科學實驗教學中對比實驗的設計策略探尋

趙政 毛維佳

【摘 要】對比實驗是科學實驗的主要組成部分，對培養學生的科學探究能力有重要作用。本文以蘇教版科學五年級下冊“折形狀”一課的教學嘗試為切入點，分析引導學生設計對比實驗的教學策略，將著眼點放在教師的“導”上，旨在讓教師在做足“導”的功課的基礎上帶領學生體會設計對比實驗的科學探究之美。

【關鍵詞】實驗教學 對比實驗 實驗設計 科學探究

課標指出，科學知識、科學思想、科學方法和科學精神是科學的四個層面，而課程通過三條主線，即科學知識、科學探究、科學態度，將教學目標和教學內容融會貫通。在這三條主線中，科學探究是科學學習的中心環節。科學探究不僅可以使學生體驗到探究的樂趣，獲得自信，形成正確的思維方式，而且可以使他們識別什么是科學、什么不是科學。課標從課程設計的指導層面為一線教師的科學教學指明了方向，即通過以探究為中心的學習來達成教學目標和教學內容的融會貫通。

科學探究的載體是什么？在小學階段，實驗是培養學生科學探究能力的良好載體。事實上，科學探究不僅有對實驗結果的探究，還有對實驗過程的設計和探究。實驗的結果最終會探究出來，但是，學生在探究這一結果的過程中做了什么、怎么做的，這更應該是評價科學探究水平的標準之一。教師帶領學生設計實驗就是關注“怎么做”的問題，這也是目前科學教學中較為薄弱的環節。設計實驗作為學生自主探索自然現象的必要環節、開展研究性學習的重要內容，對培養學生的探究能力大有裨益。科學實驗中很大一部分都是對比實驗，所以，提高學生設計對比實驗的能力也是提升學生探究能力的一個落腳點。

一、科學對比實驗特征分析

所謂“對比實驗”，是指設置兩個或兩個以上的實驗組，通過對對比結果的比較分析，研究自變量對實驗結果所造成的影響。由此可知，科學對比實驗的方法是進行單因素比較。要進行單因素（變量）比較，教師必須設法控制其他可能對實驗結果產生影響的因素，盡量使這些因素（不變量）保持相同。這是對比實驗的基本要求，也是在對比實驗過程中必須遵循的重要原則。例如，在對比黏土、砂土、壤土滲水性的實驗中，除土壤種類不同外，水要同樣多，土要同樣多，杯子型號要相同。在實驗中，教師只有確保這些因素相同，才能確定三種不同土壤的滲水性。這些因素中只要有一個因素沒有控制好，就會對實驗結果的公平性產生影響，因此，對比實驗也稱為“公平實驗”。

兒童對實驗非常感興趣，但他們容易被一些有趣的細節吸引，忽略應該注意的細節，甚至忘記對比實驗的原則。因此，如何在教學中使學生明確對比實驗的原則并在實驗操作中自覺地運用這個原則，就成了教學對比實驗的重點和難點所在。如果教師在教學過程中引導學生設計實驗，讓學生在實驗前“知其所以然”，并通過設計實驗加深對實驗過程的理解，那么，這個重點和難點的解決就有了突破口。

在小學階段，教師對設計對比實驗的要求不能過高，必須符合學生的年齡特點，由“扶”到“放”，逐步培養。小學高年級學生的思維仍以具體形象思維為主，但其抽象思維已有一定的發展。學生可以在教師的引導下設計對比實驗，并在設計過程中感受對比實驗的公平性。需要注意的是，設計對比實驗這種比較抽象的技能對于學生來說有些難度，因此，教師的引導尤為必要。筆者嘗試以“折形狀”一課為例來“窺一斑而知全豹”。

二、科學對比實驗設計片段

如前所述，教師在引導學生設計對比實驗時，需要讓學生把握兩個問題：一是每次只能改變一個量;二是為了確保實驗的公平，即除了改變的那個量外，其他量都要始終保持一致。這一思想可以理解為把握變量、控制不變量。

具體來說，這節課的變量是紙筒的底面形狀，不變量涉及紙張的大小、厚度，紙筒的高度，每次加的重物及加重物的人，等等。本實驗的不變量較多且復雜，任何一個不變量的改變都會對實驗結果產生影響。所以，教師在引導時應思路清晰、有層次。

（一）明確探究的問題

師：我們要探究的是什么問題？

生：柱體底面各種形狀的承受力是不是一樣？

師：我們今天要探究哪幾種形狀？

生：三角形、四邊形、八邊形、圓形。

師：具體來說，我們要比較什么？

生：底面分別為三角形、四邊形、八邊形、圓形的柱體的承受力。

師板書如下：

底面形狀? ? 承受力

三角形? ? ? ? ?？

四邊形? ? ? ? ?？

八邊形? ? ? ? ?？

圓形? ? ? ? ? ?？

設計對比實驗的前提是明確實驗問題，因此，教師必須引導學生清楚地知道要探究什么問題。五年級學生的理解能力和概括能力都達到一定水平，因此，教師可以對探究的問題進行分解，通過有層次地引導使學生明晰要探究的問題，以便為下面明確實驗變量和不變量奠定基礎。

（二）確定實驗的變量

師：要探究柱體的底面形狀與承受力的關系，我們在實驗過程中需要改變什么？

生：紙筒底面的形狀。

師：我們需要不斷改變紙筒底面的形狀來比較紙筒的承受力大小，這個不斷變化的量，我們把它稱為什么？

生：變量。

師板書如下：

變量? ? ? ? 底面形狀

教師在引出探究問題的基礎上引導學生發現實驗的變量，把握了對比實驗需要注意的第一點，即變量只有一個，不變量都是圍繞變量產生的。因此，找到了變量，就可以抓住研究的問題來發現要控制的不變量。

（三）排查實驗的不變量

師：我們要折幾種底面形狀的柱體？

生：四種。

師：我們需要一張紙還是四張紙？

生1：一張。

生2：四張。

師：為什么不能用一張紙折完一種形狀后，再折另一種形狀？

生：這樣測出的結果不準確。

師：說得好，先前折的痕跡會對后來折的形狀有影響，這樣就會導致實驗結果不公平。你需要四張什么樣的紙？或者說你對紙有什么要求？

生：我要用四張一樣大的A4紙。

師：也就是說，我們四個紙筒的紙要完全一樣，這樣實驗才公平。紙張的大小和厚度在實驗中要始終一致，它們是我們實驗中的不變量。

師：有了同樣的四張紙，我們要折紙筒了，我們可以怎樣折？

生：我們可以橫著折，也可以豎著折。

師：在折紙筒的時候，我們要注意什么問題？

生：要橫著折，都橫著折。

師：也就是說，紙筒的高度要一致，這也是我們實驗中的一個不變量。折紙筒的時候還有一個問題，紙的兩邊要不要重疊粘在一起？

生：不要。

師：為什么？

生：因為我們要測的是一張紙，粘在一起就是兩張紙了。

師：很好。請大家再思考，紙筒折好了，要檢測它的承受力，在往上加重物時需要注意什么？

生：輕拿輕放。

師：輕拿什么重物？

生：科學書。

師：也就是說，我們每次往紙筒上放的重物也要一樣。不同的人操作起來還可能對實驗結果有影響，所以，大家在放的時候需要注意什么？

生：同一個人輕拿輕放。

師：所以說，我們在實驗過程中要始終保持不變的量有哪些？

（生回答）

師板書如下：

不變量? ? ?紙筒的高度

紙張的大小、厚度

每次加的重物

放重物的人

由于涉及的不變量較多，學生可能列舉不全，教師需要一步步進行引導，讓學生的思維順著實驗過程往下走，這既有利于規范學生的操作，也有利于引導學生厘清思路，深刻理解探究問題。

（四）實驗記錄單巧設計

師：我們把變量和不變量列出來，你現在能不能自己設計一下我們的實驗記錄單，這個實驗記錄單要全面表達我們要研究的問題。

（小組設計，教師巡回觀察指導）

設計實驗記錄單是對之前分析變量和不變量的深化拓展，目的還是引導學生理解對比實驗要研究的問題。同時，學生設計的記錄單也可以反映出他們在理解對比實驗方面存在的一些問題。在這一部分中，教師說得少，學生做得多。

對比實驗的教學不是一件輕松的事，不是把實驗任務、器材交給學生，讓他們自己去做。教師必須引導學生設計實驗，讓學生在設計實驗的過程中增進對實驗的理解，提升探究的興趣，提高探究的水平。

三、科學對比實驗設計策略

對比實驗是科學實驗的重要組成部分，對培養學生的探究能力有舉足輕重的作用。教師需要在教學過程中總結、積累相關策略，提升關于對比實驗的教學能力。結合“折形狀”一課及日常教學心得，筆者嘗試從以下幾個方面略陳管窺之見。

（一）導而弗牽，學生是設計實驗的主體

實驗課一般比較耗時，一節課經常在學生的忙亂中結束，看似熱熱鬧鬧，實則未必收獲豐厚。究其原因，小學生樂于動手，實驗課正好滿足了他們的這一需求。但是，教師如果不能對學生的這一特征進行引導，就只能讓課堂停留在淺層次的“知其然”上。

對比實驗開展得好，離不開學生對實驗原則的把握。如果實驗是學生動腦設計出來的，學生是設計實驗的主體，那么，即使教師不反復強調實驗過程中的注意事項，學生也能留意到，實驗效果會更好。如果教師只是告訴學生怎么做、注意什么，學生實驗心切，未必注意到教師的強調，最終可能導致教師忙于指導學生注意什么或者怎么做，而學生則忙著動手但未必得要領。具體到“折形狀”這一課，學生對各種底面形狀的承受力大小有著各種猜想，一看到探究問題就想馬上展開實驗。如果學生沒有在教師的引導下設計過實驗，那么，他們的探究將會帶有很多盲目性。

教師在這一過程中需要做的是引導，切忌代替學生設計實驗。時間緊、任務重，一些教師會因學生的思路一下子未能跟上自己，急匆匆地把實驗步驟和注意事項說了，讓學生趕緊展開實驗，迅速得出結論，完成實驗課的教學目的。殊不知，得出結論固然重要，但探究、設計的過程更為關鍵，而且，學生因為設計實驗時 “磨了刀”，到“真刀真槍”地動手實驗時才不會誤“砍柴工”，也很少出現教師在實驗前反復強調，學生在實驗時仍舊不明就里的情況。如果設計對比實驗占了一節課的大部分時間，教師可以調整教學，讓學生下節課動手，無須機械地為得出結論而實驗。

（二）切中肯綮，把握變量和不變量

教師在引導學生設計對比實驗時，必須引導學生找準變量和不變量。這是對比實驗的共同點，只有抓住了這個共同點，對比實驗的設計才有章可循。在“折形狀”這一課中，由于涉及的不變量較多，筆者花了很多時間去引導學生發現實驗的變量和不變量，增進了學生對實驗的理解。在實驗過程中，各小組非常流暢地開展了實驗，并對實驗中有偏差的數據進行了恰當的分析。這說明教師前期的引導是奏效的。當然，一開始，教師可能要花很多時間引導學生一步步細究變量和不變量。經過一段時間的學習后，學生具備了相關的科學能力，就會很快跟上教師的節奏，一說到設計對比實驗，就很自然地去找變量和不變量。

當然，這一方法對于不同的年級，有不同的實用性。對于三年級的學生來說，教師可能需要從引導學生體會對比實驗的精神開始，可通過生活中一些淺顯易懂的例子進行類比，讓學生學著去發現變量和不變量。經過一年的練習，四年級的學生則基本可以明白生活中的簡單實例的變量和不變量，并能夠類比找到實驗中的變量和不變量。五年級的學生則可直接找到實驗中的變量和不變量，只是有時找得不夠全面，需要教師的引導，此時教師可以鼓勵學生嘗試設計實驗記錄單，以進一步梳理對實驗的理解。針對六年級的學生，教師可繼續訓練他們設計對比實驗的能力，培養他們識別和控制不變量的能力，引導他們開展全程探究，并在對比實驗中獲得數據和整理數據。

當然，設計對比實驗能力的發展過程不是機械的，而是在這一大課題下，每一小課題的層層展開，使學生經歷“體驗—操作—半獨立探究—獨立探究”的過程。教學的最終目的是以這個過程為階梯，提高學生的探究能力，使其能自覺運用對比實驗的原則和方法去解決實際問題。

（三）開而弗達，引導學生通過設計實驗體驗科學探究之美

學生設計對比實驗時不僅要明確變量和不變量，還要明確實驗思路，即實驗中所采用的方法、實驗原理、完成實驗的步驟、需要觀察的對象、需要記錄的現象及數據等。只有這樣，學生才能成為真正的課堂參與者，才能領會對比實驗的精髓。在這一過程中，教師不僅要讓學生學會設計實驗，還要引導學生體會科學探究之美，這也是更高級的情感態度價值目標。

只有學生在對比實驗中領略到科學探究之美，體會到成就感，他的科學素養的培養才不是一句空話，他的科學興趣才不會不濃厚，他的收獲則不僅僅是會做某個實驗。在“折形狀”這一課中，學生不僅學習了設計對比實驗，而且認識到要想讓對比實驗結果科學準確，就必須保證實驗過程的公平，并在課下的生活交往中注意強調公平性。

教師在整個對比實驗過程中起的就是“拐杖”的作用。《學記》早在兩千多年前就告訴了我們教學的方法：“故君子之教，喻也。道而弗牽，強而弗抑，開而弗達。道而弗牽則和，強而弗抑則易，開而弗達則思。和易以思，可謂善喻矣。”只有教師做足了“導”的功課，讓學生游弋于探究對比實驗公平之美的興趣汪洋中，對比實驗的教學才能真正成為培養學生科學探究能力的平臺。

【參考文獻】

[1]陳金鐸.小學科學實驗的設計與創新[J].實驗教學與儀器，2011（2）.

[2]葉禹卿.為小學《科學》課程設計效果良好的實驗[J].北京教育學院學報（自然科學版），2009（6）.

[3]譚明揚.小學科學實驗的設計與改進[J].中小學實驗與裝備，2012（4）.

[4]陳紹茂.淺談如何實施小學科學的對比實驗[J].新課程學習（基礎教育），2012（10）.

[5]任存寶.小學科學對比實驗中的變量設計與調控[J].湖北教育：科學課，2012（10）.

[6]童海云.培養小學生識別與控制變量能力[J].科學課，2007（2）.

[7]劉學昌.談小學科學課中的對比實驗[J].學校管理，2012（2）.