學生實驗作業單的設計與使用研究

張瑞珺

(上海市徐匯區康寧科技實驗小學，上海 200235)

學生實驗作業單的設計與使用研究

張瑞珺

(上海市徐匯區康寧科技實驗小學，上海 200235)

小學自然學科領域著重于培養學生的科學素養，自然學科課程是促進學生全面發展的重要基礎課程。實驗教學是自然學科教學中非常重要的一個部分。然而，當前的課堂實驗教學并沒有起到應有的作用。文章從現今自然學科教師在實驗教學中遇到的問題出發，經過分析與診斷，發現學生實驗作業單對學生在課堂實驗教學中的表現起到良好的作用。于是對學生實驗作業單的設計與使用展開研究，并通過表現性評價驗證其價值。

小學自然學科；科學素養；實驗教學；學生實驗作業單

一、研究背景

小學自然學科領域著重培養學生的科學素養，旨在通過科學探究活動的基本過程和方法，使學生建構關于科學知識與基本技能的概念，同時激發學生對科學的興趣與情感，養成科學的態度與自然觀。[1]

兒童認知發展理論領袖皮亞杰指出，兒童建構相關認知結構與其年齡特點有關，且遵循發展規律。他指出，兒童對周圍環境中物體的實際操作和感知是其建構相關認知結構的關鍵，此處的認知結構是指人類心理的動態機能，是一種對外界環境信息進行整理、歸類、改造與創造的功能。[2]因此，自然課堂中，符合學生認知發展特點的實驗教學對學生建構科學知識與基本技能的認知結構起到重要作用。然而，筆者在長期的教學中發現，課堂實驗教學并沒有起到應有的作用，學生往往不理解實驗的目的，從而不能將“所學”在生活中進行“活用”，甚至有在教師演示實驗后學生短時內便忘記一些關鍵實驗步驟，導致課堂實驗失敗的現象存在。

通過長期對課堂實驗的研究，筆者對產生這一現狀的根本原因進行分析與診斷，并不斷嘗試解決方案。實踐過程中發現學生實驗作業單能有效地解決現存問題，使學生學會主動學習，順利建構科學知識與基本技能的認知結構。

依據皮亞杰兒童認知結構的發展理論，小學生的認知階段正處于具體運算階段，這一階段的兒童對事物的認知正由表象轉為內在，即從具體思維向抽象思維發展，但正因為處于過渡發展時期，在其抽象思維活動的時候更需要具體內容的支持。[3]對于過程較復雜、關鍵點相對較多的實驗，教師課堂中通過純粹的實驗演示經常達不到所期望的效果，這便是學生認知發展過程中具體思維向抽象思維過渡時發生脫節的緣故。在實驗作業單的使用過程中，學生通過閱讀、思考、研究、質疑、分析、嘗試、討論、試誤等方式，在潛移默化中幫助其形成抽象思維，從而構建相關的認知結構。

此外，美國佛羅里達大學心理系教育心理學家羅納德·G·古德，以皮亞杰的認知結構發展理論為基石，與兒童科學的學習及概念形成相結合，對學生在科學課中概念的形成進行研究，加以剖析后發現，教師幫助兒童建構科學概念的認知結構時遇到了制約因素，其中最重要的是：其一，概念學習與其年齡對應的認知發展水平關系密切；其二，直接的口頭教授對加速兒童的認知發展作用甚微。同時，在對課堂的研究中羅納德將教師歸結為5種角色：演講者和問題的回答者；討論的引導者；活動的指導者與評價者；活動的推動者；研究的共同參與者。并且在研究中發現當教師作為活動的推動者或是研究的共同參與者時，這些制約因素便能夠得到改進與協調。[2]但是，現今小學自然教師通常以前三種角色出現，從而導致學生在構建科學知識與基本技能的認知結構時遇到阻礙。

通過學生實驗作業單，完全將“學習過程 ”的主動權交給學生，教師從課堂的引領者轉變為學生活動的推動者與實驗研究的共同參與者。同時，從與學生年齡相應的認知水平出發對實驗作業單進行反復的設計，使用后學生的理解、分析與發現問題的能力，以及主動思考與共同分享的習慣都獲得了全方位的提高。

二、學生實驗作業單的設計

作為活動的推動者，教師并非退出課堂，而是將其作用隱性化。學生實驗作業單的設計便是教師推動整個教學實驗活動的關鍵任務。皮亞杰建構主義理論認為，認知的建構是通過同化與順應兩種方式進行的。所謂同化，是指兒童將環境中的信息吸收并與已經存在的認知進行整合的過程；而順應則是當兒童原有的認知結構不能適應環境的要求時，需要改變原有的認知結構以適應環境的過程，使自身的認知獲得質的變化。[2]

因此，實驗作業單不但要使學生知道整個實驗的操作過程，達到同化的作用。又要具備使學生產生質疑的關鍵點，達到順應的作用。通過兩者的平衡，建構學生新的認知結構。

筆者經過多番嘗試，發現實驗作業單需要包含以下幾項內容：

1.實驗內容標題。讓學生知道即將進行的實驗研究是什么內容，使其有目的地去參與實驗作業單的研究。

2.實驗器材。處于具體運算階段的兒童，在進行思維時，依舊需要借助具體實物的幫助，實驗器材能夠幫助兒童從具體思維向抽象思維發展。

3.操作步驟及相對應的操作要點或者設立顯性思考提問。羅列簡明清晰的操作步驟，使其明白整個實驗的過程，并且給予相對應的操作要點或需要思考的問題，初步介紹建構實驗的概況，讓這些基本的操作流程同化于學生的前概念。

4.隱性思考的留白。教師不必說明每一步實驗操作。在實驗作業單中需預留一片思考的空間給學生，讓其自己主動產生質疑、引發思考，這便是順應的過程。

5.實驗記錄。實驗完成后需要依據實驗現象完成相關的記錄，記錄的內容應根據實驗內容有目的地設計，使其明白觀察的目標是什么，從而強化實驗目的。

6.實驗結論。實驗的結論可以多樣化，主要是讓學生能夠通過對現象的分析，以及在作業單的幫助下獲得本次實驗研究的結論。

實驗作業單通過以上全部或部分內容，讓學生知道做什么、怎么做、為什么這么做，從而對其建構相關的科學基本知識及技能的概念起到作用。

在對實驗作業單設計的研究過程中，筆者發現對學生學習中不同的需要，大致可以將實驗作業單設計為兩類：操作型實驗作業單與設計型實驗作業單。并且，每一份實驗作業單都經過初步設計、反復多次的實踐研究與修改才最終定稿。例如《物質溶解量的多少》中的實驗作業單(見圖1)，即為典型的操作型實驗作業單。

圖1 《物質溶解量》實驗作業單

這張實驗作業單包含了以上6個部分，實驗讓學生研究不同物質在等量水中溶解量是相同還是不同，其中等量水已提供，學生需在其中加入差不多量的糖或鹽，因此實行用勺子取后刮去多余物質的操作，作業單的操作步驟與要點都清晰羅列，文字淺顯易懂，學生閱讀都基本沒有障礙。同時，又在每一個步驟中留下思考的空間：為什么要刮？怎么刮？何時能加下一勺？如何記錄？如何統計？等等。這些都是給學生隱性思考留白的地方。通過對留白處疑問的逐一解決，使學生徹底了解實驗的每一個步驟為何這么做，提高實驗的成功率，建構學生的科學概念。

最初的實驗單并沒有達到最終需要的效果。原始實驗作業單中，只提到每一勺的量要一樣，并沒有告訴學生可以使用塑料片，學生會產生抖一抖的方式，甚至在研究時不去使用塑料片，又或者教師直接提出塑料片的作用是什么，這對于達到學生的主動學習的目的效果就不明顯。因為在他們需要思考的時候，實物與思維之間沒有進行銜接，學生沒有形成內在的思維。因此對作業單進行重新設計，經過不斷嘗試與修改，最終達到所需的效果。

設計型實驗作業單是讓學生在熟悉舊知識的前提下，在經驗的基礎上過渡到新的知識領域。這類實驗作業單可以用兩種方式呈現，一種是針對實驗步驟設計的作業單，由于學生認知發展水平的局限性，學生不能夠寫出清晰的實驗步驟，因此教師先將可能涉及到的實驗步驟先以亂序的形式呈現于實驗作業單，學生根據自己已有的認知進行判斷并正確排序后，再根據正確的實驗操作步驟進行實驗。例如《沙溫的變化》中測量沙溫的變化實驗作業單(見圖2)就使用了此方法，學生在水溫變化實驗的認知基礎上對其展開研究，獲得了較好的學習效果。

圖2 《沙的溫度變化》實驗作業單

另一種方式是對裝置的設計，在此處教師需先給予學生相應裝置的簡圖或者符號，便于學生畫出裝置的設計。教師應注意不給學生在畫圖上造成障礙，以阻礙學生科學認知的構建。如《小電珠的串聯與并聯》的實驗作業單中(見圖3)，學生在前一課時已知簡單電路連接及電路元件符號的基礎上，對能同時點亮兩個小電珠的電路進行設計，讓其形成內在語言，幫助對知識的構建。

圖3 《小電珠的串聯與并聯》實驗作業單

三、學生實驗作業單的使用與指導

美國科學教育專家蘭本達教授認為：如果一切知識是權威者給的，是自上而下的，那是封建思想，學得了這般知識的同時，也繼承了封建思想。她主張讓學生主動去尋找，知識是學生通過自身的努力而獲得。教師不應把現成的結論告訴學生，這是她自己教學的“信條”。[4]學生實驗作業單的使用便把學習主動權還給學生，提升學生的閱讀分析、理解與綜合探究能力。

1.利用操作性實驗作業單，提升學生閱讀分析能力

實驗作業單的作用是使學生自主學習的內在動力被激發，實驗的成功率提升。使用過程中，讓學生通過個人閱讀、擺弄器材——發現問題；小組討論、教師指導——解決問題；知曉步驟、動手實踐——完成操作。

如一堂研究課《物質溶解量的多少》(見圖1)，教學目標中有一點是讓學生通過實驗、比較等方式，知道不同物質在水中溶解的量是不同的。學生主要通過對實驗作業單的研究自主學習，完成實驗。教師從任務的引領者成為活動的推動者。學生先自行閱讀實驗作業單，討論實驗的做法及注意點，從中提出疑問，小組內互相嘗試解決，總結無法解決的疑問進行全班討論。教師在學生研究后，與學生共同研究疑問并提出針對性的問題，以發現學生對實驗的掌握程度。

教師在試教過程中，須針對學生對本次實驗作業單使用的情況，進行二次設計。第一份實驗作業單中，只提到每一勺的量要一樣，并沒有告訴學生可以使用塑料片。在修改時，將塑料片的使用顯性化，引導學生思考它的作用，嘗試它的用法，達到主動學習的效果。作業單不是給學生故意留難題，而是教師推動學生學習的媒介，所以既要保證理解的順利性，又要確保之后思考的空間。

又如，五年級《空氣的成分》這堂課中，教師在實驗器材中添加一塊玻璃片。學生在閱讀實驗作業單時，發現教師提供的器材和書本上器材不同，提出質疑。教師通過分析讓學生明白玻璃片的使用能使實驗效果更明顯，能提高實驗成功率。

《水的壓力》這節課對操作性實驗單又有了新的改進(見圖4)。三年級的學生不具備實驗設計能力，小學階段又有大量的比較實驗。教師在設計實驗作業單時把實驗準備部分的“操作要求”改成“操作與思考”。希望學生通過思考與討論了解比較實驗中如何控制變量。同時，教師讓學生在實驗前先有個思考的過程，“為什么要這樣做？這樣做的目的是什么？”學生在閱讀時邊思考、邊分析原因，了解這樣做的道理，學會了舉一反三。

圖4 《水的壓力》實驗作業單

操作性實驗任務單的使用，讓學生自己對學習內容進行解析、消化，使學生由被動接受變為主動思考。這將激發每位學生分析問題和解決問題的熱情，使之真正成為課堂的主人。

2.利用設計性實驗作業單，提升學生綜合探究能力

設計型實驗作業單不同于操作性實驗作業單。它不再向學生細細說明實驗操作步驟，但是學生能夠根據教師提供的材料與結果的提示性語句設計出相關的實驗步驟，這對學生設計實驗的能力是一個提高的過程。同時材料的限制與提示的結果，又不會讓學生的設計“跑題”，這也對教師設計實驗作業單的另一種挑戰。

如三年級研究《沙的溫度變化》實驗(見圖2)，由于他們剛剛進入中年級階段，實驗能力相對較弱。要他們完整地寫出每個實驗步驟有一定困難。教師在指導這類實驗時以學生的已有認知《水的溫度變化》為基礎，提升實驗要求。讓學生模仿《水的溫度變化》操作步驟設計實驗。教師在設計實驗作業單時準備了許多實驗器材、步驟供學生選擇，大大降低設計難度，為學生順利完成實驗打下基礎。

又如，在《水的旅行》一課中，教師利用設計型實驗作業單讓學生以畫一畫的方式“模擬水循環”。在設計前，先讓學生明白高、中、低空的溫度差異，學生有了知識和能力基礎后，再啟發學生用畫的方式，呈現實驗裝置圖。學生邊設計邊思考，這些材料可以模擬自然界的什么環境，接著帶領學生研究他們的模擬裝置是否合理，最后，用實驗進行驗證。

通過兩種類型的實驗作業單可看出，教師面對不同的教學目標，應采用不同形式的實驗作業單從而培養學生不同方面的能力。其所達到目標，往往要比教師單純講授效果好。

四、學生實驗作業單使用效果的評價

對于學生實驗作業單的使用效果，采用表現性評價方法，它是在對傳統的學業成就測驗批判的基礎上發展起來的，或者說通過學生自己給出的問題答案和展示的作品來判斷所獲得的知識和技能。因此，我們可以看出表現性評價不僅評價學生“知道什么”，更重要的是評價學生“能做什么”；不僅評價學生行為表現的“結果”，更重要的是評價學生行為表現的“過程”；不僅評價學生在課堂中的表現，更重要的是評價其在模擬真實或完全真實的情境下的表現。

此次評價選擇了大型、中型、小型三所公辦小學的三年級學生共230位參與。評價過程如下：

1.每所學校參與評價的學生以班級為單位，分為2組，一組為實驗組，一組為對照組。

2.每所學校由同一位教師進行教學指導。

圖5 《探究空氣壓力的方向》實驗作業單

3.為了最終測評能順利開展，在測評前2個星期，教師進行了“探究空氣壓力的方向”(見圖5)及“用量筒量取8毫升的水”(見圖6)這2項實驗的學習。其中對照組，在2項實驗操作過程中，沒有實驗作業單的布置，采取了講師講學生做的傳統教學方法；實驗組則在實驗時，自主學習實驗作業單，學生可以就實驗作業單中的不清楚或容易產生疑惑的內容進行提問，通過教師和學生之間的互相交流，了解實驗操作的正確方法，最終完成實驗的操作。2個實驗在一星期內完成操作。

圖6 《用量筒量取8毫升水》實驗作業單

在這兩項實驗當中，主要讓學生通過操作了解如何用小燒杯往玻璃杯內加滿水；量筒使用時，如何正確讀數等。

4.為了保證實驗的公平有效性，根據艾賓浩斯遺忘曲線的規律，[5]考核在2個星期后進行。考核的內容如圖7所示：

用排水法測量橡皮的體積實驗作業單實驗器材：水槽、量筒、塑料盒、小燒杯、玻璃片、集氣瓶、橡皮、抹布實驗要求：在集氣瓶中裝滿水，并蓋上玻璃片，要求水中無氣泡。將裝滿水的集氣瓶放入塑料盒中。小心的移去玻璃片。將橡皮輕輕放入集氣瓶中。將玻璃片蓋在集氣瓶上，并將集氣瓶從塑料盒中取走。將塑料盒中的水倒入量筒中，讀數并記錄。完成實驗記錄。實驗記錄：我測得塑料盒中的水的體積為 毫升，等量對換，因此我測得的橡皮的體積為 立方厘米。提示：1毫升=1立方厘米。

圖7 考核用實驗作業單

在準備實驗器材的過程中，水槽里的水量，需低于玻璃杯橫過來的高度，使學生意識到需要用小燒杯往玻璃杯中加水，并要求水中無氣泡。塑料盒則為一次性塑料飯盒。

考核標準如下表1：

表1 用排水法測量橡皮的體積實驗評價表

這是結合之前2項實驗中的內容而設計出的綜合實驗評價表。可以看到，取水中的第一項考核項目，往玻璃杯中倒水及量筒的使用，在之前的2個實驗中已經學習過，學生將在已有的實驗操作基礎之上，根據實驗作業單的內容，完成測評。這樣不僅降低了考核的難度，同時更能體現出經過2個星期，在不同的教學方法學習后，哪一種教學方法更能使學生將實驗掌握得更好。其中主要的考核點為能用小燒杯往玻璃杯中加水及讀數正確。在讀數正確方面，因為在操作過程中的差異性，教師檢查學生的讀數準確即可。

表2為本次考核的最終單項及總分的得分率對比。其中實驗組為122人，對照組為108人。

表2 用排水法測量橡皮的體積實驗評價表

圖8

從上表中，我們可以看出，單項操作方面及最后的總分，實驗組及對照組的得分率不相上下，這說明兩組學生由于之前的2項實驗操作的學習，致使學生的前概念水平差不多，遺忘程度也相差無幾。

在單項方面，有些項目，如往玻璃杯中倒水，放橡皮的得分率要遠高于與量筒的使用相關的得分率，這也足以說明，在日常實驗教學中，量筒的使用頻率較低，學生較少用到量筒，而用燒杯加水及放橡皮，一是難度較低，二是經常使用，致使這2項的得分率遠高于其他幾項。

從整體來說，在大部分項目中，實驗組的得分率稍高于對照組，特別是在按序操作及讀數正確這2個項目中，得分率要高于對照組。因此，通過實驗作業單訓練的學生，在實際的操作過程中，有序性及準確性較高。這些學生在測評中，拿到實驗作業單后，能靜心閱讀作業單上的內容，看完整了后，再按照作業單的要求一步步進行實驗操作，而沒有接觸過實驗作業單的學生，在操作過程中，則稍顯隨意，有一些是看一步做一步，遇到困難，甚至會打亂操作步驟，比如有些學生看的時候不仔細，將塑料盒中收集到的水直接倒入水槽中，而不是量筒中，致使實驗無法進行下去，也有一些按照桌面上的實驗器材，有什么做什么，有序性及準確性較差。

從以上的數據來看，實驗作業單的設計與使用有提高的空間，如果在教學過程中，能長期堅持實驗作業單的教學，改變實驗學習的方法，特別是在設計實驗作業單的時候，教師能適當留白，隱藏某些關鍵的操作點，引發學生在閱讀過程中的疑問，那么學生在閱讀能力、質疑能力、操作能力等綜合能力方面肯定會有長遠的進步。

[1] 上海市教育委員會.上海市小學自然課程標準(試行稿)[S]. 上海：上海教育出版社, 2004.

[2] 羅納德·G·古德.兒童如何學科學——概念的形成和對教學的建議[M]. 北京：人民教育出版社, 2005.

[3] 霍德華·加德納.智能的結構[M]. 杭州：浙江人民出版社, 2013.

[4] 蘭本達, P.E.布萊克伍德, P.F.布蘭德溫.小學科學教育的“探究——研討”教學法[M]. 北京：人民教育出版社, 2008.

[5] 盧家楣, 魏慶安, 李其維. 心理學[M]. 上海：上海人民出版社, 2004.

Research on Design and Use of Experiment Homework Sheet

ZHANG Ruijun

(Shanghai Kangning Tech Experimental Primary School in Xuhui District,Shanghai 200235)

The task of science courses in primary school is to raise the primary students’ science quality and to improve their comprehensive development. Experiment teaching is an important part of science teaching. But the role of experiment teaching has not been understood yet. From the problems met in experiment teaching, the author notes that the experiment homework sheet has positive effect on students’ performance in experiment teaching, then he assesses its value by performance assessment.

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張瑞珺，上海市人，上海市徐匯區康寧科技實驗小學高級教師，主要從事小學科學教育研究。