在科學探究活動中培養學生對比實驗設計能力的策略

夏曉峰

(南京市江寧開發區學校，江蘇南京，211100)

小學科學課程是一門重視實踐的課程，對比實驗是幫助學生動手探究的重要方式之一。《義務教育小學科學課程標準(2017年版)》把“提出問題、作出假設、制訂計劃”作為構成科學探究要素的前三個重要內容。[1]科學探究活動中的對比實驗設計主要從提出探究問題、提出假設(確定變量和不變量)、制訂實驗計劃和方案三個方面進行。當前，科學探究活動中對比實驗教學普遍存在重操作觀察，輕實驗設計的現象。由于學生在進行對比實驗設計時存在一定的困難，教師更多地是簡單引導學生交流一下對比實驗設計，然后出示標準的實驗設計方案，讓學生直接根據教師提供的設計方案進行實驗操作、觀察、記錄現象等，這樣便導致學生的對比實驗設計流于形式，失去了對比實驗設計真正的意義。

一、在探究活動中學生對比實驗設計的現狀分析

在科學探究活動中進行對比實驗設計的困難有三：如何讓學生從真實的情境中發現可以用對比實驗來解決的問題；如何引導學生基于已有知識和經驗從事物的結構、功能、變化及相互關系等角度提出有針對性的假設，即根據探究問題找到影響實驗結果的變量；如何引導學生設計單一變量的實驗方案和樹立控制變量的意識。為解決這些問題，教師要針對科學探究活動中學生對比實驗設計的現狀進行深入分析。

(一)對比實驗設計中提出問題的現狀分析

好的科學問題不僅可以激發學生探究的興趣，而且能引發學生深入思考。對比實驗的探究問題通常源于學生對自然科學現象的觀察和比較，是從事物的結構、功能、變化及相互關系等角度出發，可以用對比實驗研究的科學問題。但是，三年級學生剛接觸對比實驗時，提出可以運用對比實驗進行探究的問題具有難度，教師就要進行有針對性地提出問題的訓練。學生之所以在提出問題時存在一定的困難，主要是因為其對含有科學知識的生活現象缺乏觀察和思考。同時，教師在課堂導入環節只提供單一的現象讓學生觀察，也是導致學生很難提出可用對比實驗進行探究的問題的原因。

(二)對比實驗設計中作出假設的現狀分析

根據探究問題提出假設是對比實驗設計的難點，對比實驗中的假設實際上是對變量的識別過程。然而，在平常的教學中，學生對變量的識別是在教師有針對性的引導下完成的，這導致學生缺乏對識別變量過程的認識。教師之所以不讓學生直接進行變量的識別，是因為識別變量需要學生親身體驗探究問題、仔細觀察科學現象，但由于具有豐富經驗的學生較少，教師如果讓學生直接進行變量識別，就容易出現以偏概全的情況。[2]

(三)對比實驗設計中制訂實驗計劃和方案的現狀分析

制訂實驗計劃和方案需要建立在上述兩個環節的基礎上，在學生根據探究問題進行假設之后進行。在這個環節，教師要讓學生經歷“由扶到放”的過程。從三年級學生接觸對比實驗開始，就要讓學生形成控制變量的意識，并能設計單一變量實驗。目前，三年級學生缺乏針對對比實驗設計的訓練，他們通常知道變量和不變量是什么，但不知道如何控制變量。由于缺乏經驗和指導，學生設計的實驗計劃和方案缺乏結構性和可操作性，有些教師為了保證教學進度，未能幫助學生解決實驗計劃和方案中的問題，或者直接向學生提供一個成熟的實驗計劃和方案，讓學生直接進行對比實驗操作。這樣的做法容易導致學生制訂的實驗計劃和方案流于形式，學生制訂實驗計劃和方案的能力沒有得到提升。

二、在探究活動中培養學生對比實驗設計能力的策略

(一)提出問題：創設真實情境，充分體驗

創設真實情境有助于充分調動學生的已有知識和經驗，提升對比實驗設計教學的效率。教師設計的情境貼近學生的生活經驗，學生的探究興趣就會被有效地激發，啟發學生逐步達成學習目標。當學生對真實情境中的自然科學現象進行觀察、比較時，教師要善于捕捉學生的疑難點，及時進行引導，促進學生思考，啟發學生的思維，引導學生提出可以運用對比實驗探究的問題。[3]

例如，在教學三年級上冊“把鹽放到水里”一課時，教師要先讓學生理解“溶解”的概念。為了幫助學生理解這一抽象概念，教師創設了如下情境：媽媽精心烹飪了一碗雞湯，小明端起雞湯喝了一口說“太咸了”，你們知道是怎么回事嗎？當學生說“媽媽鹽放多了”時，教師立刻質疑“湯里哪里有鹽”。這樣可以引發學生思考。然后，教師給每個小組發兩杯水和兩份鹽，讓學生將兩份鹽分別放進兩杯水中，仔細觀察鹽在水里的變化。為了讓學生更深入地認識“溶解”的現象，教師還精心準備了兩杯不同的水供學生實驗觀察。由于兩杯水是不同的，鹽在水里溶解的速度也是不一樣的。當學生經歷這樣的觀察活動后，自然便會產生可用對比實驗探究的問題——鹽在水里溶解的快慢與什么因素有關。“湯中放鹽”的情境與學生的生活經驗十分貼近，便于學生理解“溶解”的概念，并且在學生觀察溶解現象的同時，教師悄然地設計兩份實驗材料，學生在觀察的過程中自然就會比較兩份材料溶解時的區別，從而自然而然地引導學生提出可用對比實驗探究的問題。

(二)提出假設：合理選擇變量，嚴謹控制

對比實驗會受眾多因素的影響，這些影響因素都是變量。教師要引導學生樹立公平實驗的意識，指導學生只改變眾多因素中的一個，其他的影響因素保持不變，進行單一變量的對比實驗。同時，教師要讓學生進行充分假設，選擇合理的變量，對其他變量進行嚴格控制。

1.引導充分假設，明確實驗變量

在進行對比實驗設計時，教師不愿意放手讓學生作出假設的原因有二：一是學生進行假設需要豐富的經驗，而具有豐富經驗的學生通常只占少數；二是教師擔心放手讓學生假設，會出現一些與研究主題無關或是脫離教師預設的假設。比如，在教學“摩擦力”一課時，針對“摩擦力的大小與什么因素有關”這一探究問題，學生提出了接觸面的大小、接觸面的粗糙程度、接觸面的壓力、接觸面的材質等眾多假設，而教師的預設材料可能只能滿足教材中要求的部分變量因素。為防止這樣的不可控情況，教師往往不愿放手讓學生假設。然而，這不應該是教師不愿意讓學生進行假設的理由，教師應該為學生提供充分假設的平臺，挖掘學生的經驗，引導學生從事物的結構、功能、變化及相互關系等角度提出與研究主題相關的假設。即使學生的假設不適合進行課堂研究，只要其與主題相關，教師也應將其作為不變量進行控制，樹立嚴謹的實驗態度。

2.合理選擇變量，保證單一控制

學生在充分假設后，會針對探究問題提出眾多變量。此時教師要引導學生合理選擇變量，重點做到以下兩點：一是選擇適合學生研究的變量，剔除無需研究或已超出了學生研究能力的變量；二是根據對比實驗的特征，遵循樹立公平實驗意識的原則，保證單一變量控制，即只能改變一個變量，其他變量均保持不變。[4]

在猜測鹽在水中溶解快慢與什么因素有關時，學生提出了水的溫度、水的多少、是否攪拌、鹽的粗細等變量。在這些變量中，“水的多少”不需要學生研究，但仍要作為不變量進行控制；“鹽的粗細”是影響因素之一，但《義務教育小學科學課程標準(2017年版)》指出，小學階段只需要對“水的溫度”和“是否攪拌”這兩個影響因素進行研究，因此，教師要將其列為不變量，并引導學生選擇“水的溫度”和“是否攪拌”這兩個變量中的一個。如在研究鹽在水中溶解的快慢是否與水的溫度有關時，教師可以引導學生思考“怎么設計實驗才能保證公平”，從而讓學生明確需要改變的條件只能是“水的溫度”，而除此之外的其他條件都要嚴格控制一致，以達到公平實驗的目的，讓學生樹立嚴謹的科學態度。

(三)制訂實驗計劃和方案：優化細節引導，形成可行方案

學生缺乏制訂實驗計劃和方案設計的訓練，沒有經歷“由扶到放”的指導過程。雖然學生知道進行對比實驗設計時只能改變一個變量，但具體怎么改變卻不清楚；同樣，學生也知道進行對比實驗設計時要保證不變量一致，但怎樣保證一致卻無從下手。[5]因此，在讓學生制訂實驗計劃和方案之前，教師要引導學生思考需要改變哪個條件、怎么做才能改變、哪些條件在實驗中要保持不變、怎么做才能保持不變等。

例如，在設計對比實驗探究“摩擦力的大小是否與接觸面的粗糙程度有關”時，學生在經歷前面兩個環節后已經知道只能改變“接觸面的粗糙程度”這一個變量，其他變量條件均要保持不變，但并不清楚具體如何操作。對此，教師可以讓學生先獨立制訂實驗計劃和方案，重點針對變量的控制細節進行設計，再結合小組討論(如小組成員相互提設計建議等)、大組交流分享等形式完善設計方案，從而明確先用小木塊在長木板上摩擦、再用同樣的小木塊在毛巾面或砂紙面上摩擦，分別測得摩擦力后進行比較。需要注意的是，實驗計劃和方案的制訂不必拘泥于文字的表達形式，教師可以鼓勵學生運用多種表達方式進行設計，如畫圖、圖文結合的形式等。

三、在探究活動中培養學生對比實驗設計能力的實施建議

(一)創設課前個人小研究

學生之所以不能提出可用對比實驗解決的探究問題，以及對探究問題的變量的提出存在困難，主要是因為學生經驗不足，缺乏充分體驗。針對這一情況，教師可以設置“課前個人小研究”，在課前提出探究問題和變量，讓學生利用課前時間充分體驗實驗情境。[6]表1為具體課前個人小研究的案例。

表1 課前個人小研究“溫度計”

溫度計雖然是生活中常見的物品，但實際上學生僅對溫度計的用途較為熟悉，至于溫度計其他方面的知識了解得并不多。基于這樣的現狀，教師設計了表1中的“課前個人小研究”，讓學生自制簡易溫度計，并將其放入熱水中觀察液柱的變化情況。學生在與同伴的交流中發現每個人自制的簡易溫度計存在一定程度的區別(主要是吸管的粗細不同)，從而在課前積累充分的經驗，自然而然將探究方向指向“自制溫度計液柱反應快慢可能與什么因素有關”這一可用對比實驗探究的問題，并嘗試設計對比實驗。學生帶著這樣的經驗走進課堂，教學就會事半功倍。

(二)制作對比實驗設計單

當學生進行對比實驗設計時，單純進行口頭交流容易產生如下問題：一是學生的交流缺少支撐，會加大實驗設計的難度；二是學生沒有將設計的具體情況記錄下來，會對后續的實驗操作產生很大的影響。為避免上述問題，教師可以引導學生制作對比實驗設計單，例如表2所示的對比實驗設計單。

表2 對比實驗設計單“溫度計”

根據這一對比實驗記錄單，教師先讓學生充分假設，并確定研究內容，如“我們認為溫度計液柱反應快慢與液柱粗細有關”。然后，讓學生明確在對比實驗中需要改變的條件及保持不變的條件分別是什么。最后，合理選擇圖畫、文字或圖文結合的表達方式，完善實驗步驟設計。同時，在實驗操作環節還要強調嚴格按照對比實驗設計方案進行實驗，從而再次驗證對比實驗的設計是否合理。

對比實驗是科學實驗探究的重要形式之一，教師要引導學生科學地進行對比實驗設計，引導學生從真實的情境中提出可用對比實驗探究的問題，根據已有的知識、經驗、現象與問題發生的條件、過程等方面作出假設，明確控制變量和不變量，最后制訂出比較完善的對比實驗計劃和方案。通過這樣反復的對比實驗設計訓練，可以逐步培養學生對比實驗設計的能力，提高學生的科學素養。