優化科學實驗，提高課堂教學的有效性

蔣亞麗

摘 要：實驗是科學學科的突出特點，實驗開展的成功性將直接影響課堂教學的有效性。根據科學教材編寫的特點及學生的實際學情，提出優化科學實驗，提高科學課堂教學有效性的論點，分別從優化科學實驗，幫助學生構建科學概念、理解學習難點、培養探究素養三個層次闡述優化科學實驗對推動科學課堂教學有效性的積極作用。

關鍵詞：優化;科學實驗;有效性

一、問題的提出與現狀分析

實驗是科學課堂教學的重要手段，也是科學課堂教學的重要內容。教材中為學生安排了許多的演示實驗、學生實驗，一方面通過這些實驗幫助學生學習科學知識，提高探究素養，另一方面也是提高課堂有效性的重要保障。然而在實際的科學教學中并不是每個實驗都能達到編者的設計意圖。主要原因有以下兩個方面：

第一：部分實驗設計可操作性難度較大。例如，在探究影響摩擦力大小因素中，操作要求手拉彈簧測力計沿水平方向勻速直線拉動，這樣才能保證木塊所受的拉力等于摩擦力。但在實際的操作中學生很難做到水平勻速直線運動。因此，按此實驗操作不僅浪費課堂時間，而且也得不到正確的結論。

第二：部分實驗設計超出學生的最近發展區。例如：在認識摩擦力方向教學中，對學生的抽象思維能力要求較高，而教材只給出了一張人走路時腳底受摩擦力的方向的圖片。又如，理解“風”的形成，書本也只有一張圖片，缺少可操作性的實驗讓學生體驗。由于七年級學生處于形象思維向抽象思維過渡的階段，僅靠書本中幾幅靜態圖片讓學生理解相應的科學知識確實超出了學生的最近發展區。

由于以上原因導致教材中部分實驗不能充分發揮應有的作用，因此一線的教師必須對這些實驗進行適當的優化，以提高科學課堂教學的有效性。

二、優化科學實驗的實施策略

（一）優化科學實驗，幫助學生構建科學概念

1.借助優化實驗幫助學生建構正確的科學概念

例如認識“風”的形成原因。雖然“風”很常見，可真要學生說明白，很多學生又支支吾吾說不明白。其實是由于空氣不可見，教材中又缺少能讓學生體驗的實驗，因此不少學生對“風”的形成原因還是存在疑惑。為此，結合學生的疑惑設計了如下的優化實驗。

讓學生利用所給的蠟燭、玻璃管、橡皮塞、玻璃板和大塑料管進行小組實驗探究。很快學生將裝置組裝好，并把橡皮塞塞入玻璃管口，接著將蠟燭點燃，再把裝置罩在蠟燭上，觀察到蠟燭火焰穩定（如圖1）。一段時間后將橡皮塞打開，學生驚訝地看到蠟燭火焰向左偏轉，興奮地叫道：“有風了，有風了……”（如圖2）借此向學生提問為什么蠟燭火焰形狀會發生改變。學生很快地答道：“空氣從右往左運動形成了‘風使火焰向左擺動?！崩^續追問：“那么現在你們能再解釋一下為什么會形成‘風嗎？”學生一下子又啞口無言了，接著讓學生繼續做一個對照實驗。用一支沒有點燃的蠟燭重復上述實驗，并感受是否有“風”形成。學生很快聯想到用熱對流原理解釋：蠟燭點燃，溫度升高，空氣上升，左邊管內形成一個低壓區。右邊管口附近處空氣溫度不變，氣壓不變，與左邊管內相比形成一個相對高壓區。當橡皮塞打開時，空氣從右側（高壓區）流向裝置內（低壓區），從而形成了“風”（如圖3）。至此學生心中的疑惑解開，并建立了“風”的正確概念。

通過優化后的模擬實驗，將風的形成過程轉化為看得見的實驗現象。學生親身體驗，不僅感受了風的形成，而且較好地理解了抽象的概念，提高了課堂教學的有效性。

2.借助優化實驗糾正學生對科學概念的錯誤認識

九年級“研究杠桿平衡”這一實驗（如圖4）：鉤碼始終豎直向下與杠桿保持垂直。實驗能得到F1L1=F2L2這一規律，但是會使學生對杠桿力臂概念產生誤解。經過該實驗，部分學生將力臂的概念從支點到力作用線的距離錯誤地等同于支點到力作用點的距離。為此在課堂中給學生設計了圖5的改進實驗，將杠桿支點定在各同心圓的圓心處，相鄰的兩個圓半徑相差10 cm。在完成科學課本“研究杠桿平衡”這一實驗后，增加“研究杠桿力臂”的實驗。步驟如下：（1）調節杠桿平衡。（2）在杠桿右側力臂30 cm處掛上2個50 g的鉤碼，左側在同樣力臂處用彈簧測力計豎直向下拉（即沿30 cm半徑的圓的切線方向向下拉），待杠桿再次平衡，讀出拉力大小。將彈簧測力計拉力的方向改變，待杠桿平衡，發現讀數也改變。（3）彈簧測力計拉力的方向改為沿20 cm半徑的圓的切線方向和沿10 cm半徑的圓的切線方向，記錄此時測力計的讀數。根據F1L1=F2L2，計算此時動力臂數值。（4）比較實驗中得出的動力臂大小，尋找規律（見下表）

通過對比學生發現計算所得力臂大小與實際測得的大小相等，從而得到動力臂大小恰好與拉力方向所切圓的半徑相等（如圖6）。通過優化后的實驗能幫助學生區分支點到力作用線的距離與支點到力作用點的距離是不同的，使學生更好地理解力臂概念。

科學概念教學通常是一堂課的首要教學環節，學生對概念認識的深度將對后期學習產生重要影響。通過優化實驗將抽象的概念形象化不僅可以幫助學生構建正確的概念，而且有助于提高課堂教學的有效性，也為學生后期學習奠定基礎。

（二）優化科學實驗，幫助學生突破學習難點

科學課堂教學有不少的難點需要突破，有些難點教材給了大篇幅的文字、圖片及可操作的實驗，多途徑幫助學生理解難點。然而也有一些難點教材給了較少的文字及圖片，或所給的實驗操作性不強，所以學生僅憑這些很難理解難點。在此需要教師優化實驗，幫助學生消除疑惑，從而提高課堂教學的有效性。

1.借助優化實驗幫助學生認識難點過程

例如探究人體呼吸運動過程。教材中對這塊內容只有一個模擬實驗（如圖7），學生通過此模擬實驗能理解吸氣和呼氣過程中胸腔體積的變化，卻無法認識引起胸腔體積變化的原因。為此，設計了改進實驗，用塑料片模擬胸骨，塑料條模擬肋骨，彈性繩模擬肋間肌。模擬吸氣過程：用力向上推動模型，發現模擬肋間肌的彈性線的長度變化，體現肌肉的收縮與舒張，發現肋間外肌的線長度在變短，肋間內肌的線長度在變長，因此說明肋間外肌是收縮，肋間內肌是舒張。同時看到肋骨在向上、向外運動，還可以觀察到整個肋骨容納的體積范圍在增大，說明胸腔內部體積增大。通過優化實驗使學生清楚地看到吸氣過程由于肋間外肌收縮，肋間內肌舒張肋骨向上、向外移動導致腔內體積變大，氣壓減小，則外界空氣壓入體內。（模擬呼氣過程：用力向下推動模型出現相反的現象）

平時在本節課中關于呼吸時肋間肌的收縮、舒張以及肋骨運動情況，教師普遍都是直接傳授，由于學生看不到變化過程，對此難點只能死記硬背，時間一久學生記憶效果甚微。因此，這個模型比較好地解決了這個問題，通過移動模型，以測量彈性線在運動中的長短變化來模擬肌肉的收縮和舒張情況，同時可以觀察肋骨的移動過程并感受胸腔體積的變化。把學生難以觀察的難點過程充分展現出來，從而有助于學生認識并掌握這個難點過程，提高課堂教學的有效性。

2.借助優化實驗幫助學生理解學習難點

例如摩擦力難點問題研究。在摩擦力的學習中首先要讓學生感受摩擦力的存在及方向，而學生在判斷摩擦力方向時常常會遇到問題。雖然教師多次強調摩擦力的方向和物體運動方向或運動趨勢相反，但由于書本僅提供一張人走路的圖片，因此學生還是很難理解。筆者由刷牙時牙刷的彎曲形態聯想到：在學生的腳下綁上兩把毛刷，讓學生踩著毛刷走路。通過真實的體驗及觀察毛刷上毛的彎曲方向，學生就能判斷走路時兩腳摩擦力的方向。類似的方法還能幫助學生理解自行車勻速行進及滑行狀態時的摩擦力方向（如圖9）。用海綿制作成輪子，根據車子行進時海綿的彎曲方向來間接指示摩擦力的方向，更加直觀地讓學生看到并感受到摩擦力的方向，有助于學生的理解。

根據科學教材的特點及學生的學習狀況制作該套教具，將課本靜態的圖片及文字轉換為動態、直觀的實驗現象。通過直觀感受形成抽象思維，從而幫助學生解答疑惑。

摩擦力中難點問題還有“探究滑動摩擦力的大小與什么因素有關”。筆者提前布置給學生，讓學生充分想象可能存在的因素。學生可能會猜到與壓力大小、接觸面粗糙程度有關。課堂上積極引導學生探究：能否用實驗來判斷我們的猜想？然后把學生分成4人一組，在課桌上放上大量的實驗器材，讓他們自己設計實驗并動手實踐。

大多學生都按（圖10）教材中的方法進行了實驗嘗試，在體驗活動中發現很多學生雖然知道彈簧測力計拉木塊時要求沿水平方向勻速運動，但在實際操作中他們發現了問題：手拉木塊很難保持勻速直線運動及運動中的彈簧測力計不便讀數。因此針對這兩個問題引導學生繼續利用所給器材進行改進（如圖11）。將運動中的測力計改為固定在墻上，同時將原來拉木塊改為拉動木板，使木塊相對木板運動，待測力計示數穩定后讀數。由二力平衡可知此時木塊所受摩擦力等于彈簧測力計的拉力。優化后的實驗操作要求降低（只要拉動木板即可，不需要保持勻速運動），這樣學生就能很好地完成實驗并得到正確的結論，從而提高課堂教學的有效性。

類似的例子還有許多，通過教師靈活地優化實驗，化難為易，為提高課堂教學有效性并幫助學生學好科學做好鋪墊。

（三）優化科學實驗，創設科學史情境，培養學生的科學探究素養

探究素養主要體現在兩方面：一方面是學生實際情景中運用科學知識、方法解決實際問題所體現出的探究能力，另一方面是在探究過程中所體現出的探究精神。探究素養的培養離不開情境，課堂教學中借助科學發現史創設真實的探究情境將有助于培養學生的探究素養，提高課堂教學的有效性。

例如大氣壓教學中教材也安排了較豐富的實驗，筆者進行適當的優化，使實驗依據科學發現史逐個呈現，讓學生粗略體驗大氣壓的發現過程。

教學片段一：聚焦問題

教師：生活中有“水往高處流”的例子嗎？

生1：吸牛奶、抽水機。

教師：其實早在公元前兩百多年，聰明的人類就發明了一種最原始的活塞式水泵，其結構圖參考如下（圖12）。先請同學來感受一下水往高處流的“抽水機”，并提出你想解決的問題。

生2演示實驗，并提出問題“水為什么會往上運動？”

學生3的猜想：水是被上面的真空吸上去的。

學生4的猜想：水是被一股力推上去的。

設計意圖：通過出示瀑布的照片，引出水往低處流的話題。接著提問“水往高處流”的例子有嗎？然后進行演示實驗：“活塞式抽水機”的實物模型，讓學生體驗其工作的過程，引出對“水是被什么提上來的？”這一問題的猜想。問題的設計指向大氣壓強的發現史，科學家首先引發的是對當時工業“活塞式抽水機”原理的思考，因此本節課的第一個環節，聚焦生活中常見的抽水機，讓學生在體驗抽水機的工作時，引發一系列的思考，從而建立最樸素的、源于自身的猜想。

教學片段二：示證發現

亞里士多德的觀點：世界上不允許真空的存在。事實果真如此嗎？

教師：同學3的猜想，與當時著名的科學家亞里士多德不謀而合，他也認為水上升的原因是水的上方是真空的，而大自然似乎不允許真空的存在。如果亞里士多德的觀點是正確的，請問如何讓燒杯中的水流到這根一米長的玻璃管里面？

生1：抽掉玻璃管上方的空氣。

教師演示：用洗耳球將玻璃管上方的空氣抽掉，紅墨水慢慢上升，直至玻璃管的最頂端。如果玻璃管足夠長，紅墨水還能繼續上升嗎？

生2：能。

教師：讓我們來看看當時的人們，他們收集到的證據。

證據：視頻（水泵抽水，水只能被抽到約十米高。）

教師：現在你還覺得上述的猜想正確嗎？為什么？

生3：不正確，因為依據亞里士多德的猜想，那水可以被抽到無限高處。預期實驗現象與事實不符合，所以不正確。

教師：那當你收集的證據不支持你的猜想的時候，你應該采取怎樣的措施？

生4：推翻原來的猜想，建立新的猜想。

設計意圖：通過幾個簡單實驗的組合，為學生重現科學家探究的過程，讓學生在歷史背景中了解大氣壓強的發現以及演變過程。

教學片段三：獲取結論

經典實驗重現：“托里拆利實驗”

教師：托里拆利選用了水銀作為實驗的材料而不是水，你覺得有何優勢？

生1：ρ水銀>ρ水，那么液柱的高度低。

教師：那你覺得“使水銀柱不下落的外力是什么？”

生2：是來自外界的一種力，這種力是大氣產生的。

教師總結并板書：大氣產生的壓力簡稱大氣壓。大氣壓的大小和什么因素有關呢？（閱讀科學家帕斯卡的有關事跡）

生3：氣壓的變化與天氣變化有關。

教師：為什么水銀柱不能充滿整個管子？

生4：大氣壓強是有一定大小的。

教師：大氣壓強究竟有多大呢？

演示實驗：教師將2個半球合攏后接著輕輕一拉，半球就被拉開了。提問：為什么大氣壓沒有把它們壓住呢？

學生5：因為里面也有大氣壓。

教師：那我們把里面的空氣抽完再嘗試一下。

請兩個學生配合完成半球的抽氣實驗，然后再用力往兩邊拉，發現很難拉開。借此實驗筆者介紹歷史上的馬德堡半球實驗的由來。

探究素養不僅是科學考試的重要內容，更是學生科學素養的核心內容，在科學課堂教學中積極聯系科學發展史開展優化實驗，將有助于提升學生的探究素養，提高課堂教學的有效性。

三、成效

課堂是學生學習的主陣地，課堂教學的有效性主要體現在學生對科學知識的認知、理解和掌握程度以及探究素養的培養方面。優化實驗是依據學科的特點，從教材和學生的實際學情出發，著眼于解決學生的問題。經過近三年的實踐也取得了一定的成效，本屆學生對科學知識掌握較往屆學生更扎實，學習的難點問題也能更好地解決，科學探究素養也得到較好的培養。多年的實踐證實優化科學實驗是提高課堂教學有效性的一條正確道路。筆者認為一線教師應充分利用科學注重實驗的學科特性，積極優化實驗，使每個實驗為提高課堂有效性發揮最大的作用。

隨著教學改革的不斷推進，教學技術的不斷更新，創新精神的不斷融入，科學實驗的優化還會有更大的發展空間。不斷地創新優化實驗，提高科學課堂教學的有效性將會成為每位一線教師永不停止的追求。

參考文獻：

[1]陳亮.初中科學自主學習設計[M].北京：光明日報出版社，2017.

[2]鄭青岳.初中科學典型課例優化設計[M].杭州：浙江教育出版社，2017.

[3]余文森.核心素養導向的課堂教學[M].上海：上海教育出版社，2018.

編輯 馮志強