優化初中科學實驗活動的案例研究

摘要：新課改指出發展學生的科學素養離不開科學的的學習過程。科學實驗活動是進行科學探究的基本手段。如何有效通過科學實驗活動促進學生科學素養提升，本文擬從真實的案例入手，指出當前實驗活動中存在的一些問題，并提出相關優化策略。

關鍵詞：實驗選材；變量控制；實驗生成

一、問題提出

科學實驗活動是科學研究的靈魂，也是科學教學的重中之重。但筆者在多年的教學生涯中，發現現今科學實驗教學中仍然存在一些重要問題。本文擬從幾個真實的案例展示這些問題，并提出優化策略。

【案例1】雞蛋在鹽酸中的浮沉實驗

浙教版九上P63頁第二章第五節，講述酸堿鹽在一定條件下能發生相互轉化時，活動如下：

（1）將一只生雞蛋（或螺螄殼）放到盛有稀鹽酸的窗口中，如圖1所示。觀察實驗現象：

（2）2分鐘后，將生雞蛋從酸中取出，用水沖洗干凈，蛋殼發生了什么變化？

（3）將雞蛋繼續放置在稀鹽酸中，10分鐘后取出，用水沖洗干凈，蛋殼又發生了什么變化？。解釋上述變化的原因：。

這個活動比較典型地展現了當前課堂完成課本活動存在的一些問題。如：

1.浮于表面，以講代踐

蛋殼的主成份是碳酸鈣，在八下我們采用鹽酸和碳酸鈣反應制取二氧化碳，所以這個實驗容易被許多老師所忽略。其實它所要觀察的不僅僅是產生二氧化碳，還可以看到雞蛋在有規律地做上下沉浮運動。由于蛋殼和鹽酸反應生成二氧化碳，氣泡聚集在雞蛋周圍，使浮力大于重力，從而雞蛋上升；到了液面頂部后，氣泡破裂，浮力小于重力，雞蛋下沉。

對此，許多老師采取的方法就是直接告之結果。事實上，不做不知道，一做就會發現，這個實驗并不是想象中的那么簡單。同時，它也比較典型地揭示了以下問題——

2.選材不當，設計失謹

真正進行實驗的老師，大多數會看到一個非常“驚奇”的現象：雞蛋放入稀釋過的鹽酸里，立刻產生大量的氣泡，雞蛋立即向液面運動。實際上這個實驗很少能夠成功，雞蛋基本上浮在液面頂部，不會下沉。如圖2所示。

原因主要是鹽酸濃度過大。我們平時化學實驗所使用的“稀”鹽酸的濃度，遠遠大于能夠產生使雞蛋“上下浮沉”現象的酸的濃度。同時，實驗不僅對鹽酸濃度有著極為苛刻的要求，還與雞蛋的殼上膜有關。如圖3，是初次放入鹽酸中雞蛋實褪下的膜。去膜前后的雞蛋差異也比較大（圖4）。經查閱資料，知道雞蛋殼上膜成分為糖蛋白，經酸溶液浸泡膨脹后其顏色變深（棕色），大量氣泡被吸附在膨脹的薄膜和蛋殼之間。在上浮前與上浮過程中，雖然有少量氣泡逸出，但吸附的大量氣泡仍被薄膜鎖定，故而實驗結果很容易出現雞蛋浮在酸面上不再下沉[1]。

故實驗如果想要成功，需要反復調制鹽酸濃度，還要去除雞蛋上的那層膜。另外，實驗成功的鹽酸濃度并不是一層不變，與雞蛋的新鮮程度也有關。故此，需要嚴守選材關，并在上課前反復預做實驗。

3.現象誤判，缺乏思辨

還是這個實驗，調整了實驗選材后繼續實驗，會看到雞蛋上下浮沉現象。但細心的老師和學生會發現，有兩種浮沉情況：一種相對速度較快，浮動幅度較小；一種相對速度較慢，但浮動幅度很大，可以實現從頂部到底部的完整運動。第一種現象容易出現，第二現象現象較難出現。那么，哪一種才是成功的現象呢？

筆者認為，第一種不算成功。在相對較大的酸濃度下，產生氣泡較多，浮力遠大于重力，使其獲得較快的向上速度。在上浮的過程中，動能轉化為重力勢能。這種現象應該是動能與勢能的轉化。緩慢地上浮與下沉，并且幅度較大的實驗現象，才是真正的實驗結果。

但由于這個實驗很難成功，而第一種現象比較容易出現，故相信很多老師會把第一種實驗現象當成了成功的實驗現象。

有些實驗的結果具有迷惑性，而且實驗的預期和結果出現不同也是很普遍的現象。如何抽絲剝繭抓住其中的科學本質，考驗了老師的教學智慧。

二、優化策略

在長期的實驗教學中，我們發現，實驗設計不嚴謹，選材不準確，操作過程不規范，變量控制不到位等，都會造成實驗預期與實驗結果的偏差。當然，如果能夠針對實驗現實與實驗預期的差異，進行深入挖掘，也會有一些意想不到的收獲。故此，我們提出以下優化策略：

1.嚴謹選材提高成功率

選擇恰當的實驗材料，對于實驗成功的重要性不言而喻。如提出問題出的雞蛋在酸液中的浮沉問題案例，已經比較好地說明了這個問題。

【案例2】小燈泡的電功率跟哪些因素有關

浙教版九上P112探究小燈泡的電功率跟哪些因素有關。如圖5。實驗現象應該是接在當燈泡兩端電壓相同時，通過的電流越大，電功率越大，燈泡越亮。

控制電壓相同，使用不同規格的小燈泡按書示電路圖連接好后，全班6組實驗，有2組得到了反結論！如圖6所示。

這個結果令人發懵。是不是儀器是不是出了問題呢？經過檢測，器材完好。電池電壓足夠。重復實驗后還是出現了同樣的現象。那么究竟是怎么一回事呢？最后發現這個現象與實驗材料的選擇有密切關系。只是簡單地理解教材上燈泡的亮度由實際功率來決定并不嚴謹。

在排除了諸多電壓表、電流表、電池等器材原因后，我們再次查看了小燈泡的規格：6V 0.5A；3.8V 0.3A。分析發現：第一個燈泡電阻12歐；第二個燈泡電阻約近13歐。故電壓相同時，第一個燈泡電流較大，第二個燈泡電流較小是成立的。

問題是燈泡的明暗程度卻與電流大小相反。

我們大膽猜想：是否與小燈泡的額定電壓有關！

原因分析：額定電壓是3.8v的小燈泡，在電壓接近3.8V的時候，已經可以使其盡可能地將熱能轉化為光能。所以即使電流稍小，但燈仍是很亮。而額定電壓是6V的小燈泡，由于實際電壓距離6V的電壓較遠，不足以使其接近正常工作狀態，即使電流稍大，但不足以達到燈絲明亮發光的狀態。所以依然較暗。

故此，我們推測：當電壓變大，接近6伏小燈泡的額定電壓時，小燈泡的明暗程度將隨電流大小變化。隨后，我們進行了圖7的實驗。數據如表1所示。

表1中的數據驗證了我們的推論。故此，我們可知，由于燈泡的額定電壓不同，導致實驗現象與預期結果出現較大偏差，甚至讓孩子們得到了反結論。可見選材的重要性！所幸我們通過更深層次的分析與挖掘，幫助孩子糾正了錯誤結論。但若是這個現象并沒有引起老師們的重視，這個疑惑或許要伴隨孩子們整個電學學習生涯了。

2.細化變量控制的可操作性

嚴謹的實驗需要對其操作或者測量下操作性定義[2]，即：科學的、可觀察的、可測量的、可操作的、可重復的[3]。

變量控制是科學實驗活動中必須嚴謹考慮的問題。但在實驗過程中教師會提出要求，具體的設計和操作卻往往失之粗糙，不夠細致。例如在探究液體蒸發快慢與溫度關系時，教師會強調“僅需要改變是溫度，其它的量保持不變”。交待同學們可以各滴1滴酒精到玻璃板上，分別攤開，注意面積要接近相同。這樣處理是課本上的設計方式（如圖8所示），也是大多數教師選擇的方式，當然也可以。但和下面的設計相對比，變量控制的細致化程度就有了明顯的區別：

【案例3】影響液體蒸發快慢的因素實驗設計中的變量控制

（1）液體表面積大小影響液體蒸發快慢。取圖9所示玻片，固定好面積不同兩個橡皮圈，同時滴進3滴液體，將其攤勻。記錄兩圈中液體蒸發速度。

（2）液體溫度高低影響液體蒸發快慢。取圖10所示兩張玻片分別兩個固定面積相同的橡皮圈。同時滴進3滴液體。將其攤勻。一張自然蒸發，一張通過酒精燈加熱，觀察并記錄圈中液體的蒸發速度。

（3）液體表面空氣流動速度影響液體蒸發快慢（設計同上）。如上設計簡單卻巧妙。變量控制的操作清晰明確，效果很好。對變量控制的實驗設計的細致化精確化程度，更加考較執教者的心思[2]。

3.挖掘實驗生成深化思維

實驗預設與結果不一致是非常普遍的現象，也是科學研究過程中不可避免的。造成這個現象的原因多種多樣，除去器材損壞或不達標，測量數據不夠精準，操作不夠規范之外，更多可能是存在深層次的原因。能否抓住這些問題，引導學生進行深入挖掘，不僅體現了師生的科學態度，還體現了師生進行科學研究的素養和能力。如案例2通過對實驗的再研究，實驗再設計，就幫助學生扭轉了錯誤實驗現象帶來的錯誤結論。當然，還有許多實驗，也有非常有趣的生成性問題。

【案例4】液體沸騰需要達到沸點且吸熱實驗中的生成性問題

在研究水在沸騰時需要滿足兩個條件：到達沸點，繼續吸熱。為了讓學生比較深刻地理解這兩點，有如圖11實驗設計。為了促進學生人人動手，鼓勵學生根據生活中的器材，自行改進實驗。于是孩子們做了如圖12的實驗：

奇妙的事情發生了。大鍋里的水已長時間沸騰，溫度維持在100℃，而學生們反饋，小碗中水有95℃，96℃等，卻無論如何也到不了100℃。為什么類似的實驗設計，換用火力更大的煤氣灶，卻反而不能成功呢？

帶著這個疑問，我們在課堂上嚴格按照左圖進行了實驗。結果顯示，燒杯和試管中水都可以達到100℃，燒杯中水確實不沸騰。是什么原因導致了這個現象？大家一起對比兩套裝置，進行分析和交流。孩子們發現，小試管管口面積較小，而碗的開口面積則較大。當水溫較高后，碗口面積大導致蒸發失熱多。大鍋里沸騰為小碗提供的熱量不足以使其升溫到100℃，故此出現以上問題。通過對這個實驗現象的深層次挖掘，讓孩子對產熱和散熱有了直觀的感受，對以后學習產熱和散熱平衡打下了基礎，也有利于學生初步理解并感受物理和生物相關知識的整合。

水的沸騰實驗也發生了有趣的現象。如圖13為課本活動設計。但在學生實驗過程中，有人反映，水只升到92℃就不升了。還有人加熱到87℃就再也不升了。甚至還有人說，把燒開的水直接再放回到酒精燈上加熱，加熱一小時，水溫居然保持在了91℃。

首先指出這個實驗結果緣于操作不規范。觀察燒杯口是否覆蓋紙板。再繼續引導結合案例4的結果，分析原因。相信經過了這個過程，學生對于沸騰實驗中加蓋設計和不加蓋設計的原理及結果應該有了深刻理解。

當然，還可以繼續引導學生反思，實驗不成功僅僅是加蓋和不加蓋的因素么？與酒精燈火力大小、容器敞口面積大小是不是都有關？放在煤氣灶上，或者換用開口較小的試管燒水，能不能成功呢？

通過對實驗中生成性問題的挖掘，促進了學生主動對知識進行深層次加工，建立知識網，主動運用相關知識解決問題。還培養了學生根據實驗現象分析本質的能力。這樣的學習效果，比僅僅是從書本、老師處被動獲得知識要深刻的多。

三、結語

綜上所述，筆者認為，科學實驗活動不僅僅要完成實驗，還要完成高質量的實驗。面對科學實驗教學，教師們需要有一顆嚴謹、虔誠的心！每一次課堂實驗都需要在課前預做，及時發現問題。要注意實驗中的選材問題。選材不慎，實驗失敗不說，還極有可能得到反結論，對學生形成負遷移。還要精心設計實驗過程。實驗結果是否會產生較大誤差，變量控制的細節設計至關重要。

當然，有時再精心的實驗設計也會出現問題，因為即使是科學家在進行科學研究的過程中，也無法完全控制實驗預設與結果完全相同。總會有意想不到的問題出現。這些實驗中的生成性問題其實是促進學生進行深入科學探究，全面培養學生科學素養很好的載體。筆者擬對此現象再進行深入研究。

參考文獻：

[1] 徐良斌.雞蛋在稀鹽酸中沉浮實驗的探究 [J].化學教學，2015，（3）.43～45.

[2] 陳志偉，陳秉初.中學科學教學論[M]. 北京，科學出版社，2012，p.161-165.

[3] 朱宗秋.改進課本活動設計滲透科學本質教育[J]. 中學物理，2016，p.68-69.

（作者單位：浙江省杭州市文海實驗學校 310018）