氣壓，所以乒乓球不會下落。

“紙間吹氣”現象的解釋——初步建構“氣體流速越大壓強越小”概念，“懸浮的乒乓球”現象的解釋進一步認同“氣體流速越大壓強越小”概念，在這一過程中概念一步步得到發展，學生主動地參與到學習過程中，最后真正建構“流體流速越大，壓強越小”的概念。

三、學生體驗深刻是有效“變式實驗”教學的途徑

學生思維的拓展可以有效促進概念的發展，這對于強調學生思維發展的“變式實驗”教學是非常重要的。除此之外，學生學習科學知識是接受的過程，更是發現和創造的過程。因此，教師在科學教學中引導學生自主發現、主動探究，體驗未曾經歷的獨特經歷，讓學生體驗學習的樂趣。在實驗教學中，學生是主動參與者，變式實驗尤為強調學生體驗的深刻性。在“氣體壓強和流速關系”課例中，有許多讓學生印象深刻的體驗活動。

師：現在每位同學都有兩張紙片，大家吹吹看。

師：大家去吹紙片時，發現紙片怎么樣了？

生：紙片真的合攏了（體驗深刻）

……

師：現在你們在注射水流的過程中發現了什么？

生：小船碰到一起了！（經驗繼續延展）

……

師：同學們，當我用吹風機吹機翼時，你觀察到了什么？

生：機翼升起來了?。w驗進一步加強，經驗在學生頭腦中牢固建構）

從吹紙片到注射小船、吹機翼模型，在這些實驗活動中，學生都親自操作，親自體驗，從“真的合攏”“碰到一起”“機翼升起來”這一系列的話語可以看出，學生對體驗很有感悟，并發自內心地感到快樂，這與“學為中心”的思想是非常契合的，學生在此活動過程中非常快樂，學習效率也得到提升。這一系列的活動讓學生體驗非常深刻，經驗在學生頭腦中從建構到延展再到牢固打下基礎，著實提升了實驗教學的有效性。

四、學生充分交流是有效實驗教學的保證

當學生對一系列彼此有聯系的材料進行探究并獲得有意義的經歷之后，他們的內心有了等待開發的語言思維——一種可用語言表達的思維。這種由前語言思維向語言（概念）思維的轉化有一個過程，集體研討則是促進這種轉化的有效途徑。學生通過對有效實驗現象和結果進行交流，這是有效實驗教學的保證。

總之，有效變式實驗是科學實驗教學的重要組成部分，我們通過實驗材料的優化、拓展學生思維、充分交流等實踐實現有效的實驗教學。在實驗中調動學生的積極性，提高學生舉一反三的能力，體現以“學為中心”的思想，有助于素質教育的實現。

參考文獻：

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[2]袁運開，蔡鐵權.科學課程與教學論[M].杭州：浙江教育出版社，2003.