關于提升初中科學實驗教學效益的思考

楊封友 何明媚

一、提煉實驗思想

達爾文曾說:“最有價值的知識是方法的知識”。科學大師深刻的設計思想、精巧的實驗方法,一直是人類認識未知世界的銳利武器和寶貴財富。科學史上每一次的重大發現,往往伴隨著實驗思想的重大突破。就像“物體振動產生聲音、影響電阻大小的因素”等平常的實驗中都蘊涵著轉換、類比等永恒的實驗思想,揀起這些灑落的珍珠讓學生去觸摸也應成為實驗教學的追求。提煉實驗思想,可隱含于實驗方案的設計過程,也可顯現于對實驗方案的評價。

例如,在“力的作用效果”教學中,學生通過擠壓氣球、掰斷粉筆、捏橡皮泥等實驗,知道了“力能使物體發生形變”,此時出示錐形瓶,問道:“用手指捏錐形瓶外壁,錐形瓶有沒有發生形變呢?”,“看不出”、“應該有吧”,學生難以確定。教師啟發道:“錐形瓶的形變很細微,很難直接看出,我們有哪些辦法使它的形變清晰可見?”冷場一會兒后,一位學生說:“在瓶中倒滿水,若錐形瓶受擠壓發生形變,水會溢出來。”受此啟發,在討論中最后形成方案:將錐形瓶裝滿水、密封,再插入一根很細的玻璃管,用手指擠壓瓶壁,玻璃管內水柱可能會上升。演示后,師生一起總結:利用水的流動性,借助內徑很細的玻璃管,將瓶壁的微小形變轉化并放大為水柱的明顯升降。在這一教學過程中,通過對有沒有形變的猜測、使形變由不易察覺轉換為顯而易見的討論,學生自然而然地體會到了“轉換”的思想和“放大”的方法。

又如,在教學“光合作用的過程”時,讓學生直接對教材中的實驗方案進行評價:為什么要將一片葉子的一半遮住?而不將全部遮光的葉片與另一未遮光的葉片進行比較呢?通過評價與討論,學生發現了這樣做的好處:選擇同一片葉片可以使除了有無光照這一因素不同之外,其余的情況都是相同的,避免因條件的差異而引起實驗結果的偏差。在這一過程中,學生雖沒有說到“控制變量法”,但事實上已利用了變量控制思想,并能粗略地感知通過對變量的控制可以使實驗朝著研究的方向發展。看來,我們可以引導學生直接對現成的方案進行評價,在評價中體悟實驗的思想方法。

當然,我們也可通過實驗科學史的介紹、科學大師們精妙實驗的再現等多種方法,讓學生感知實驗的思想與方法,領悟永恒的科學精髓,實現實驗教學功能的提升。值得注意的是,在進行思想方法培育時,我們要努力在實踐中“滲透”,少做方法的“說教”。

二、質疑實驗方案

質疑行為是經過獨立性思考、批判性分析的思維結晶,質疑精神正一步步承載并推動著社會的發展。實驗方案是對實驗的系統預設,往往包含著確立一定的理論假設、選取相應的實驗器材、擬定具體的操作步驟等過程。在實驗教學時,從方案的設計過程出發,從方案的科學性、可行性等角度入手,引導學生對實驗方案進行質疑,有利于學生養成“不迷信書本、不盲從權威”的品質。質疑時間既可在方案設計時,也可在實驗進行后,視具體情況而定。

例如,在“質量守恒定律”的教學時,為測出反應前后的質量,引導學生設計相應實驗裝置,當師生一起設計出了如教材所示的實驗裝置后(見下圖),由于設計過程中的習慣性質疑,教師也讓學生對方案的可行性進行最后的討論,一些學生提出了質疑:1、用細鐵絲去引燃白磷,若塞橡皮塞的動作不夠迅速,由于白磷燃燒會使氣體膨脹,一部分氣體會跑出瓶外,導致實驗的不準確;2、錐形瓶中空氣的質量是很少的,白磷、瓶中氧氣兩者反應的質量可能會少于天平的感量,其結果不能讓人信服。經過又一番討論,學生對實驗方案又進行了優化:為避免氣體泄露,建議不用細鐵絲引燃,改為將錐形瓶放在石棉網上加熱點燃;為感知量的微小變化,建議使用更精密的天平。

又如,在探究“影響酶催化作用的因素”時,教材中的方案為:內裝2毫升1%淀粉溶液的試管分別置于60、10和37℃左右的水中,5分鐘后分別注入1毫升新鮮的淀粉酶溶液,再過5分鐘后各滴入1滴碘液,然后觀察顏色變化情況。依照教材方案實驗后,讓學生圍繞“方案是否科學”進行討論,有學生質疑:由于在整個實驗中都用同一種淀粉液,實際上已經預先設定了PH值,其得出的在37℃時酶的活性最好只能說是在某一個PH值時是這樣的,卻不能說在任何PH值下都是37℃時的酶的活性最好。面對這一意外而合理的質疑,我鼓勵大家重新設計實驗方案。經過討論,學生設計了如下表所示的實驗方案。該方案體現了溫度和PH值的相互關系,可以看出他們能全面地看待影響某一事物的多種因素。

也許,學生的質疑可能比較膚淺,設計不一定完美,但只要我們持之以恒地加以引導和鼓勵,也會有利于質疑習慣的養成、批判性思維的培育、科學素養的提升。當然,要引導學生學會質疑,教師首先要善質疑、會質疑、懂質疑。

三、研究實驗技術

技術是人類文化史上較早出現的一種文化活動,能為科學的發展提供有力的支撐。每一項實驗技術,看似普通,細而推之,往往又是精巧而獨特的,追溯、演繹技術的誕生過程,還會發現其中蘊含著豐富的教育資源。如伽俐略的“斜面”,看似信手拈來,其實獨具匠心;以此達到“沖淡重力、放大時間”的目的,從而克服了當時測量工具精度不高的局限,取得了一系列富有前瞻性的成果;托里拆利用一端封閉的玻璃管和水銀測出了大氣壓強;借助彈起的乒乓球觀察音叉的振動……在實驗教學過程中,讓學生體會實驗技術的奧妙、蘊含的人文精神,利于全面提升學生的科學素養與創造能力。

又如,在教學“影響電阻大小的因素”時,先讓學生猜測、設計方案,與學生一起按教材利用不同規格的電阻絲進行實驗,得知導體的電阻大小與材料、長度、橫截面積等因素有關。在此基礎上,出示一根細鐵絲和幾個帶導線的金屬夾,讓學生討論“只用一根細鐵絲能否驗證導體長度對導體電阻的影響”;大家很快想到了辦法:將金屬夾夾在細鐵絲的兩端,移動金屬夾改變接入電路的細鐵絲長度;此時教師追問:“能否用一根細鐵絲驗證導體橫截面積對電阻的影響”;經過短暫的冷場后,有個別學生提出:將細鐵絲彎折成兩股,比較在相同長度下,一股細鐵絲與兩股細鐵絲的電流大小的關系,即通過改變股數實現橫截面積的變化。

在上述實驗教學過程中,通過對影響電阻大小因素的器材替換的探討與演示,以不同的實驗器材達到了相同甚至是更好的效果,為理解滑動變阻器原理作了自然的鋪墊,拓寬了學生的實驗思維,延伸了學習的領域。可見,對實驗技術進行適當的研究與提升,可謂益處頗豐。當然,如何適度地組織學生進行技術設計、操作實踐,我們需根據學生水平、實驗技術難度等因素加以確定。

四、拓展實驗問題

好奇是人之天性,問題是科學的源泉。陶行知先生曾說:“發明千千萬萬,起點是一問。”愛因斯坦也指出:“提出一個問題往往比解決一個問題更為重要,因為解決問題也許僅是數學上的或實驗上的技能而已,而提出新的問題、新的可能性、從新的角度去看舊的問題,卻需要創造性的想象力,而且標志著科學的真正進步。”因此,在實驗過程中,當學生驗證了他們的猜想或解決了心中的疑惑后,如果此時將問題延續或引導學生提出更廣、更深的問題,對學生積極主動地探索未知世界,發展思維、鍛煉能力可能會有更大的幫助。

例如,在進行“聲音的傳播”教學時,當學生體驗了自制“土電話”能傳聲后,讓學生針對影響傳聲效果的因素,提出可進一步研究的問題。學生在相互啟發下,不斷地提出了新的問題:線的長短有沒有影響?線的材質有無關系?線的粗細會不會影響?線的股線是否有關?紙杯的大小是否有關?……在不同角度的問題出現后,再讓學生對問題進行分類,布置課后研究任務。

又如,在探究“為什么在路面撒鹽可以阻止水結成冰”的活動中,學生通過實驗發現了其中的奧秘,不少學生就大膽設想:如果往水里加糖會不會有同樣的效果?加酒精又會如何?還有沒有比鹽更好更經濟的材料呢?學生很樂意也很主動地投入到他們感興趣的研究之中。

再如,一些實驗的失敗之處或存在缺陷的實驗過程也可以成為拓展實驗問題的有利契機,教師不必次次將實驗做得完美無缺,有時可故意出現一些“錯誤”,給學生的問題激發留一些空間。如“鐵絲在氧氣中燃燒”實驗,瓶底故意沒有鋪一層細沙或導入一些水,導致實驗結束后,集氣瓶底被炸裂;在“氫氣還原氧化銅”的實驗中,在實驗結束時,先停止通氫氣,過一會再移酒精燈,結果生產的紅色銅又變成了黑色的氧化銅。

在實驗教學過程中,可以針對實驗器材、操作步驟、異常現象、實驗結果等要素,引導學生提出進一步研究的問題。值得注意的是,要讓學生延續問題,不斷發展提出問題能力,教師除了提供各種促使問題得以延續的機會外,還要注意保護學生的問題意識,不論問題的質量如何,教師都要積極地善待、鼓勵學生,讓他們能持續地保持著對探究的好奇心。

總之,在實驗教學過程中,通過提煉實驗思想、質疑實驗方案、研究實驗技術、拓展實驗問題,在一定程度上能挖掘實驗功能,提升實驗教學效益,為學生科學素養的全面發展提供幫助。值得注意的是,在進行實驗教學提升時,我們要力求有的放矢、切合實際,切忌面面俱到、隨意提升;此外,課前還需充分預設、系統規劃。■