基于核心素養的“四步法”實驗設計能力培養

盧星

摘要：實驗設計是初中實驗教學主要內容之一，對學生的核心素養、思維能力以及創新能力的要求都非常高。但目前的實驗教學大多受限于時效性，實驗教學都是以操作結果或理論文字結果的形式直接呈現給學生，降低了學生對探究實驗的體驗性和實驗方案設計的參與性。因此，學生思維容易產生片面性和表面性，對于對比實驗的核心——“控制變量”無法透徹理解，實驗設計能力不扎實;對照組設置不科學，文字表述煩瑣而沒有條理。“四步培養法模式”是針對上述情況，采用符合初中生思維發展特點的“圖—表—文—練”實驗設計能力培養法，能提高學生在方案設計和實際操作兩個方面的參與度，使學生的操作技能和心智都得到發展。

關鍵詞：實驗設計能力實驗素養思維特點參與度

化學實驗作為中學化學課程的核心部分，在教學過程中應當以核心素養為基礎，著重培養學生的化學實驗能力，讓學生能夠在老師的指導下自主完成從設計到實踐的一系列操作。通過實驗教學來研究物質和認識物質，可以幫助學生認識事物的發生發展過程，同時有助于鞏固化學知識和提高實驗技能，有助于提高觀察能力以及創新能力。

一、初中化學實驗教學現狀以及學情分析

目前的實驗教學大多受限于時效性，學生所接受的實驗知識的途徑大多分為兩種：一種是書本上設計好實驗方案，老師按照方案進行實驗演示或指導學生分組實驗。學生按照步驟進行實驗操作而缺乏設計思路;另一種是做實驗探究題，根據已學知識進行理論推理，卻缺乏直觀經驗和實踐。

以上兩種實驗教學都是以結果的形式直接呈現給學生，或操作結果或理論文字結果，降低了學生對探究實驗的體驗性和實驗方案設計的參與性。因此，學生對這兩類訓練做得再多，都是浮于表面。雖初中生邏輯思維日益占主導，但依然依賴于具體形象;其思維的獨立性和批判性明顯發展，卻容易產生片面性和表面性，對于對比實驗的核心——“控制變量”無法透徹理解，實驗設計能力不扎實。此外對照組設置不科學，文字表述煩瑣而沒有條理。

針對上述情況，筆者采用符合初中生思維發展特點的“圖—表—文—練”四步培養法模式，對學生的實驗探究能力進行培養，從而提高學生在方案設計和實際操作兩個方面的能力，使學生的操作技能和心智都得到發展。

下面以“鐵生銹條件”探究為例，解析基于核心素養的實驗設計能力“四步培養法”。

二、基于核心素養的實驗設計能力“四步培養法”教學實施

（一）畫圖

【問題引導1】在頭腦中構想，從便于操作和藥品用量適宜的角度考慮，探究鐵生銹條件實驗應該在什么容器內進行？

【學生思考、交流、表達】試管。

【問題引導2】鐵生銹的條件是鐵與氧氣和水同時接觸，存在兩個變量，需分別驗證。那么需要幾支試管？每支試管里除了放鐵釘還需要分別放什么才能在控制變量的同時證明氧氣與水缺一不可？

①探究無氧氣不生銹（如何隔絕氧氣）;②探究無水不生銹（如何保持干燥）;③對照組，既有氧氣也有水，金屬生銹（如何同時接觸）。

讓學生根據引導交流討論后，畫出實驗設計圖，并將學生所畫設計圖進行展示，共同點評、討論，進行修改完善，得出最優設計方案。

【學生思考、交流、表達】

學生方案1：

學生方案2：

基于核心素養的“四步法”實驗設計能力培養2022年1月下第3期（總第103期）【設計說明】素養為本的教學要有問題的引導，且要具有啟發性，與學生現有直觀經驗相聯系。問題1幫助學生明確如何正確選擇最適宜的儀器;問題2庖丁解牛，引導學生將問題切割，并逐一解決，有助于學生理清思路、找準變量，設計優質對比實驗，從而畫出印象深刻且直觀的實驗設計圖。

（二）列表

【問題引導】在學案上是一個類似實驗的探究表格，以此模板為借鑒，大家能不能將自己剛剛設計的實驗方案圖轉化成步驟表格？

【學生思考、交流、表達】

將學生的表格進行展示、討論，共同修改完善，得出優質表格設計。學生方案1：

實驗編號實驗步驟現象①加入5 cm打磨過的鐵絲、完全沒過鐵絲的蒸餾水（鋪有植物油）不生銹②加入5 cm打磨過的鐵絲、干燥的空氣不生銹③加入5cm打磨過的鐵絲、沒過鐵絲一半的蒸餾水生銹，且空氣與水的交界處生銹最嚴重學生方案2：

實驗編號實驗步驟現象①加入打磨后的鐵絲、完全沒過鐵絲的蒸餾水、植物油不生銹加入打磨后的鐵絲、完全沒過鐵絲的自來水、植物油輕微生銹②加入打磨后的鐵絲、潮濕的空氣、塞子生銹加入打磨后的鐵絲、干燥的空氣、塞子不生銹③加入打磨過的鐵絲、自來水（沒過鐵絲一半）嚴重生銹

【設計說明】結合第一步實驗設計圖，突破學生實驗設計的思維障礙點，并在表格模板的協助下尋找發展點。設計出實驗實施表格，使形象思維進一步邏輯化，從而驅動探究進程。

（三）文字

【問題引導】綜合畫圖列表，如何用簡介的文字進行整合，表述實驗設計方案？

【學生思考、交流、表達】將學生文字方案進行展示、討論，共同修改，得出最優實驗方案。

學生方案1：

取3支相同規格的試管，分別放入三根相同的打磨過的鐵絲。試管①中加入沒過鐵絲一半的蒸餾水，讓鐵絲與水和空氣同時接觸;試管②中加入完全沒過鐵絲的蒸餾水并滴入植物油隔絕氧氣，讓鐵絲只與水接觸;試管③中加入干燥的空氣并塞上塞子，讓鐵絲只與空氣接觸。觀察現象。

學生方案2：

第一步：先取2支相同規格的試管，分別加入相同的打磨后的鐵絲。試管A中加入完全沒過鐵絲的蒸餾水;試管B中加入等量的自來水。觀察現象，探究氧氣對鐵絲的生銹作用;

第二步：另取2支相同規格的試管，分別加入相同的打磨后的鐵絲。試管C中通入潮濕的空氣，試管D中通入等量的干燥的空氣，同時塞上塞子。觀察現象，探究水對鐵絲生銹的作用;

第三步：再取一支規格相同的試管，加入大小相同的打磨后的鐵絲，加入沒過鐵絲一半的自來水，讓鐵絲與水和氧氣同時接觸。作為對照組。

【設計說明】在畫圖、列表兩步設計的基礎上，學生對于該實驗的設計思路已經有了系統的框架。這時，進行文字整合既可以鞏固方案思路，又可以進一步發現問題與疏漏并進行完善，實現從直觀到抽象、從圖表到文字的升華。

（四）實際操練

將前三步共同討論的優質方案印出后按小組分發給學生，并在合適時間進入實驗室驗證。

【設計說明】實際操練能夠將學生自己一步步分析討論出的設計方案付諸實踐，相對于書本上現成的實驗操作，學生會印象更深，對實驗步驟更熟悉。老師在此過程中只需要對部分細節和安全操作進行強調，從而促使學生的認知發展，體會嚴謹求實的科學精神，實現知識向素養的轉化。

考慮到課堂時間有限，在學習完新課學生掌握了一定基礎知識后，可將前三步以學案的形式打印出來，讓學生課下思考并以小組形式討論。下一節課再于課堂上展示學生設計結果，并一起修正，完善并確定最佳方案。

三、結語

實驗設計能力“四步培養法”是針對初中生思維發展特點和實驗教學現狀的教學方法。學生不再是接受現有實驗方案去進行機械操作與驗證，也不再是通過現有實驗題進行脫離直觀經驗的邏輯推理，而是從儀器、藥品的選擇開始，從不同角度，以“圖—表—文—練”相結合的思維方式設計實驗再驗證結果。如此學生目的性更強，參與性更高，趣味性和成就感更多，操作技能、心智和實驗素養等多方面得以提高。

該培養方案的唯一不足是初期耗時較多。但平時花時間打牢基礎，學生思維和技巧得到發展，節省的則是他們在各類考場上更加寶貴的時間。

參考文獻：

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責任編輯：黃大燦