初中科學實驗設計新思路

倪陸明　朱華羽

摘 要 核心素養在現今初中科學課程改革中越來越受到人們的重視，提升學生科學探究能力是初中科學核心素養的重中之重。有效的科學實驗活動能激發學生的學習欲望和興趣，培養學生的觀察能力、動手能力和實驗設計能力等，從而提升學生科學探究的素養。本文以2020科學中考第27題實驗設計為契機，從更新實驗設計思路、更新實驗設計方法、優化實驗教學方法和更新實驗設計評價方式等方面，探討初中科學實驗設計的新思路。

關鍵詞 初中科學 實驗設計 實驗教學

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.02.064

New Ideas of Scientific Experiment Design in Junior Middle School

NI Luming， ZHU Huayu

（Puyang Middle School， Hangzhou， Zhejiang 311255）

Abstract Core literacy in the current junior high school science curriculum reform is more and more people's attention， improve students' scientific inquiry ability is the top priority of junior high school science core literacy. Effective scientific experiment activities can stimulate students' learning desire and interest， cultivate students' observation ability， hands-on ability and experimental design ability， so as to improve students' quality of scientific inquiry. This paper takes the experiment design of question 27 of 2020 science high school entrance examination as an opportunity to explore the new ideas of junior high school science experiment design from the aspects of updating experiment design ideas， updating experiment design methods， optimizing experiment teaching methods and updating experiment design evaluation methods.

Keywords junior middle school science; experiment design; experiment teaching

一道中考題引發的思考。

【例題】2020年杭州中考科學第27題

為探究酸性環境對唾液淀粉酶催化作用的影響，請根據所提供的實驗器材設計一個實驗方案。實驗器材：試管、1%淀粉溶液、新鮮唾液、5%HCl溶液、量筒、溫度計、燒杯、碘液、蒸餾水、滴管、酒精燈、三腳架、石棉網、火柴、記號筆、計時器

（1）該實驗的原理是：① ______________;②碘液能使淀粉變藍。

（2）設計該實驗的主要步驟（可用文字、表或圖簡要表述）。

（3）預期本實驗的結果是______________。

錯因分析：該題學生錯誤率較高的是第2、3兩小題。尤其是第2小題實驗設計學生出錯是最多，主要表現為以下幾點：①沒有分組對照思想，只是在試管中不停的放入物質。②沒有注明等量的唾液和等量的淀粉液，這種量的控制，學生的作答表達含糊，一支試管中倒入唾液和淀粉液，鹽酸溶液，另一支試管倒入清水。③審題不清，設計成不同溫度對實驗的影響以及不同鹽酸濃度對催化作用的影響等。④觀察現象不具體，學生方案中基本有觀察現象等字樣，但沒有表述到觀察顏色的變化而失分。第3小題則主要錯誤是將實驗結果寫成實驗結論。

實驗設計反映了學生的實驗探究的基本素質，也反映了學生分析問題、解決問題的能力。該題得分率低也反映了我們實驗教學的缺陷，在教學實踐存在以講代做，以“演”代“探”，只注重實驗的結果而輕視實驗的過程，學生實驗“走形式”，實驗演示不規范等問題，導致學生觀察能力差、語言表達不準確、動手操作能力弱，更不用說實驗設計能力。這些現象不僅有礙于實驗教學的開展，而且不利于科學知識的傳授，更有礙于學生的創新能力發展，與新課標提出的“以培養學生科學素養為宗旨”的理念相悖。然而，中考題也為我們實驗教學的提供了新出路，實驗設計可以用文字、表或圖簡要表述。而我們傳統的實驗設計以文字表述為主，偶爾用到表或圖的形式也把他們又轉化為文字表述。因此，我們應注重以表或圖的實驗設計開展有效的實驗教學，更新實驗教學方法，培養學生實驗設計能力，從而提升學生科學探究的素養。

1更新實驗設計教學思路

課堂實驗設計是實驗教學的重要組成部分，也是整堂課教學設計的重要部分。但實驗設計不要盲從教科書上提供的實驗，而應根據實驗內容結合學生的實際充分利用實驗器材有的放矢。

1.1不應盲目追求成功，應體現實驗的科學性

在實踐教學過程中總有一部分教師特別關注科學實驗的成功與否，將課堂演示實驗的成功與失敗作為教學成敗的評價標準，感覺在課堂上實驗失敗了就要花很長時間尋找原因，而影響了后面教學。如在探究液體蒸發的影響因素時，有學生在兩片玻璃片上分別滴了一滴水，其中一片不停用書本扇，另一片為了保證液滴上方沒有空氣流動用雙手保護，結果卻發現沒有扇的液滴先蒸發完，而教師為了教學進度卻沒深究他們的原因而把實驗失敗歸咎于一開始滴的兩滴液體有大小。這樣似乎也在說明控制無關變量的重要性，但這不利于學生分析問題解決問題能力。這時我們應讓這組學生的實驗重現，讓大家嘗試分析其中的原因，然后改進再進行實驗，最后得到答案。

1.2不應盲目照搬書本，應體現實驗的探究性

有些教師盲從書本權威，覺得書本的設計定有它存在的合理性，如實驗結果不明顯應是實驗操作有誤。如八年級上“土壤的成分”的教學中，驗證土壤中有無機鹽的實驗，按照書本實驗設計過程很難出現明顯的現象，而有教師為了實驗成功將土壤浸出液中添加了少許食鹽。這不僅違背了實驗的科學性，也違背了實驗的探究性。我們應該讓學生通過實驗實事求是分析實驗現象，引導學生現象不明顯的原因可能是土壤中的無機鹽含量較少，并嘗試探究用其他方法驗證土壤中的無機鹽，如用導電法驗證。這樣才有利于培養學生質疑的能力，激發學生勇于挑戰書本權威的信心，也有助于培養學生發現問題、解決問題的能力。

1.3開發課程資源，有利于提高學生的科學素養

師生平時應該廣泛收集實驗素材，不斷充實教學資源。如“溫度的測量”一課，可引入伽利略溫度計，并提出三個問題“外界溫度升高，玻璃管內液面怎么變化？伽利略溫度計利用了什么原理？如何提高伽利略溫度的準確度？”引發學生認知沖突，激發學生學習興趣，并通過實踐操作檢驗學生們的猜想。再讓學生討論伽利略溫度計的缺點，引出現代溫度計的構造及原理，使學生經歷了溫度計發展史，不僅獲得了溫度計的知識要點，更豐富了學生的見識，明白知識背后的知識，培養學生勇于探究、善于分析的科學素養。

2 更新實驗設計的方法

在核心素養的背景下，對于實驗的設計應遵循客觀規律，體現實驗的嚴謹性、科學性、可行性等。因此，在實驗設計過程中我們引導學生有良好的構思、嚴謹的步驟、準確的表達。

2.1 實驗設計的構思

實驗設計一般要注意以下幾點：①控制什么條件（無關變量）相同;②改變什么條件（自變量）;③觀察與記錄實驗現象（因變量）?；谝陨蠋c實驗設計的步驟要有一定的順序，要注意實驗步驟的關聯性和實驗操作的程序性。[1]如探究溫度、酸堿度酶的催化的影響，唾液、淀粉液、水浴加熱等具有一定的先后順序，特別是淀粉液的加入順序與時間節點差異將直接導致不同的結果從而影響實驗的嚴密性。因此，實驗設計的構思一般如圖1。

2.2 實驗設計的技巧

在實驗設計的構思下進行步驟的設計還應注意以下技巧：①實驗的分組、編號。涉及兩組或兩組以上的實驗，尤其生物和化學類的實驗設計，需用1、2、3…或甲、乙、丙…等方式加以編號區分。[2]②方案的表述。實驗設計時應對溫度、體積、質量、時間等做準確的量化描述，如：“適宜的溫度”“等量的**”“在相同條件下”等等。③對照的科學性。對照實驗中除變量外，其他條件應相同。如“N、P、K元素對植物生長的影響”，對照組應為含有N、P、K元素的土壤浸出液;實驗組應為缺乏某種元素的土壤浸出液。而非對照組是蒸餾水，實驗組是含某種元素的水溶液。④實驗現象的觀察。明確實驗觀察的對象并準確描述。如上述中考題中就要求對實驗現象的準確描述，描述的關鍵點在于兩組實驗現象的主要區別是變藍色和不變藍色。⑤實驗結果的預測分析。用文字、表格或直角坐標圖等形式記錄實驗現象，然后預測分析某一自變量對實驗應變量的影響。

2.3 實驗設計的展示

為了能更直觀的展示自己或小組的實驗設計過程，最好采用繪圖或圖表的形式展示設計思路，并通過語言描述補充一些重要信息。如上述中考題可通過以下兩種形式進行展示。

3優化實驗教學方法

實驗設計靈感來源于平時的實驗基礎。因此，我們應該從平時的實驗教學入手，聯系生活、社會與科學技術，優化一些實驗方法，提升實驗的趣味性、探究性、開放性，從而提升學生實驗設計的能力。

3.1 增加演示實驗

演示實驗不僅能幫助學生理性理解相關的科學知識，更重要的是能起到示范作用，引導學生正確的實驗操作及科學方法的運用。但教材中有些實驗存在一定的缺陷，需要適當的增設演示實驗，加強教學的直觀性。例如：在滑動摩擦力的影響因素，教材采用勻速拉木塊的方法很難做到勻速運動，引起學生對實驗結果的懷疑，這時可以增設演示實驗在木塊下再放一長木板，讓彈簧測力計固定不動而拉木板的方法測摩擦力大小來探究滑動摩擦力的影響因素。通過兩種實驗方法的比較，讓學生能更深刻理解實驗設計的嚴謹性與科學性。

3.2 變演示實驗為探究性實驗

學生實驗設計能力弱有一部分原因是學生動手實踐操作機會較少，理論與實踐總會存在一定的差距，有些實驗設計看似可行，但在實踐操作中才能發現問題所在。為增加學生動手實踐機會，可將部分演示性實驗改為探索性實驗，發揮學生的主體作用，培養學生實驗設計中理論聯系實際的意識。例如，《指南針為什么指南》一節的教學中，為了弄清磁體的性質，可以發給學生相關的器材，讓學生分組探究，在玩中總結磁體的一些性質與規律并將每組的成果展示到黑板上，通過對比分析歸納出磁性、磁極、磁極間的相互作用等內容。引導學生對展示的內容或方法提出質疑，從而修正、完善各自實驗設計，再重新實驗得出結論，而不是按部就班完成課本活動而已。這樣的教學過程學生的實驗設計能力才能在潛移默化中得到提升。

3.3 精心設計探索性實驗

探索性實驗的設計應注重啟發學生對問題探索，對可能的影響因素的篩選，對實驗設計的展示，引導學生質疑所在組和其他組方案的缺陷，鼓勵交流與討論實驗心得，在發現問題和解決問題中培養學生實驗設計能力。例如：在探索“重力大小的相關因素”的實驗中，引導學生大膽猜想哪些因素會影響重力的大小并說出自己的理由，學生馬上根據自己的生活經驗提出了5個因素分別是質量、體積、密度、高度、形狀，然后引導學生進行篩選去掉雷同的，學生發現質量和體積間接描述了密度，就去掉了密度，然后對4個因素一一設計展示驗證，驗證時嚴格控制無關變量，發現重力與質量有關，與體積、形狀、高度無關，再引發質疑與高度無關嗎？學生馬上意識到方案存在問題，改變的高度太小。真正的探究并不是知道實驗的結果而是經歷探究的過程，只有經歷實驗才能避免今后其他探究實驗中犯雷同的錯誤。

3.4 增設開放性分組實驗

學生的分組實驗在初中科學中相對較少且較為單調，所提供的實驗器材、實驗原理和實驗步驟都是固定的，其主要目的是培養學生的動手操作能力。[3]學生分組實驗雖少但是實驗教學中不可或缺的一部分。因此，為拓展教學我們可設當增設開放性實驗，這樣有助于學生的發散性思維。如：在講授“杠桿”一課后，增設學生的開放性分組實驗課，給學生提供紙盤、10g的砝碼（做秤砣）、其他固定克值得砝碼、細線、木條等制作桿秤，并測出一個蘋果的質量，比一比誰得桿秤測出得最接近真實值。學生就要運用所學知識思考怎樣設置提扭、標刻度等問題。這樣學生的發散思維會被激發，努力將理論知識轉化為實踐運用。實物設計對設計的要求明顯更高，這無疑提升了學生實驗設計的能力。

3.5 落實家庭小實驗

家庭小實驗是課堂教學的延伸、拓展與深化，有助于學生鞏固課堂知識、開闊視野，也有助于學生提升實驗技能，培養學生的創造思維能力。例如，在學習浮力之后，要求學生自己動手在家自選材料制作密度計。他們就會運用所學的知識積極動腦，根據實驗原理努力設計優良的方案，在實踐中不斷嘗試修正，發現解決問題的方法。又如，學習摩擦力之后，探究筷子提米的方法。再如，種子的萌發因素、綠豆芽的向光性、凈水器的制作等等，這些小制作、小實驗，對于培養學生的實驗設計都會起到極大的促進作用。

4更新實驗設計的評價方式

學生實驗活動的復雜性、“不確定性”以及評價手段與工具的局限性，導致不能對學習活動及其結果作出有效的評價。因此，在實驗設計的評價中，我們應當注重過程評價與結果評價相結合，采用表現性評價，運用量表進行觀察與評價，側重過程性評價，從而確定學生的實驗設計水平。學生實驗從其教學特點來看又可分為驗證性實驗和探究性實驗。不同類型的學生實驗其評價策略的側重點也有所不同。

4.1 驗證性實驗的評價

驗證性實驗是以驗證和鞏固已學過知識為目的而進行的實驗。因此，驗證性實驗的評價應側重知識和原理的掌握、實驗器材的選用、實驗步驟的表述程度、實驗操作的規范程度、實驗結果與結論的正確與否以及實驗誤差分析判斷情況。詳見表1。

4.2 探究性實驗的評價

探究性實驗是學生在未知實驗結果的前提下積極主動探索、分析，運用科學知識和科學方法得出相關結論的活動。因而探究性實驗的評價側重學生假設的合理性、實驗設計的規范程度、小組合作的參與程度以及學生表達和交流情況。詳見表2。

5 結束語

通過以上實驗教學的轉變與實施，所教兩個班的學生學習科學的興趣更濃厚了，學生實驗操作技能也明顯提高了，語言表述能力也增強了，實驗設計思路明顯開闊了，逐漸形成了嚴謹的科學思維和實事求是、探索真理的科學態度。然而學生實驗設計能力的培養不是一蹴而就的，需要在教學實踐中不斷的磨煉與強化。實驗教學是培養學生實驗設計能力的主陣地，我們應該努力聯系教材、器材結合先進科學技術，對每個實驗進行認真的分析與整合，盡可能確定每個實驗要注重培養學生某方面的能力，而不一定要面面俱到。相信只要我們努力挖掘教學資源，提高實驗教學的有效性，讓學生經歷科學探究的過程，就一定能在培養學生實驗設計能力的教學中取得良好的效果。

參考文獻

[1] 盧翠紅.淺談初中生物探究性實驗的設計思路與技巧[J].小作家選刊，2018.

[2] 劉雪峰.關于初中生物實驗設計的幾點思考[J].速讀（上旬），2016.

[3] 王定荷.淺談初中物理實驗教學[J].課外閱讀（中旬），2011.