以“變量”減輕科學探究“作業量”的實踐與思考

楊柳青

要減輕學生課業負擔，從科學學科的特征來看，最基本的一是要增進理解，抓住本質；二是要從方法的角度，讓學生主動地認識規律、形成方法。另一方面來說，增進學生對科學概念、過程、方法、規律等的理解，形成認識問題、分析問題、解決問題的方法和能力，這也是初中科學教學的最終歸宿。兩者不僅不矛盾，且高度統一。

1 問題的提出

科學探究是初中科學最為重要的內容和方法，也是教學評價最為重要的內容，沒有之一。在雙減背景下，讓學生通過大量習題，被動認識科學探究，獲得探究能力，既不科學，也沒了操作的空間。據此，通過變量認識科學探究的一般過程和方法，從本質和方法上認識科學探究，是雙減背景下提升科學探究教學效率、減輕負擔、發展學生探究能力的唯一途徑。

1.1 探究的重要性

科學是以自然界為研究對象的探究活動，科學的本質特征就是科學探究。科學探究對于初中科學的重要性不言而喻，無論是三維目標或是核心素養的評價體系，其核心始終是科學探究。從初中科學對初中生核心素養的貢獻力來看，最主要還是表現在培養學生能像科學家一樣地去思考，使學生逐步形成用科學知識、思維、方法和態度去解決問題的意識和能力，而這一切的獲得都必須以科學探究為內容和途徑。

1.2 變量的重要性

如果說初中科學的靈魂是科學探究，那么變量就是科學探究的靈魂所在。就初中科學探究的實質而言，就是控制無關變量、改變自變量、測量因變量，并根據實驗收集的數據，分析、尋找自變量與因變量之間關系的過程。具體說，提出問題和猜想就是尋找變量的過程，實驗設計就是如何設計變量的過程，實驗和得出結論就是尋找變量間關系的過程，交流評價很大程度上就是評價變量設計的過程。因此，變量是科學探究的實質，也是正確打開科學探究的金鑰匙。

1.3 方法的重要性

多樣的自然界是統一的，千變萬化的自然表象下是統一的事物運動規律。也就是說認識自然規律是有方法的，而對于“科學探究”這一學習科學最為重要的方法或者說工具，在學習時更應該強調方法和系統。其實不是說在雙減背景下，需要強調方法的學習，來實現輕負高質，而是科學探究學習的本身就應該是這樣的。只是說在雙減背景的加持下，按方法系統學習科學探究也許成了唯一的選擇，而這個方法的核心就是變量。

基于以上分析，只有從變量的視角，學習科學探究的一般過程和方法，才能擺脫通過大量機械化訓練來碎片化學習科學探究的窘境，才能實現在減輕學生負擔的情況下，真正增進學生對科學探究本質的認識，從而提升學生的科學核心素養。

2 基于變量的科學探究教學

通過前文所述，明確了科學探究之于科學的重要性，明確了變量之于科學探究的重要性。基于以上兩點認識，如何有目的、有方法地運用變量，系統地促進科學探究教學，就顯得尤為重要，而這首先要厘清變量與科學探究的內在關系。

2.1 問題與猜想，尋找變量

科學探究提出問題和做出猜想的環節，實質是根據因變量尋找自變量的過程。教學中，教師要善于根據這一關系，引導學生通過觀察、比較、分析，提煉自變量和因變量，并以此提出問題和做出猜想。這樣，學生不僅容易提出問題、做出猜想，而且所提出的問題和做出的猜想是有根有據的，才會更富科學性。更為重要的是學生可以通過這一關系尋找新的方法，并增進對科學探究前兩個環節的理解。

例1：氣體壓強與流速的關系

教材通過“飄出來的窗簾”作為引入，通過“吹紙條”“對玻璃管吹氣”兩個活動來認識氣體壓強與流速的關系，如圖。雖沒有明顯的探究過程，但從變量學習科學探究的角度可做如下處理：

（1）窗簾什么時候能被刮出窗外？（引導到平行窗戶吹較大風時）

（2）從風的概念，從空氣運動來看，不刮風、刮小風、刮大風的區別是什么？（引導到自變量空氣的流速）

（3）窗簾被吹出窗外，從力與運動的關系判斷，窗簾受到了什么力（自內向外的壓力）？從壓強的角度可以做出怎樣的猜想（壓強差）？（引導到因變量氣體壓強）

（4）基于這個現象和上述分析，你能提出什么問題，做何假設？

（5）再通過吹紙條、吹玻璃管來設計和驗證猜想。

為達成這一方法，首先要讓學生通過七年級上冊的學習，從“影響因素”逐步過渡到自變量、因變量的概念。其次是在教學中，特別是七年級科學探究的教學中，要著重引導學生逐步能從變量的視角，感受到科學探究的實質就是尋找自變量與因變量之間的關系。

2.2 方案與實驗，設計變量

設計實驗方案的過程，其實質就是控制無關變量，改變因變量設置對照組，并解決如何測量因變量，以及如何記錄自變量與因變量的過程，簡而言之就是設計變量的過程。教學中，教師要善于以教材探究為范例，通過引導認識、理解如何運用控制變量法控制變量，如何運用轉換法測量因變量等科學方法，并從N個范例中認識到實驗方案的設計就是設計變量的本質，并以此認識實驗設計，掌握實驗設計的一般方法。

例2：光合作用

光合作用的探究是一個非常經典的科學探究范例，其可挖掘的探究方法是極為豐富的，這里就各簡單說幾點。

（1）控制無關變量。研究對象是同一種類兩株植物的葉，還是同一株植物的兩張葉，還是同一張葉的不同部位。

（2）改變自變量。葉綠體：為何一個有葉綠體，一個沒有葉綠體呢（選材）？C02：為何一個有C02，一個沒有C02呢（C02吸收劑）？水：為何一個有水，一個沒有水呢（切斷運輸途徑）？

（3）測量因變量。如何判斷光合作用已經發生了？能否從質量變化檢驗淀粉（干重）？通過有無淀粉產生從表達式看是檢驗什么（產物）？既然如此，除了檢驗淀粉（有機物），還能檢驗什么來判斷光合作用的發生？根據表達式，從測量因變量的角度，你有什么發現？

實驗設計環節是科學探究最有思維力度和學科味道的部分，也是培養學生核心素養的核心內容，當然也是學生學習相對困難的部分。所以需要從日常的科學探究教學中，不斷引導學生形成解決問題的大小方法。大方法就是控制變量、改變自變量、測量因變量這條主線；小方法就是如何控制變量、改變自變量、測量因變量的具體方法，例如如何獲得相同速度、等大拉力、如何通過力的作用效果認識力（磁力）的存在，淀粉、水蒸氣、二氧化碳等物質的檢驗方法，恒溫箱、二極管、氣壓、二氧化碳傳感器等工具的使用等。

2.3 結論與評價，分析變量

得出結論的環節就是分析實驗獲取的有關自變量與因變量的數據，檢驗自變量與因變量之間的關系。評價環節重點則在于從變量的控制（變量是否唯一，變量控制是否有利于檢測自變量對因變量的影響等）、自變量的改變（自變量的樣本取樣方式、數量和普遍性，自變量變化區間的設定等）、因變量的測量（因變量的顯性度、測量方法、測量的干擾因素、測量的準確度等）來加以評價。如果實驗設計環節的教學是圍繞“設計變量”展開的，那么得出結論和交流評價過程，學生評價的指向就會比較明確。這就是方法的力量，也是減負的動力來源。

例3：氫氧化鈉變質

在探究氫氧化鈉是否是完全變質時，學生會習慣性地忘記碳酸鈉溶液本身成堿性而對氫氧根離子檢測的干擾。從表面看是對碳酸鈉溶液呈堿性知識上的缺陷造成的，其實不然。很多學生知曉這一點，但在探究方案設計中卻體現不出來。所以從本質上講，還是探究環節對控制變量思想、意識、方法上的缺失。以此為例，對學生直接加酚酞鑒別的設計方案引導評價如下：

（1）要探究氫氧化鈉是否完全變質，從物質看檢驗什么（氫氧化鈉），從離子的角度就要檢驗什么（OH-）。

（2）要檢驗OH-，可用什么方法（堿的通性）？那可否用無色酚酞？自變量是什么（堿性）？因變量是什么（無色酚酞呈紅色）？需要控制的變量是什么（不能有其他堿性物質）？

（3）怎么辦（除去碳酸根離子）？能不能加入氫氧化鈣（不能混入干擾的OH-）？

（4）如果加入氯化鈣，會有什么物質產生？從控制變量的角度還需什么操作（先確定氯化鈣、氯化鈉本身成中性）？……

引導評價的目的不僅是提幾個問題，掌握幾個知識點，評價變量是為了更好地設計變量，歸根結底還是為了引導學生更好地認識變量之間的關系，以及如何科學地設計變量，從而進一步促進學生形成科學探究的一般方法。

3 基于“變量”的科學探究教學策略思考

理順變量與科學探究的關系，并本著這個關系組織科學探究的教學，讓學生習得方法。這樣既避免了反復操練，表現在學生，不僅會做熟悉的題目，對于新情景下的探究也會得心應手。即便一時不會解答，至少也會有明確的思考方向。當然，為達此目標，除理順變量與科學探究的內在關系外，從方法出發，結合教學實踐，教學需要注意以下幾點。

3.1 要善于運用“比較法”學習變量

比較思維要求把若干同一屬性的現象或人物等進行對照，找出它們之間存在的差異及存在差異的原因，并從比較中歸納出具有實質性或有意義的結論。很顯然這與探究教學的過程和目標相當吻合。因此，教學中需要通過結構性的材料，通過自身的前后比較，不同對象、環境的比較中，尋找自變量、因變量，提出問題和猜想；通過比較的思想設計對照實驗；通過比較實驗組和對照組數據得出結論，通過比較不同方案進行評價等。以此來培養學生尋找、設計、評價變量的思維方式和探究方法。

例4：影響浮力的大小因素

通過學生將空礦泉水慢慢浸入水槽的體驗，提供從淺水區走向深水區的圖片和感受，分別引導思考礦泉水瓶和人從開始到后面的變化量，尋找出浸入水中的體積和深度兩個自變量和浮力大小這個因變量，再引導到底是深度還是浸入體積，還是兩者共同作用的結果，做出三種猜想，并按不同的猜想設計實驗，驗證猜想。

從上述案例來看，通過前后比較得出的，引起差異性的因素自然就是自變量。所以從猜想的角度，深度作為自變量完全是正確的，也是符合認知和一般方法的。教師切不能因為已有知識去干擾學生尋找變量方法的形成。

3.2 要始終把變量思想貫穿于教學中

方法的習得和概念學習一樣，離不開歸納和演繹。只有在不斷的實踐中，才能熟能生巧。因此，正如應把探究貫穿于整個初中科學教學一樣，也應把變量的思想貫穿于所有的探究過程。正如教學中鼓勵實行部分探究一樣，同理也可在教學中進行部分變量思想的參透。例如學習氣溫，可以結合一天的氣溫坐標圖，問問學生自變量、因變量等各是什么。而且結合日常教學內容，總比剝離開來、另外弄些題目來得順暢，也更省時、省力。

例5：探究型作業的做和評

作業是教學的重要組成部分之一。從作業的學習功能出發，學生做和教師講評探究題，應該盡可能地先結合題目，從整體出發，圍繞變量與科學探究的關系，嘗試思考以下幾個問題后，再動筆解題或講評。

（1）從問題，或猜想，或結論，或實驗設計方案出發，先搞清楚探究的是個什么問題，即尋找變量。

（2）從方案出發，自變量如何改變？無關變量有哪些，如何控制的？因變量是如何測量的？探究方案中，有什么不理解？能不能從變量設計的角度來理解？即設計變量。

（3）從獲取的數據來看，存在什么關系？即如何比較變量。

最后完成或講評好作業后，再思考本探究有什么值得學習的地方，即評價變量的設計。

作為探究題，背景和篇幅往往都比較大。若只是指題中的幾個小題，一是對探究方法的習得幫助不大，二是浪費材料和時間。于是只能通過反復的練習來補救，這勢必會增加學生的作業負擔。而從學習功能出發，從整體出發，從方法出發，才有助于提升作業的利用率，在實現教學目標的同時，減輕課業負擔。

3.3 要在實踐中提升設計變量的能力

強調實踐，一是科學探究是認識自然的基本方法，學習科學探究不僅僅是為了應對學業評價，更是為了培養學生在今后的生活和工作中解決個人與社會問題的能力。二是方法的習得光從理論出發，既不形象生動，也不具深刻性。只有在實踐中，在解決困難的過程中，在反復的試錯中，在獲得的成功體驗中，才能真正形成解決問題的能力，以及解決問題所需要的品質。因此，方法不僅是講出來的，更是實踐出來的。

例6：最小刻度與測量的準確性

因變量的測量準確性直接影響著探究結論的準確性。最初來源于測量工具的最小刻度以及求平均值，這里以最小刻度為例，論述在實踐中的習得方法。

（1）在探究影響電磁鐵磁性強弱中，給每個小組發放不同質量的大小鐵釘、圖釘等。通過小組間的比較，認識鐵釘間的質量差異就是最小刻度問題。

（2）測量大氣壓值時，發放不同規格的鉤碼、小桶和水或細沙。通過小組間的比較，認識鉤碼、水滴、砂粒的重力就是最小刻度問題。

（3）酸堿中和時，發放滴管和不發放滴管；發放滴管的是邊加鹽酸變振蕩，還是滴幾滴再振蕩。通過小組間的比較，認識滴1滴、滴5滴、傾倒就是最小刻度問題。

還如方格法測面積、測方格的大小；橫線法測滑輪做功的距離、橫線間的距離……

實踐中獲取方法，一定是在克服困難，或者是在尋找實驗失敗原因，或者是在與同伴的比較過程中最深刻。因此，實踐的關鍵點不在于機械的操作，而在于在矛盾沖突中的主動獲取，強調學生的主觀能動性。

當然要掌握以變量學習探究的方法，除了上述三點，還需注意系統性。正如教材學生科學探究能力培養做了總體安排，使學生得到系統科學方法的訓練一樣，也應該相應系統地安排方法的學習。例如，七年級以認識變量以及變量和科學探究的關系為主，八年級以設計和評價變量為主，九年級以整體運用為主。另外，基于方法，以及系統性安排，作業的設計也應服務于這個系統，匹配也是減負的重要措施之一。

4 總結

（1）減負不能減質，而兩者的結合點就是本質和方法。

（2）在雙減背景下，從本質和方法出發組織教與學是必然的選擇。

（3）科學探究無論從核心素養或是學業評價都是初中科學最為重要的內容。

（4）科學的雙減應該從科學探究開始，從變量出發，體現本質，形成方法。

（5）唯有從變量出發，才能減輕負擔，且高效發展學生的科學核心素養。

（作者單位：浙江省杭州市富陽區富春中學）