基于科學(xué)素養(yǎng)導(dǎo)向的實驗教學(xué)策略

王憲芳：小學(xué)科學(xué)特級教師，正高級教師，濟寧市“小學(xué)科學(xué)學(xué)科教師培訓(xùn)基地”首席培訓(xùn)教師。榮獲“鄒魯名師”“濟寧市杏壇名師”“濟寧市十佳教師”“孔孟之鄉(xiāng)最美教師”等榮譽稱號。在省市縣組織的教師業(yè)務(wù)培訓(xùn)和交流活動中，做學(xué)術(shù)報告十多場次，參訓(xùn)教師近萬人次。

實驗教學(xué)是國家課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重要教學(xué)內(nèi)容，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑。實驗教學(xué)是小學(xué)科學(xué)教學(xué)中最常用且具有實踐性的一種教學(xué)組織形式。在實驗教學(xué)中，以實驗為基礎(chǔ)，開展探究式學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力，對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成具有十分重要的作用，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基礎(chǔ)性活動。

一、創(chuàng)設(shè)實驗情境，培養(yǎng)學(xué)生問題意識

探究始于問題，問題源于情境。創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，重在指導(dǎo)學(xué)生觀察，通過對自然事物、自然現(xiàn)象或自然變化的觀察，引發(fā)學(xué)生一探究竟的好奇心，給學(xué)生提出問題的機會，期待學(xué)生自己提出問題，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，催生探究熱情。

（一）在實驗情境中提出問題

在教學(xué)中，教師要依據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇典型、直觀的事物或現(xiàn)象吸引學(xué)生注意力，在具體、真實的教學(xué)情境中產(chǎn)生“為什么……？”“……怎么回事？”等指向探究目標(biāo)的問題意識。

例如，教學(xué)青島版科學(xué)（以下舉例均以青島版科學(xué)教材為例）《磁極的秘密》一課時，在一輛小車上放一塊條形磁鐵，教師用另一塊磁鐵靠近小車，不用手碰小車，就可以讓小車前進、后退或拐彎。學(xué)生看后感到既新奇又好玩，此時，教師提出，能夠從這個現(xiàn)象中提出問題的學(xué)生，才可以玩一玩。學(xué)生稍加思索，紛紛提出“磁鐵不接觸小車，小車為什么會前進和后退？”“手持的磁鐵是怎樣控制小車的？”等與研究磁極性質(zhì)相關(guān)的探究問題，使教學(xué)情境與探究目標(biāo)產(chǎn)生聯(lián)系，學(xué)習(xí)具有了明確的學(xué)習(xí)目的。玩過之后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了磁鐵“同極相斥、異極相吸”的性質(zhì)，玩中有發(fā)現(xiàn)的學(xué)生又可以繼續(xù)下面的闖關(guān)游戲。在整個教學(xué)活動中，學(xué)生始終保持提出問題、有所發(fā)現(xiàn)、解決問題的積極思維狀態(tài)。

（二）在觀察和比較中發(fā)現(xiàn)問題

通過對不同實驗現(xiàn)象或?qū)嶒灁?shù)據(jù)進行觀察和比較，是學(xué)生提出探究問題的有效方法之一。提問的本質(zhì)是學(xué)生對生活中各種現(xiàn)象產(chǎn)生好奇心和求知欲。產(chǎn)生好奇心需要用心觀察，用心觀察的一種重要方法就是比較。要引導(dǎo)學(xué)生在觀察比較中發(fā)現(xiàn)問題，形成解決問題的內(nèi)在需求并有付諸行動的積極愿望，進一步激活學(xué)生的思維。

例如，教學(xué)“簡單機械”單元《斜面》一課，在研究“斜面省力大小與坡度關(guān)系”時，教師有意識地為不同小組的學(xué)生提供同樣長度的木板、同樣載重的小車、不同數(shù)量的小木塊，要求他們把這些材料全部用上，搭建一個斜面，并記錄實驗數(shù)據(jù)。實驗后，通過對實驗數(shù)據(jù)的觀察比較，發(fā)現(xiàn)各組斜面省力情況的不同，提出“斜面省力大小與哪些因素有關(guān)”的探究性問題，再通過觀察比較各組搭建的斜面，發(fā)現(xiàn)斜面坡度不同，省力情況也各不相同，由此推想影響斜面省力大小的可能性因素。

二、基于實驗設(shè)計，強化學(xué)生控制變量的意識

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在科學(xué)探究5～6年級學(xué)段目標(biāo)中指出，能基于所學(xué)的知識，制訂比較完整的探究計劃，初步具備實驗設(shè)計的能力和控制變量的意識，并能設(shè)計單一變量的實驗方案。在具體的教學(xué)實施過程中，要啟發(fā)學(xué)生自己尋找解決問題的方法和思路，其中包括制訂探究計劃、考慮變量的選擇和控制。正如我國科學(xué)教育先驅(qū)劉默耕所言：當(dāng)學(xué)生來到“樹”下準(zhǔn)備“摘果子”時，先讓他們冷靜地思考一下，選擇什么“工具”，用什么方法能既安全又有效地“摘到果子”，而且“摘到最大最好的果子”。例如，教學(xué)三年級《怎樣加快溶解》一課時，教師引導(dǎo)學(xué)生進行了如下的探究活動。

提出問題，猜想方法。根據(jù)生活經(jīng)驗，大膽猜想，怎樣使食鹽在水中加快溶解？（列舉攪拌、加熱、研碎等方法）

設(shè)計實驗方案。物體有輕有重，運動有快有慢，都是通過比較知道的。攪拌能不能加快溶解？怎樣用比較的方法來知道呢？（一個攪拌，另一個不攪拌）這就需要同時做兩個實驗。為了保證實驗的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，這兩個實驗中水的多少、食鹽的多少應(yīng)該怎樣要求？水的溫度是否要一樣？實驗觀察的時間呢？加熱（或用熱水）能不能加快溶解？怎樣用比較的方法來知道呢？（依據(jù)前2步的思路，說出實驗方案）

通過研討，實現(xiàn)共識。驗證攪拌能否加快溶解實驗：需要取相同質(zhì)量的食鹽兩份，同時分別倒入兩個盛有等體積水的燒杯中，用玻璃棒攪拌其中一個燒杯，觀察兩個燒杯中食鹽溶解速度的快慢;驗證加熱能否加快溶解實驗：取相同質(zhì)量的食鹽兩份，同時分別倒入盛有等體積冷水和熱水的燒杯中，觀察兩個燒杯中食鹽溶解速度的快慢。

本課既要對學(xué)生進行對比實驗的技能訓(xùn)練，還要重視實驗設(shè)計的思維訓(xùn)練，并且是需要著力去做的，不可走過場。三年級學(xué)生設(shè)計對比實驗還離不開教師的引導(dǎo)，控制變量意識的形成需要“教—扶—放”分層實施，遞進培養(yǎng)，完全放手是需要看學(xué)生基礎(chǔ)的。

三、基于實驗現(xiàn)象或數(shù)據(jù)分析，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維

在常態(tài)實驗活動中，基于實驗獲取的實驗現(xiàn)象或數(shù)據(jù)，通過交流研討、思維加工的過程，指導(dǎo)學(xué)生得出科學(xué)探究的結(jié)論。實驗結(jié)論雖然重要，但不是實驗教學(xué)的唯一目的。探究實驗中最有價值的點，無疑是學(xué)生的思維要受到啟發(fā)與激活，小學(xué)科學(xué)實驗活動的重點，應(yīng)在于建構(gòu)科學(xué)概念、發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律或得出科學(xué)判斷的思維加工過程，而不在于實驗結(jié)論。

（一）運用科學(xué)的思維方法指導(dǎo)研討

海森堡曾經(jīng)說過：科學(xué)扎根于交流，起源于討論。研討是形成概念的關(guān)鍵途徑，研討的目的是使學(xué)生一起思考，互相交流每個人在探究中所獲得的印象，從而形成每個學(xué)生由感性認識向理性認識的發(fā)展，并提高他們的概念水平。

在學(xué)生對自然事物或現(xiàn)象已有初步感性認識的基礎(chǔ)上，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生對他們積累的思維材料進行科學(xué)的思維加工。如，運用比較、抽象、概括的方法來歸納自然事物或現(xiàn)象的共同特征;運用求異法、共變法培養(yǎng)學(xué)生的歸納推理能力;運用分析、綜合的方法來探求自然事物間的相互聯(lián)系;等。在具體的教學(xué)過程中，教師應(yīng)遵循由易到難、循序漸進的原則，指導(dǎo)學(xué)生按照邏輯推理的形式，反復(fù)實踐，反復(fù)練習(xí)，逐漸掌握，養(yǎng)成習(xí)慣。

例如，教學(xué)《聲音的產(chǎn)生》一課，“制造聲音”的目的是讓學(xué)生通過制造聲音來發(fā)現(xiàn)并描述不同物體發(fā)聲時的相同點，為推想準(zhǔn)備充分的“思維加工材料”。因此，活動前必須明確提出“觀察這些物體發(fā)聲時有什么相同點？”這一問題，讓學(xué)生既動手又動腦，根據(jù)音叉、水、空氣等發(fā)聲時都在振動的現(xiàn)象，得出物體發(fā)聲時會振動的結(jié)論，就是在歸納。在設(shè)計實驗、驗證假設(shè)環(huán)節(jié)，提出“你能利用身邊的材料設(shè)計出不同的實驗方法，來證明物體發(fā)聲時都在振動嗎？”引導(dǎo)學(xué)生運用演繹推理的思維方法，繼續(xù)研究發(fā)聲物體的振動現(xiàn)象，不但能驗證猜想結(jié)果，還能培養(yǎng)學(xué)生多方面多角度的實驗探究能力。

（二）搭建提升思維水平的“腳手架”

小學(xué)生由于受認知能力等諸多因素的限制，在親歷實驗探究的過程中，需要教師“扶”一把。打個形象的比方，就是教師要為學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)搭建“腳手架”。“腳手架”的搭建涉及實驗內(nèi)容、實驗方法和教學(xué)評測，有可能貫穿于探究過程的某一個環(huán)節(jié)甚至全過程。“腳手架”的形式或內(nèi)容可以是問題、圖表（記錄單、任務(wù)單等）、操作材料、參考樣例（樣品）、參考資料等。一般情況下，指導(dǎo)時機應(yīng)選在學(xué)生在探究中遇到困難而又難于自行解決的時候，要避免一味地“放手自主探究”而導(dǎo)致學(xué)生“瞎忙”，以及探究無序現(xiàn)象的發(fā)生。

例如，教學(xué)《瓶吞雞蛋的秘密》一課時，通常是以“瓶吞雞蛋”的實驗引入教學(xué)，要么教師演示，要么分組實驗，在學(xué)生驚奇、感嘆實驗現(xiàn)象的同時，帶著“瓶子為什么能‘吞下雞蛋？”的質(zhì)疑，展開對大氣壓力的感受和探究活動。教學(xué)實踐證明，先做“瓶吞雞蛋”的實驗雖然激發(fā)了學(xué)生的好奇心，但是欠缺了實驗現(xiàn)象發(fā)生前的預(yù)設(shè)、判斷等積極的思維活動，產(chǎn)生的質(zhì)疑是懸而未決的，學(xué)生的探究熱情會銳減。如果先讓學(xué)生提出瓶“吞”雞蛋的辦法，思考其中的奧秘，在“不憤不啟，不悱不發(fā)”的狀態(tài)下，通過遞進式的提問搭建起思維的“腳手架”，會產(chǎn)生更積極的教學(xué)效果。

師：（先出示一個廣口瓶）里面有什么？

生：里面有空氣。

（教師把剝了皮的熟雞蛋，往瓶口一放，正好卡在了瓶口上。）

師：如果不按壓雞蛋，又不弄碎雞蛋，你有辦法讓雞蛋進去嗎？

生：把里面的空氣抽出來。

師：為什么抽出空氣來，雞蛋就能進去？

生：因為里面的空氣占據(jù)空間，抽出空氣來，雞蛋就能進去。

師：你真了不起！點子倒是好點子，可是我們用的是玻璃瓶，抽空氣的辦法行不通。誰還有別的辦法？

又一個學(xué)生站起來：在瓶子里點火！

（現(xiàn)在學(xué)生很聰明，為了找到答案，善于積極地捕捉信息，他是看到了課本插圖里有一盒火柴。）

師：你有一雙善于發(fā)現(xiàn)的眼睛！為什么點火就能讓雞蛋進去呢？

生：一點火，里面的空氣變少了。

生：一點火，就有熱氣，是熱氣吸進去的。

師：我們知道，熱空氣是往上走的，能把雞蛋吸進去嗎？我們可不可以這樣來想，如果雞蛋能進到瓶子里，一定是有力量在推它，想想看，是誰推動了雞蛋？

（學(xué)生眼睛一亮）大聲說：空氣！（當(dāng)然還有雞蛋本身的重力。）

師：空氣真的有那么大的力量嗎？那就讓我們試試吧！

在學(xué)生期盼的目光中，教師點燃酒精棉球放入廣口瓶內(nèi)，在火焰熄滅的瞬間，再把雞蛋放在瓶口，雞蛋慢慢地被吞進了瓶子里，瞬間歡呼聲一片。通過這一段師生對話，教師了解和喚起了學(xué)生的已有認知，其中有空氣占據(jù)空間、燃燒要消耗一部分空氣、熱空氣會上升、氣體的熱脹冷縮、物體會受到力的作用等已有概念，瓶“吞”雞蛋的實驗是在喚醒學(xué)生已有認知的基礎(chǔ)上，有了鋪墊，才去做的，實驗后再揭秘，那么接下來通過后續(xù)實驗建構(gòu)“大氣壓力”概念的教學(xué)就水到渠成了。

四、拓展提升，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的火花

拓展，是開拓發(fā)展之意，指在原有基礎(chǔ)上，增加新的東西，是質(zhì)量的變化，而不是數(shù)量的變化。在實驗教學(xué)中，在學(xué)生習(xí)得知識和技能的基礎(chǔ)上，進一步提升學(xué)生運用新知和技能解決實際問題、建構(gòu)新的模型或提出新的研究問題，使原有認知得以重構(gòu)和發(fā)展，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的火花，以抱有可持續(xù)發(fā)展的探究熱情。

例如，《斜面》一課在研究“斜面省力大小與坡度關(guān)系”時，學(xué)生通過搭建斜面，認識到斜面坡度不同省力情況也各不相同。在拓展活動中，教師提出挑戰(zhàn)性問題：“如果搭建不同坡度的斜面，你又有哪些方法呢？”學(xué)生通過思考會形成“改變斜面長度或改變搭建的高度，都可以改變斜面坡度”的創(chuàng)新性設(shè)計方案。

例如，教師巧妙地創(chuàng)設(shè)“如果煤氣或天然氣泄漏……”這一情境，引發(fā)學(xué)生思考、討論，對氣體會流動的性質(zhì)有了更深刻的認識，既普及了應(yīng)急處置安全事故的常識，又使學(xué)生體會到科學(xué)知識在人類生活中的重要作用。

綜上所述，實驗教學(xué)是小學(xué)科學(xué)課常態(tài)化的學(xué)習(xí)方式，教師要積極創(chuàng)造條件開足開全實驗課，保證學(xué)生參與率，以呵護學(xué)生的好奇心和求知欲，激發(fā)和保持學(xué)生的探究熱情。實驗教學(xué)的著力點涉及提出問題、做出假設(shè)、探究驗證、表達交流、創(chuàng)新應(yīng)用等諸多方面，可因課而異，因?qū)W取舍，在手腦并用、做思共生的探究過程中，讓學(xué)生的思維真正發(fā)生，發(fā)展科學(xué)探究能力，使科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)真正落地常態(tài)課堂，為學(xué)生的繼續(xù)學(xué)習(xí)和終身發(fā)展打好基礎(chǔ)。

【本文為2019年度山東省基礎(chǔ)教育教學(xué)改革重點項目“傳統(tǒng)文化視野下促進教育公平的小學(xué)科學(xué)課程資源開發(fā)與應(yīng)用研究”（課題號：BHA140081）階段研究成果。】