提升學生實驗設計能力

〔摘 要〕 科學實驗設計能力是《義務教育科學課程標準（2022年版）》中“科學探究目標”的基本要素之一，也是小學生構建與提升科學核心素養的基石。本文結合“新課標背景下提升學生科學實驗設計能力”課題研究案例，提出：提供模板，引導學生設計方案；借助演示，啟發學生修正方案；關注數據，培養學生設計能力；發散思維，鼓勵實驗方案多樣；嘗試實驗，引導學生完善實驗方案等五方面的策略，旨在提升小學生科學實驗設計能力，全面發展學生的核心素養。

〔關鍵詞〕 小學科學；科學實驗；設計能力；核心素養

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻標識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2025） 03 109-111

隨著科學教育對學生探究實踐核心素養的不斷重視，科學實驗設計能力培養作為科學探究能力培養的基本要素，越來越受到中小學科學教師的關注。對于小學生的實驗設計能力的監測與培養，不僅是提升小學科學教育質量的關鍵環節，更是當前亟待解決的教育議題之一。然而，在日常的科學課堂教學中，雖然部分實驗教學已經關注到學生實驗能力的培養，但在實際教學中，學生往往處于被動探究的狀態，依賴教師提供實驗方案和步驟，僅按照既定要求進行實驗操作，雖然課堂氛圍活躍，實驗結果看似“正確”，學生興趣濃厚，但缺乏對學生獨立實驗設計能力的系統培養。這種教學方式限制了學生的想象力和創新精神的發展。因此，我們需要重新審視并改進實驗教學方法，以更加全面和系統的方式培養學生的實驗設計能力。

一、現狀分析

在小學科學教育領域，學生主要在實驗設計能力上普遍表現出不足。究其原因，主要集中在以下幾個方面。

（一）教師對提升學生科學實驗設計能力的認識不足

教師雖然認識到了實驗探究實踐能力的培養對探究能力、問題解決能力、邏輯思維能力培養的重要性，但是沒有充分認識到實驗設計能力培養同樣具有舉足輕重的地位。因此，教師對于培養學生科學實驗設計能力的重視程度尚顯不足。

（二）學生缺乏科學實驗設計方法的指導

在科學實驗教學過程中，實驗指導往往局限于教師演示實驗步驟而學生跟隨模仿的傳統模式。在這種模式下，缺乏教師對學生實驗設計的深入指導，導致學生在遇到復雜的實驗設計問題時，常顯得迷茫而缺乏應對策略。

（三）學生實驗設計訓練得不到保障

實驗設計包括提出問題、做出假設、制訂計劃、實施計劃、得出結論、表達交流等方面，過程長、環節多?？茖W實驗設計能力的形成需要充分理論知識與具有豐富實踐操作的教學活動支撐。然而，當前對于實驗設計能力的培養，尚缺乏系統性規劃與安排，同時也缺乏有針對性的教學活動。這種現狀導致學生的實驗設計能力得不到有效提升。

二、提升學生科學實驗設計能力策略

（一）提供模板，引導學生設計方案

《義務教育科學課程標準（2022年版）》指出：能基于所學知識，從事物的結構、功能、變化及相互關系等角度提出可探究的科學問題和研究假設，制訂比較完整的探究計劃，設計控制變量的實驗方案。因此，教師要精心設計、精心策劃并挑選出與學生的能力水平相匹配的實驗設計方案材料。在教學過程中，教師應鼓勵學生思考實驗設計的初衷和原理，即為什么選擇這樣的方式進行設計，從而激發學生的思維，啟發他們的靈感。在實驗過程中，教師應關注學生的實驗進展，及時給予指導和反饋，幫助學生發現并解決問題。教師通過這種方式，幫助學生積累和沉淀實驗設計的基本規律和方法，進而有效提升其自主設計和實施實驗方案的能力。

例如，教學教科版五下《種子發芽實驗》一課時，教師提問核心問題：種子發芽需要哪些條件？利用綠豆，我們能用什么實驗驗證我們的想法？要求學生根據自己的認知提出猜想，以激發學生探究種子發芽的興趣，并充分展現前概念。之后引導學生以“土壤”條件為例開展實驗設計，教師呈現實驗計劃表格，組織學生討論以“土壤”為研究條件的實驗設計方案，研討“如何設計實驗方案和實施，讓實驗更公平”。在討論中，學生就“為什么要設置兩組進行對比”和“為什么要在每個玻璃皿中放3顆種子”等對比實驗的設計要求達成共識。此時教師因勢利導，強調“實驗中只改變選擇研究的一個條件，同時保證其他條件相同，保證實驗的科學性”。接著播放“土壤”實驗的操作微課，為學生的實驗操作提供指導。“在實驗中，我們觀察到什么現象能驗證我們的預測？”在研討活動中，形成如果實驗中“有土”組的綠豆發芽了，“無土”組的綠豆沒有發芽，就說明綠豆種子發芽需要土壤的預測成立，反之則預測不成立的結論。在這一方案設計歷程中，教師逐步引導學生發現實驗設計的缺陷，并在研討中將對比實驗的難點逐一解決，培養學生的嚴謹性與科學性。

總之，教師要精心設計實驗設計方案，并通過引導、啟發和拓展的方式，幫助學生更好地理解和運用模板，充分認識到對比實驗公平性的重要性，在實驗設計和實施中實現對比實驗控制變量的要求，提高實驗設計能力。

（二）借助演示，啟發學生修正方案

小學階段的學生正處于身心發育的初級階段，他們的思維方式、考慮問題的角度尚處于初級階段，對一些較為復雜的事物和細節可能無法全面而深入地理解和把握。在實驗教學過程中，教師需要引導學生關注實驗過程中的每一個細節，這對于實驗的成功與否有著至關重要的作用。

例如，在教科版五年級上冊《時間在流逝》一課的燃香實驗中，教師提問：“古人還曾用燃香來計時。它的燃燒速度是均勻的嗎？怎樣設計實驗呢？”學生通過討論確定研究方法：給燃香等分成四段，分別記錄燃燒每一段所需的時間。教師根據這一實驗方案進行實驗演示，學生在分析實驗數據時卻發現每個小組第二、三、四段的燃香時間基本一致，而第一段的燃香時間都要比其他三段的時間短得多。實驗設計哪個環節出了問題呢？在深入交流研討中，學生恍然大悟，在第一段點火燃香時與其他三段的燃香條件不同。此時，教師因勢利導，學生就能深刻地領悟實驗設計時關注細節的重要性。因此，在小學實驗教學中，教師需要根據學生的年齡特點和認知水平，采取合適的教學方法和策略，引導學生關注實驗過程中的每一個細節，從而提高學生的實驗操作能力和科學素養。

（三）關注數據，培養學生設計能力

探究實踐是科學課程學習的主要方式，制訂計劃并搜集證據、分析證據并得出結論是科學探究能力的重要組成部分。實驗數據在實驗中扮演著不可或缺的角色，它是實驗得以順利進行的基礎，也是對實驗結果進行評價的重要依據。記錄實驗數據不僅可以幫助學生更好地理解實驗過程中的變化和現象，還可以為后續的實驗分析提供可靠的數據支持。因此，學生應該重視實驗數據的記錄，做到準確、詳細、及時地記錄下實驗過程中的各項數據，以便更好地開展實驗活動，提高實驗效果。數據本身只是實驗結果的量化表達，而數據的真正價值在于它背后的意義。除了準確記錄實驗數據，學生還應該學會如何分析和解讀這些數據。

以教科版五年級下冊《增加船的載重量》一課教學為例。“在材料有限的情況下，你覺得制作怎樣的船只載重量會更大？”學生結合自己的生活經驗，有一部分猜測底面積要大些，而多數學生認為船舷高些的載重量會大些。學生在探討完善實驗設計后，教師提問：“我們要怎樣才能直觀呈現數據，從數據中總結出規律？”引導學生結合實驗自變量、因變量設計實驗記錄單并在實驗時做好實驗數據記錄。“船舷高度、船底面積等因素對船的載重量有什么影響？”這一問題將學生引入對測試數據的討論與分析中，學生暢談自己的發現、思考以及新的疑問——為什么這些鋁箔船船舷高了，載重量反而降低了？在綜合分析相同的鋁箔紙舷高與底面積之間的關系后，引出體積的概念，發現“用相同重量和相同大小的材料制作的船，船型體積越大，載重量越大”。分析實驗數據的過程，不僅提高了學生的數據處理和分析能力，也培養他們的批判性思維能力和團隊協作精神。

（四）發散思維，鼓勵實驗方案多樣

在小學科學教育中，對知識的深入探究和獲取固然重要，但讓學生體驗探究活動的樂趣，學會設計實驗方案，形成科學思維方式才是根本?？茖W教師應該敏銳捕捉每一個教育契機，深入挖掘學生的創新潛質，積極引導學生運用發展性思維，從多角度、多層面去考慮和解決問題，進而激發學生的思想碰撞與靈感迸發，設計出豐富多彩、創新獨特的實驗方案，培養學生科學素養。

例如，教學教科版五年級上冊《光的傳播方向會發生改變嗎》一課，學生按著課本的實驗方案進行實驗操作，卻發現：為什么課本上實驗圖例能出現光柱，而我們的實驗卻看不到光柱？我們要看到光柱需要具備什么條件？我們的實驗達到了這些條件了嗎？怎樣改進我們的實驗才能看到光柱呢？在問題鏈的驅動下拓展學生思考問題的深度和廣度。此時，再激發學生從生活現象中發現什么情況下在亮光中也能看到光柱，引發學生探究理解弱光中看見光柱的“丁達爾”現象的條件及原理，以及如何利用“丁達爾”原理改進實驗。以思維導圖方式驅動學生發散思維，深度思考制造光柱的途徑，使學生的思維能力朝著更深更廣的方向發展進階。學生從顆粒物的類型、制造顆粒物方法的不同角度提出了各自設想，再結合空氣與水中顆粒物看見光柱的途徑進行組合應用，一個個別具一格的實驗改進方案展現了學生的創新性思維。

培養小學生的科學實驗方案設計能力，需要教師引導學生運用發散性思維，從多個角度和層面去考慮問題，同時鼓勵他們發揮自己的想象力和創造力，設計出豐富多彩、創新獨特的實驗方案。這樣，學生不僅能夠更好地掌握科學知識，還能夠培養他們的創新意識和實踐能力。

（五）嘗試實驗，引導學生完善實驗方案

在教育實踐中，教師應是一個引導者，鼓勵學生自主大膽嘗試，勇于探索，同時要求學生細致入微地觀察實驗的每一個步驟，對實驗中出現的各類現象進行深入的剖析和理解。正如俗語所言：“經歷挫折，方能成長?！碑攲W生在實驗中遇到困難，甚至遭遇挫折時，教師不必急于給出答案或解決方案，而應引導他們進行深入的分析和討論，以找到失敗的原因，并共同探討改進策略。通過這樣的方式，學生不僅能夠不斷地優化和完善實驗方案，從而有效地規避潛在的失敗因素，而且其設計實驗方案的能力也能得到提升。

例如，教科版五年級下冊《增加船的載重量》一課中，在各小組匯報鋁箔船的載重量第一個實驗現象時，對于體積相同的鋁箔船，大多數小組承載墊圈20～22個，而有的小組卻僅有7～8個?！盀槭裁大w積相同的鋁箔船，載重量卻有這么大的差異？影響實驗結果的因素是什么？”引發學生的深度思考，此時，教師用視頻呈現了墊圈數量明顯差異的兩組實驗操作過程，引導學生觀察操作細節，對比分析交流導致差異的主要原因。在這一環節中，學生不僅深刻認識到全面考慮實驗方案設計和輕拿輕放、擺放均勻操作細節的重要性，還認識船只的平衡性和穩定性是影響船的載重量的重要因素，培養了觀察和分析問題的能力。此時，再讓學生進行實驗改進就能水到渠成了。

三、結語

在小學科學實驗教學的實踐中，教師要緊跟時代的步伐，堅守課堂陣地，致力于提升學生的科學探究能力，通過精心策劃與引導，培養學生的實驗設計能力，讓學生真正成為學習的主導者，進而將科學學科核心素養的培養落到實處。

【本論文系永安市基礎教育科學研究2023年立項課題“新課標背景下提升學生科學實驗設計能力”研究成果，課題編號：YAKT2023077】

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]唐虞.小學中高年段學生科學實驗設計能力培養的現狀研究[D].上海：上海師范大學，2023.