小初科學實驗方法與內容的有效銜接

劉天成

義務教育科學課程是一門體現科學本質的綜合性、實踐性基礎課程，內容涵蓋了物質科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術與工程等領域，小學科學是初中生物學、地理、物理、化學學科的基礎，探究實踐是這些學科學習的主要方式，實驗教學是這些學科的共同特點，加強小初科學實驗方法與內容的有效銜接，既是科學課程標準的要求，也是培養學生科學素養的重要途徑。

一、小初科學實驗教學銜接是提高科學教學質量的需要

2022年版義務教育課程方案和課程標準指出，要強化義務教育小初教學銜接，體現教學的連續性和進階性。小學科學與初中生物學、地理、物理、化學學科相銜接，科學實驗是這些學科的共同特點。科學實驗對學生科學興趣的培養、科學觀念的形成、科學思維的發展、科學方法的掌握及科學精神的養成等方面都能起到非常重要的作用，做好小初科學實驗教學銜接是落實課程方案和課程標準的需要。

科學實驗是自然科學的基礎，沒有實驗就沒有自然科學。科學實驗既是自然科學的重要內容，也是自然科學教學的重要方法，實驗法直觀明了，具有“千言萬語道不清，一做實驗分外明”的功效。無論多么直觀的多媒體課件、視頻都無法取代動手實驗，必須用科學的方法學科學，“物理要見物，化學要見化，生物學得有生，地理要著地”，這就需要小學階段打好科學實驗的基礎，要上好每一堂科學實驗課。做好小初科學實驗教學銜接，是自然科學學習的內在需要。

2019年，《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》的總體要求中提出：“夯實基礎，開齊開足開好國家課程標準規定實驗，切實扭轉忽視實驗教學的傾向；拓展創新，不斷將科技前沿知識和最新技術成果融入實驗教學，豐富內容，改進方式；注重實效，強化學生實踐操作、情境體驗、探索求知、親身感悟和創新創造。”加強小初科學實驗教學銜接有助于扭轉實驗教學不被重視、實驗課時不足、機械片面、形式單一、存在局限的局面，是深入落實科學課程標準、提高科學教學質量的重要途徑。

二、掌握科學實驗方法是小初科學實驗教學銜接的前提

科學實驗一般包括五個環節：一是明確實驗目的；二是選擇實驗原理和科學的方法；三是合理選擇實驗儀器和裝置；四是確定具體實驗步驟；五是分析和處理實驗數據。理解科學實驗的基本規律、掌握科學實驗的基本方法是做好小初科學實驗教學銜接的前提和基礎。

（一）全面掌握科學實驗的基本方法

科學實驗的基本方法有實驗歸納法、實驗驗證法、控制變量法、理想實驗法，這些基本方法對小學和初中科學實驗具有普遍的指導作用，是小學和初中科學實驗中都適用的方法。

實驗歸納法是中小學科學實驗中普遍運用的基本方法，是一種由特殊到一般的研究方法，是探索規律的主要手段。例如：小學科學課探究聲音是如何產生的，觀察物體發生時的振動現象，通過撥動尺子、敲鼓、音叉、喉結振動等實驗現象，最后歸納出聲音是由物體振動產生的。再如，“簡單機械杠桿”一課，小學階段通過觀察杠桿在生活的各種應用，最后歸納出杠桿省力、費力的現象，到初中階段“探究杠桿平衡條件”。另外，“探究擺動快慢與什么因素有關”“探究凸透鏡成像規律”“探究影響浮力大小的因素”“研究電流與電壓、電阻的關系”等實驗都是運用了實驗歸納法。

實驗驗證法就是通過實驗來檢驗推理、判斷，從而得出可靠結論的研究方法。例如：小學科學課探究的“小水輪轉動快慢與哪些因素有關？空氣有質量嗎？熱是如何傳遞的？什么是導體和絕緣體？光是如何傳播的？簡單鑒別食物中的營養成分”以及初中生物學中的“光合作用是否產生了氧氣和有機物”，這些都是運用了實驗驗證法。

控制變量法在規律的探索中經常使用，也是科學實驗中非常重要的方法之一。例如：影響蒸發快慢的因素；研究弦樂器的音調與弦的松緊、長短和粗細的關系；拉力大小與小車運動速度有什么關系；影響種子萌發的因素有哪些；單擺運動的快慢與什么有關。

理想實驗法又叫假想實驗、抽象實驗或思想實驗。理想實驗與真實實驗是有本質區別的，真實實驗是一種實踐活動，而理想實驗是一種思維活動，得出的結論還要由真實實驗來判斷正確與否。理想實驗并非實驗，但與實驗有著密切的聯系，是科學研究中一種重要的方法。例如，經典的伽利略斜面實驗，在理想狀態下，如果斜面變成水平面，則鋼珠找不到同樣的高度而會一直保持一種運動狀態，永遠運動下去，成為經典力學基礎的慣性定律。再如，為了驗證在真空環境中不能傳播聲音，通過抽氣機抽取玻璃罩中的空氣，抽出的空氣越多，聲音響度就越小，以此來進行驗證真空環境中不能傳播聲音。

（二）靈活運用科學實驗的操作方法

做好小初實驗教學銜接，除了要掌握科學實驗的基本方法外，科學實驗中還有許多處理和解決問題的具體操作方法，這些方法同樣具有普遍意義，小學和初中的科學實驗都可以運用，有助于培養學生的實驗能力，提高學生的科學素養。小初實驗教學中常用的操作方法有：觀察、比較、平衡、轉換、放大、模擬、替代、解剖、類比等。這些方法為實驗設計、實施、操作提供了基本遵循。

觀察法是最基本、最直接的實驗方法，是收集、獲取、記載和描述感性材料的常用方法之一。例如：低年級對石頭、土壤、水的觀察；高年級對實驗現象的觀察；對月相變化的觀察；對動植物季節變化的觀察。初中階段用顯微鏡觀察細胞，觀察化學反應、觀察物理現象、觀察生物的結構等。

比較法是通過對兩個或兩個以上的事物進行比較，從而找出異同點的思維方法。例如：探究不同液體的流速快慢；探究陽光下影子長短的變化；用量杯測量液體的體積；攪拌能否加快溶解；比較深色和淺色吸熱能力；測量摩擦力的大小等。

平衡法是利用物理學和化學中平衡狀態的概念及原理分析解決問題的方法。許多測量儀器就是依據平衡的原理設計的，如天平的設計原理是杠桿平衡，彈簧秤的設計原理是拉力與重力的平衡，密度計的設計原理是浮力與重力的平衡，壓強計的設計原理是液體傳遞壓強兩側壓強平衡。另外，摩擦力的測量也是依據摩擦力與拉力二力平衡的原理測出來的。

轉換法是將一些不易觀察的現象或不易測量的量，通過轉化的方法使之容易被觀察或測量。例如：將不規則物體體積測量轉化為液體的體積進行測量，吸盤的實驗證明大氣壓的存在，霧的出現證明空氣中有水蒸氣，影子的形成證明光的直線傳播，蠟油融化顯示熱傳遞，磁鐵吸大頭針數量多少表示磁性強弱，液體中加木屑觀察對流現象，高錳酸鉀在水中溶解擴散現象，探究一粒花生米的能量等。

放大法是指將不易直接觀察或測定的微小量，通過某種方法進行放大，再進行觀察或測量的方法。常用的有累積放大法、機械放大法、電學放大法、光學放大法、形變放大法等。例如：運用累積放大法測量細導線的直徑、測量一張紙的厚度；天平上的指針運用了機械放大法使觀察更明顯；聽筒利用了共振放大法聲音更清楚；顯微鏡、放大鏡、望遠鏡、光杠桿運用的是光學放大法；各種傳感器運用的是電學放大法；音叉振動能夠激起水花運用了形變放大法。這些方法使實驗觀察和測量變得更加容易。

模擬法是借助于與原型相似的物質模型或抽象模型，間接地研究原型的性質和規律的方法，也是培養學生模型構建能力的過程。例如：小學科學課中模擬晝夜形成；模擬地球的自轉和公轉；模擬地球轉動方向和地軸傾斜程度；模擬地震和火山噴發；模擬降雨的過程；模擬制作月球環形山。初中生物課模擬心臟泵血的過程；模擬呼吸過程。初中物理利用水流模擬演示光纖原理；模擬制作飛船對接裝置。

此外還有替代法、解剖法、類比法等實驗方法。在具體的科學實驗中，有時候會用到多種實驗基本方法和多種操作方法，從而全面揭示事物的本質和規律。

三、落實科學實驗內容是小初科學實驗教學銜接的根本

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）明確列出了義務教育階段學生必做的探究實踐活動，有效解決了科學實驗教學活動內容不明確、科學實驗不被重視的問題。探究實踐活動包括學生在學習過程中進行的觀察、實驗、記錄、測量、制作、調查等，既是科學課程的基本要求，也是開展實驗教學的基本內容。

（一）小初學生必做的探究實踐活動分析

新課標中學生必做的探究實踐活動共有126個，其中1～2年級13個、3～4年級31個、5～6年級34個、7～9年級48個，這些探究實踐活動具有連續性和進階性，是小學和初中學生都必須做的探究實踐活動，是小初實驗教學銜接的根本依據。5～6年級是與初中最近的學段，下面以此學段的探究實踐活動為例進行分析。

5～6年級學生必做的探究實踐活動不同領域內容的比較分析表明，側重于物質科學領域的探究實踐活動有21個，直接與初中物理學科的“物態變化”“運動和力”“光現象”“熱和能”“簡單機械”“電與磁”相關章節相銜接，與初中化學變化的章節相銜接。側重于生命科學領域的探究實踐活動有4個，直接與初中生物學“細胞是生命活動基本單位”“生物圈的綠色植物”“生態系統”相關章節相銜接。側重于地球與宇宙科學領域的探究實踐活動有8個，直接與初中地理“地球和地圖”“天氣和氣候”章節相銜接。側重于技術與工程領域的探究實踐活動有1個，利用科學原理進行簡單的設計制作，對初中階段實驗設計和制作也具有普遍的銜接作用。

5～6年級學生必做的探究實踐活動不同活動類型的比較分析表明，探究實踐活動的基本類型主要包括：觀察與測量活動、實驗與探究活動、科技制作活動、調查與體驗活動、項目研究活動、科普劇活動等。下面著重對觀察與測量活動、實驗與探究活動、科技制作活動進行舉例說明。

觀察是科學研究中最基礎、最重要的方法；測量就是精確觀察、定量觀察。測量和觀察一樣，都是科學研究的基礎。5～6年級觀察與測量活動有：觀察光通過三棱鏡的色散現象、觀察光的反射現象、觀察三種熱傳遞現象、觀察綠葉會制造養分、用顯微鏡觀察不同生物的細胞、觀察生活中能量的各種形式、觀察記錄月相的變化、觀察天空中主要的亮星和星座、觀察不同種類的巖石、使用彈簧測力計測量力的大小。

實驗與探究活動就是常態的科學實驗，科學實驗是科學觀察的一種獨特形式，是人為控制條件下進行的觀察。科學實驗與科學觀察、科學測量一樣，都是收集科學事實、獲得感性材料的基本方法，同時也是驗證科學假說、形成科學理論的實踐基礎。5～6年級實驗與探究活動有：力學（拉力、摩擦力、彈力、浮力）實驗、光學（直線傳播、反射現象、色散現象）實驗、簡單機械（杠桿、輪軸、斜面、滑輪）實驗、熱學（傳導、對流、輻射）實驗、蒸發與凝結實驗、探究植物生長因素實驗、能量轉化實驗、產生新物質變化實驗、模擬宇宙現象實驗等。

科技制作活動是指運用科學原理制作出作品的活動，是以培養學生動手能力、思維能力、創新能力為目的的發明創作。5～6年級的科技制作類探究實踐活動有：制作潛望鏡、制作走馬燈、制作模擬生態系統、制作簡易太陽系模型，屬于模仿型制作。如制作保溫盒、制作降落傘、制作空氣動力小車、制作簡單日晷，屬于創造型制作。

（二）小初科學實驗教學銜接案例簡析

新課標的課程理念明確提出：“科學安排進階，形成有序結構。基于學生的認知水平和知識經驗，科學安排學習進階。一是學習內容由淺入深，由表及里，由易到難，二是學習活動從簡單到綜合。將學習內容和學習活動有機整合，規劃適合不同學段的、螺旋上升的課程目標和課程內容，設計適合不同學段的探究和實踐活動，形成有序遞進的課程結構。”進階設計的課程結構為小初實驗教學銜接提供了具體的內容。

例如，在物質科學領域，小學5～6年級“水蒸發和水蒸氣凝結”實驗，直接與初中物理“物質的三態變化”章節銜接。在小學階段，關于水的三態變化，教學內容充分考慮了學生的年齡特點，低年段的學生感受到液態的水，到了中高年段，學生感受到冰和汽化現象，難度逐漸提高，變化的條件也著眼于溫度這一因素。在實驗過程中，教師引導學生掌握溫度計等實驗器材的使用方法，以及基本的實驗探究方法。到了初中，水的三態變化安排在八年級物理教材的一個章節中。融化與凝固、汽化和液化、升華和凝華，對這些變化進行了嚴格的定義，并全面認識這些變化的條件，揭示了變化過程中能量轉移的規律，研究對象也擴展到水以外的晶體，并能夠運用物質粒子模型簡要解釋物質的三態變化。可以看出，從小學到初中，三態變化是從現象條件到能量遷移轉化，再到描述解釋，逐漸系統化、理性化，是層層遞進、螺旋上升的過程。再如，蠟燭燃燒、鐵釘生銹，產生新物質的實驗，直接銜接了初中化學的內容，到了初中階段進一步學習燃燒的條件、產物以及應用，實現學習內容的銜接和遞進。

例如，在生命科學領域，光合作用是重要的學習內容，關于光合作用的實驗探究，在小學階段也是不斷遞進的，小學低年段學生認識到植物的生長需要水，小學中年段通過人的呼吸需要氧氣從而理解綠色植物能夠放出氧氣，小學高年段通過生態系統物質和能量的來源領會到光合作用可以產生有機物并加以實驗驗證，于是在五六年級就有了“觀察綠葉會制造養分”探究實踐活動。那么，到了初中階段，通過實驗“探究在光照下合成淀粉，檢驗植物在光照下產生氧氣”，運用實驗驗證法實現了光合作用從感性認識到理性認識的升華。

例如，在地球與宇宙科學領域，小學階段“模擬地球自轉與公轉、觀察記錄月相的變化、制作簡易的太陽系模型”“模擬降雨的形成過程、觀察不同種巖石的特征、模擬地震和火山噴發”這些內容都為初中地理的“地球與地圖”內容學習奠定了基礎。再如，小學科學中“地球上的水資源”，與初中階段“保護水資源”的教學內容直接相銜接，只是在內容和程度上有了進一步拓展和遞進。

總之，做好小初科學實驗教學銜接，需要教師準確把握課程標準，明確實驗教學的內容和方法。同時，也需要學校積極創造實驗教學的條件保障，加強和改進實驗教學，建立小初實驗教學有效銜接的工作機制。在具體的教學過程中，不能用課件演示取代學生動手實驗，不能用觀看視頻替代實驗教學，不能用教師演示代替學生分組實驗。讓每個學生都能有效參與到實驗活動中，盡量避免教師講實驗、學生聽實驗的做法，扎實上好每一節科學課，努力做到“教學中要強化學生實踐操作、情境體驗、探索求知、親身感悟和創新創造，著力提升學生的觀察能力、動手實踐能力、創造性思維能力和團隊合作能力，培育學生的興趣愛好、創新精神、科學素養和意志品質”。

（責任編輯：楊強）