姚国明

摘要： 实践中存在实验教学质量不高这一普遍问题。为推进优质实验教学，应处理好四个方面的核心问题： 一是实验设计，要从注重实验结果转化为重视设计过程;二是实验组织，要从强化启发引导转化为强调探究发现;三是实验目的，要从关注知识技能转化为聚焦科学思维;四是实验价值，要从关注问题解决转化为凸显思想方法。

关键词： 实验教学; 设计过程; 探究发现; 科学思维; 科学方法

文章编号： 1005-6629（2022）05-0058-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

实验是初中科学教学的重要内容，也是学生学习科学的重要途径。在初中科学教材中，实验活动通常是和科学探究活动融合在一起的，有关要求在《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》课程性质部分中明确指出，“科学是以多样统一的自然界为研究对象的探究活动”而“科学探究是创造性思维活动、实验活动和逻辑推理交互作用的过程”;教科书编写特点部分指出，“科学实验是科学研究的基础，是实现科学实证的基本途径”。实践中，科学教师在观念上都认同实验在教学中的地位和作用，在行动上也在积极开展实验教学，但存在的一个突出问题是实验教学质量不高，典型的表现是学生会做实验不会分析现象，会分析现象不会概括本质，能得出结论不会解决问题，能解决问题不会迁移应用，即在科学能力、科学思维、科学方法等方面没有得到很好的训练和提升。科学课程对实验教学的要求为何难以落实？实验教学又如何走出困境提高质量？笔者就其四个方面的核心问题分别作一探讨。

1 实验设计： 既要注重实验结果，更要重视设计过程

科学教材在每个章节中都设计了不少实验活动，对这些实验活动大多给出了实验方案，这为教师的实验教学提供了方便。然而，不少教师机械照搬教材中的实验方案，忽视实验方案背后的设计过程或意图，实验效果大打折扣。如在“实验室制取氧气”的实验教学中，大多数教师是按照教材给出的实验方案进行实验，待完成实验后再解释实验操作要点。实验教学看似完成，然而教材中呈现的实验方案的价值真正达到了吗？如果仔细洞察，会发现该实验价值还远远没有实现，一个最典型的表现就是许多学生面对之后类似的“实验室制取二氧化碳”实验时不会迁移应用，一脸茫然。如为什么要选择长颈漏斗或者分液漏斗、长颈漏斗末端为什么要插入液面下、为什么要用到有孔隔板、为什么要有胶管夹等等，其中道理就蕴含着丰富的科学知识和学生认识发展的过程。

其实，从认知角度看，这个实验装置设计和操作要点理解并不难。因此，该教学的难点不在实验结论，而在于实验方案的设计。教师若能重视实验方案的设计过程，事先不直接拿出发生器给学生，而是先演示在大试管里加入二氧化锰和双氧水放出氧气，在了解反应原理的基础上，从大试管开始，分析矛盾，解决矛盾，采取问答形式逐步把发生器装配起来，非常有利于学生思维的发展。下面采取图示法简述实验设计的引导过程（如图1所示）。

可见，重视实验的设计过程，虽然在一定程度上可能会拉长实验的时间，但是实验本身的价值就能得到最大程度的体现。学生在参与实验设计的过程中，由浅入深地思考问题和不断地解决问题，逐渐调整并优化方案，原有的经验被充分唤醒，思维产生连续冲突，实验素养和思维水平得到提升。因此，在实验教学中，教师要转变观念，不仅要关注实验结果，更要重视实验的设计和优化过程。“一个好的科学探究过程的设计，实际上就是学生思维发展的过程，就是在实际情境中综合运用知识、技能来解决真实问题和提升关键能力的过程”[1]。

2 实验组织： 既要强化启发引導，更要强调探究发现

按实验类型划分，教材中的实验活动包含验证性实验和探究性实验两种。从教学要求看，每种类型实验都有其相应的价值，教师只要依纲务本、按部就班完成实验即可。但站在学习角度看，探究性实验是一种更符合学生认知特点和需求的学习方式。从教学角度看，探究性实验在学生主体激发、思维发展和师生积极交互等发面也更有作为。因此，“在科学教育中，应给学生提供充分的科学探究机会，让学生通过手脑并用的探究活动，体验科学探究的过程，如此才能使学生更深刻地理解科学知识，更好地掌握科学方法，体会科学思想和精神”[2]。然而，在实际教学中，不少教师对探究实验熟视无睹，不仅无法将验证性实验转化成探究性实验，甚至将原本探究性实验演变成了验证性实验。

比如“二氧化碳与水反应”这个实验，教师一般是按照教材中的实验方案（如图2所示），在两支试管中分别倒入适量的水和二氧化碳与水混合的液体，然后分别滴加紫色石蕊试液，结果左边试管中的紫色石蕊试液没有变色，右边试管中的紫色石蕊试液变红色，由此得出结论“二氧化碳能与水反应生成一种酸”。实验有对比，有结论，看似很完美，其实这样的实验过程既缺少“探究味”，学生的思维发展也不充分，教师是在不知不觉中完成了一次“伪探究”;从探究角度看，实验设计很不严谨，变量控制不到位，二氧化碳是否也会使紫色石蕊变色呢？教师并没有排除这个因素对实验结果的干扰。

那么如何设计这一教学环节才能凸显科学“探究味”呢？有教师作了以下尝试，他先将紫色石蕊滴入到装有二氧化碳与水混合后的液体的a试管中（如图3所示），结果发现紫色石蕊试液变红了，学生很惊讶，不禁产生疑问“紫色石蕊试液为什么会变红”。此时，教师追问“根据刚才的实验过程，大家猜测使石蕊变色的可能是哪些物质？”学生经过思考，认为有三种可能性： 一是水使石蕊变色;二是二氧化碳使石蕊变色;三是二氧化碳与水反应后的生成物使石蕊变色。那么如何设计实验来证明你的猜测呢？此时，教师再演示“紫色石蕊试液滴加到盐酸中变红色”的实验，直观地让学生明确“紫色石蕊试液可以用来检验酸性物质”

这一事实。根据以上事实，学生自主设计实验如图3所示，通过比较a、 b、 c三支试管中的实验现象，很顺利地得出了“二氧化碳与水反应生成了酸”的结论。

同样的教学内容，类似的实验方案，两种不同的设计理念，实验的“探究味”完全不同，实验效果也完全不同。科学的本质特征是探究，在科学教育的过程中应体现科学探究的精神，让学生亲身经历以科学探究为主的学习活动，不仅符合学生的认知特点，而且对他们的长远发展有重要意义[3]。因此，在实验教学中，教师应强化科学探究的意识，用科学探究的理念来设计实验，用科学探究的方式来呈现实验过程。如此，不仅让实验教学过程充满魅力，更能实现学生思维从低阶到高阶的转变。

3 实验目的： 既要关注知识技能，更要聚焦科学思维

科学教育的核心目标是促进高阶思维能力的发展[4]，因此，作为一种教学方式，实验教学的根本目的也应该是通过实验活动训练学生的思维。然而，现实中的实验教学仍然习惯性地聚焦操作技能训练，而忽视思维的培养。思维能力培养的不足导致学生能力发展不足，无法灵活解决现实情境中的真实问题[5]。如在“质量守恒定律”实验教学中，教师往往是利用教材中给出的两种方案，引导学生一步步实验，最后通过实验数据分析，总结出了质量守恒定律。然而，由于学生对实验设计思路并不清晰，因此对实验中为什么要在封闭环境下进行并不理解，只是机械地按照教材给出的实验步骤进行实验，虽然最后得出了结论，但其实对质量守恒定律意义的认识并不深刻。这就是为什么很多学生会做质量守恒定律实验，但一碰到质量守恒定律的实际问题仍旧束手无策的原因。

若以思维线来设计这个实验，实验教学效果就完全不同。教师先以生活中两个现象“木头燃烧后变成了灰烬，质量减少了;蜡烛燃烧后质量几乎为零”设问： 化学反应中物质的质量如何变化？此时学生大都认为物质燃烧了，质量会减小。教师再设计在开放体系中“碳酸钠与盐酸反应前后质量的变化”实验（如图4所示），我们可以看到在开放体系中，反应后质量减小了。至此，学生再次坚定“质量减小”的判断。此时，教师呈现封闭体系中“碳酸钠与盐酸反应前后质量的变化”实验（如图5所示），结果发现反应后质量没有改变。同样的反应原理，为什么前后两次实验结果不同呢？学生在头脑中产生了激烈的认知冲突。究竟哪个实验才是准确反映化学反应中的质量变化呢？学生通过对比分析两次实验结果不同的原因，推理得到“化学反应中质量守恒”的结论，进而也明确了开放条件下的“质量不守恒”恰恰是由于“质量守恒”下产生的一种表现。

那么，如何解释木头和蜡烛燃烧质量减小的现象呢？要证明木头和蜡烛燃烧前后质量不变，你又会如何设计实验呢？学生经过讨论大都能给出正确解释和实验设计思路。此时，教师再组织学生针对教材中的两个实验方案进行评价（如图6所示）。学生从实验操作、实验现象、实验结果和实验设计思路等方面进行分析，选出最佳实验方案。

科学思维是科学研究的灵魂[6]，而实验是科学学习的重要方法。没有实验的科学课堂不是真正的科学课堂，而没有思辨的科学实验活动，同样也不是完美的科学课堂。聚焦科学思维是实验教学的核心目标和根本任务。布鲁姆目标分类理论认为，知识、理解、应用是低水平的思维表现形式，分析、评价、创造等才是高水平的思考。因此，实验教学中，教师应将高阶思维作为思维培养的核心指向和主要落脚点。

4 实验价值： 既要关注问题解决，更要凸显科学方法

科学方法是人们在认识和改造世界中遵循或运用的、符合科学一般原则的各种途径和手段，包括在理论研究、应用研究、开发推广等科学活动过程中采用的思路、程序、规则、技巧和模式。简单地说，科学方法就是人类在所有认识和实践活动中所运用的全部正确方法[7]。科学方法作为科学课程标准的重要组成部分，是科学教育的重要内容，也是学生学习科学的重要方法。初中科学实验中蕴含着许多基本的科学方法，如观察、归纳、演绎、转化、理想实验、推理、模型、类比、等效替换、控制变量等等，教师在实验教学中渗透这些方法思想，引导学生将这些方法转化为学习科学的思维方式和能力，不仅能使学生的学习提高效率，还能帮助学生提升学习科学的兴趣。但不少教师在实验教学中习惯性地强调实验技能和实验结果的应用，而忽视实验中蕴含的科学方法和科学思想的教育，这种指向知识和技能的实验教学目标，使实验教学的“最后一公里”没有打通，实验教学变得肤浅且无色彩。

如“空气中氧气含量测定”实验，教师经常是以法国化学家拉瓦锡测量空气中的成分故事引入，然后借助现有的器材演示教材中的“空气中氧气含量测定”实验（如图7所示），之后再分析实验现象，通过观察分析得出空气中的氧气含量。但是为什么要用水来求氧气的含量？其中充满了实验设计的思想和方法。

如果教师以“红磷燃烧”切入，引导学生对瓶内气压进行分析。在明白了水为什么会倒流到广口瓶中，教师提问：“烧杯中的水是否会无限流入广口瓶中？什么样的情况下，广口瓶中水位不再上升了呢？”在学生作出判断后，再问：“空气中的氧气含量能否直接测量？该实验对测量空气中氧气含量有什么启示？”学生自然而然会想到“用水位上升的体积来间接反映空气中氧气的含量”的测量方法。至此，教师再演示“空气中氧气含量测定”实验。

此时，教师引导学生得出“对于一些看不见摸不着的现象或不易直接测量的事物，通常用一些非常直观的现象去认识或用易测量的事物间接测量，这种研究问题的方法叫转化法”。

在理解了上述实验原理后，不少学生针对实验中红磷点燃方法的不足想出了用“白磷”代替“红磷”的改进方案（如图8所示）。受此启发，学生的实验设计思路被进一步打开，随即想到了“把空气中氧气的含量”转化为“活塞移动体积”来进行测量的方案（如图9所示）。

科学方法是科学知识转化为科学能力的桥梁和纽带[8]，科学方法的教育是学生科学素养形成的關键[9]，多样化的实验活动是训练学生科学方法的重要途径[10]。教师应在指导学生通过实验解

决科学问题的同时，潜移默化地渗透科学研究方法。在学生了解、理解、掌握科学方法后，再有意识地引导学生运用相应的科学方法去分析或解决科学问题，不仅能提高学生对科学现象、概念或规律的认识和理解能力，而且对培养学生的科学思维方法和习惯、提高科学素养大有裨益。

参考文献：

[1]杨勇诚. 初中物理教学中提高科学探究实效性的五项建议[J]. 中学物理教学参考， 2020， （5）： 2.

[2]中华人民共和国教育部制定. 义务教育初中科学课程标准（2011年版）[S]. 北京： 北京师范大学出版社， 2012： 5～6.

[3][6][8]朱清时. 科学教学参考书[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2012： 9～19.

[4][5]胡卫平， 郭习佩， 季鑫， 严国红， 张睆. 思维型科学探究教学的理论建构[J]. 课程·教材·教法， 2021， （6）： 123～124.

[7]郭小林， 杨舰. 科学方法[M]. 北京： 科学出版社， 2013： 25.

[9]张晓艳， 毕燕. 科学方法教育的现状与对策——以中学地理教育调查为例[J]. 广西师范学院学报（自然科学版）， 2015， （3）： 150.

[10]田丽芳. 科学方法教育的内涵及途径——以化学学科为例[J]. 甘肃联合大学学报（自然科学版）， 2008， （7）： 104.