改進課本活動設計 滲透科學本質教育

朱宗秋

1問題提出

每一個科學老師都必須思考一個問題：什么是“科學本質”.隨著課改深入，越來越多的問題暴露在課堂中：以講代學，不重視實驗活動設計，照本宣科實驗過程;用驗證性實驗代替探究性實驗設計等.隱藏在這些現象背后更深層次的問題是教師并未理解科學本質，甚至把一些違背科學思維方式的東西推舉為精彩、成功的科學課.事實上科學知識容易掌握，而掌握科學思維方法，理解科學性質，比知識的傳授與掌握，要困難的多.縱觀如今的科學教學，依然存在以下問題：

1.1重視實驗器材及具體方法改進，忽視實驗設計整體把握

很多圍繞實驗展開的課堂改進都是強調對實驗器材的改進，增加實驗的演示清晰度等，如我們見過的許多以實驗為主題的教改論文.而對于實驗設計的整體設計，例如實驗中體現的科學邏輯，從假設到假說再到科學理論所需要的遞進實驗設計等重視不足.

1.2實驗過程缺乏嚴謹，科學性體現不夠

科學教師都知道，嚴謹的科學實驗必須控制變量.中小學一般采取單因子控制方法.教師不僅要幫助學生具有控制變量的意識，還要幫助學生具有控制變量的能力.但在許多實際的教學中，往往流于空洞的語言描述，并沒有真正引起師生的關注.再如，實驗必須通過觀察得到結果，而觀察具有易錯性，重復實驗非常有必要.課堂中，許多教師往往目標單一，即進行驗證性實驗，獲得實驗結果.為了節約時間，提高所謂課堂“效率”，忽視重復實驗.這實際上嚴重削弱了實驗的科學性.而取消了重復設計的實驗，往往也是不完整的實驗設計.

1.3實驗目標功利，未能充分體現實驗教學價值

許多教師的實驗教學目的，僅是要求學生學會使用儀器，掌握儀器的操作技能;再有用它來驗證已學過的知識;或者通過一次兩次的簡單實驗，便要求學生推導出更多具有普遍意義的科學結論，并由此作為契機，要求學生掌握該知識點，通過大量練習，對該知識點進行強化和應用.這體現的仍是以應試為目的科學教學觀.實驗活動的重要目的應是使學生學會和掌握實驗的方法和思想.它應該是引導學生掌握科學認識過程，進行科學方法教育的重要手段和途徑.

2優化策略

在提出優化策略之前，我們先要了解什么是科學性質.最早對此進行研究的是培根.他認為“科學就是推理加經驗”，一旦被確定的科學知識就是絕對的真理.但后來的研究者并不認同這一點.美國實用主義哲學家教育家杜威認為，科學本質是探究過程或科學推理的方法.科學教育家施瓦布也拒絕傳統科學教學中的內容崇拜，認為它將導致“浮夸的結論”，給學生強加了一種科學是“不折不扣與不可更改的真理的虛假印象”.現代科學哲學觀則認為科學的過程是證偽的過程，是在尋找錯誤的過程中不斷逼近真理的過程，而不能達到真理.科學知識在本質上是一種猜想的知識，它是大膽的假設.

綜上所述，探究和推理是科學的核心.科學課堂最重要的是引導學生掌握科學的方法，嚴密的探究與推理過程，而決非是對已有知識的崇拜.

筆者針對當前科學課堂現狀，提出了以下優化策略.

2.1明晰假設、假說和科學理論的區別和過程

假設和假說是不同的概念.但許多人并未真正理清兩者的關系.假設是科學假說的萌芽，是對所研究的客觀事物的本質和規律提出的一種初步的設想，并沒有得到進一步的升華和完善;而科學假說則是假設的驗證結果，已經升華為理論形式了.雖有著作把它們解釋的近乎通義，但從哲學認識論和科學方法論的視角來看，兩者還是有較明顯的區別.一般而言，科學理論的建立需要經歷以下轉化過程：

案例1水電解的實驗設計

思考：水循環是化學還是物理變化？

猜想：水電解可能是化學還是物理變化.

假設：水電解是化學變化.

第一次電解水實驗：

（1）學生觀察并記錄.

（2）進一步實驗：用帶火星的木條靠近正極所在的玻璃管.觀察.點燃負極所在玻璃管的氣體，觀察.

（3）整理實驗現象與數據，進行初步分析與歸納.

建立科學假說：水電解是化學變化，產生氫氣和氧氣，二者體積比接近2∶1.

第二次電解水實驗：

（1）請四位同學再次上臺進行實驗.記錄.

（2）再請一位同學檢驗左右管中產生的氣質性質.發現依然為氫氣和氧氣.且產生兩者電極不變.仔細分析實驗數據，發現兩者體積比為2∶1.

初步建立科學理論：水電解是化學變化，正極產生氧氣，負極產生氫氣，兩者體積比為2∶1.

在水的電解實驗中，課本只有一次驗證性實驗設計，學生也可得出水電解發生化學變化產生氫氣和氧氣的結論.整個實驗僅有驗證已有知識的作用.改良后，則引導學生明晰了科學理論建立的一般過程.當然這種課堂上驗證性的實驗過程，距離科學家得到科學結論的研究過程還有較大差距，但在此過程中引導學生初步明晰了假設、假說和科學理論的區別，培養了學生嚴謹、認真的科學態度.

2.2注重銜接，完善從“定性”到“定量”的研究過程

定性的描述與定量化處理都是科學研究的必要手段.科學觀察不一定使用定量的方法，但定量是定性的后一階段、高級階段.小學階段已經初步建立了精確測量的概念，精確測量的技術卻應該在初中以后加強.引導學生建立從定性到定量、從粗略到精確的實驗設計思想，是初中科學教師的重要任務.

案例2物體所受浮力大小與其排開體積有關的實驗設計

定性實驗設計：請學生人手準備兩個完全相同的塑料飲料瓶.一個保持原樣，一個壓扁.將它們分別壓入水中.如圖2、圖3所示.這兩種情況下，把瓶子壓入水中所需要的力是否相同.

建立假設：浮力的大小與排開液體的體積有關.

定量實驗設計：

（1）取一物塊，測出物體在空氣中所受重力

（2）在溢水杯中裝滿水，測出物體在水中所受重力

（3）量筒放在溢水杯下部，測量該物塊排出水的體積.將數據記錄到表格中

（4）換另外兩個物塊，重復以上實驗過程.并將數據結果記錄到表格中.

實驗記錄表格：

在第一步定性實驗中，學生通過親身感受知道了物體所受浮力應與物體浸入到液體里的體積（V排）有關.這時第二步的設計即為明確兩者具體關系.目標明確思路清晰，設計起來就容易多了.而一次實驗只能得出一組數據，無法說明兩者的關系，只有經過多次實驗后得到多組數據結果，實驗性質自然就從定性過渡到定量了.初中以后，定量實驗越來越重要，教師把握好從定性到定量的過程，不僅可以讓課堂過渡的更加流暢，更重要的是幫助學生建立科學思維，明確科學研究過程.

2.3變量控制應具有精準、明確的可操作性

嚴謹的實驗需要對其操作或者測量下操作性定義，即：科學的、可觀察的、可測量的、可操作的、可重復的.

科學實驗必須注重變量控制.但在具體設計過程及操作過程中，許多老師往往一語代過.學生本來就對實驗不熟悉，動起手來就糊里糊涂，什么情況都會出現.如在探究液體蒸發快慢可能與液體溫度高低有關時，教師會強調：我們僅要改變的是溫度這個變量，其它的量需要保持不變.請同學們各滴1滴酒精到玻璃板上，分別攤開的面積要接近相同.但是學生實際操作中，他們并不能判斷自己滴的面積是否相同;或者即使面積接近，液滴的高度不同，液滴的量其實也不相同;且一滴的液量也并不足以得出明確的實驗結論.

案例3影響液體蒸發快慢的因素實驗設計中的變量控制

（1）液體表面積大小影響液體蒸發快慢.

取如圖4所示玻片，上固定好一大一小兩個橡皮圈，同時滴進3滴液體，將其攤勻.記錄兩圈中液體蒸發速度.

（2）液體溫度高低影響液體蒸發快慢.

取如圖5所示兩張玻片.上面分別固定相同面積的兩個橡皮圈.同時滴進3滴液體.將其攤勻.一張自然蒸發，一張通過酒精燈加熱，觀察并記錄圈中液體的蒸發速度.

（3）液體表面空氣流動速度影響液體蒸發快慢（設計同上）.

上圖設計非常簡單，但也非常巧妙.經過這樣清晰明確的控制變量操作，學生切切實實地理解了什么是控制變量，又如何控制變量.故此設計雖簡單，但效果很好.對變量控制的實驗設計，更加考較執教者的心思.

2.4正視重復實驗的必要性

在前面的實驗中，不止一次地出現了重復實驗的設計過程.在問及為何要重復實驗時，多數學生會回答：減小誤差，避免偶然性.但實際上重復實驗不僅僅是為了避免偶然性或者多次測量取平均值，它最重要的作用是尋找普遍規律！但凡通過實驗得到的科學理論，都必須滿足一條重要的科學性質：可重復性.所以在課堂中必須使學生明白重復實驗最終目的：尋找普遍規律.

新課改教育目標的初衷是“全面提高每一個學生的科學素養是科學課程的核心理念.”筆者認為，對于科學實驗，最終應該立足于實驗的教學價值，回歸科學認識過程和科學方法教育.

例如前面所提到的實驗設計案例，這些設計在課堂中會耽誤大量時間，但學生學到知識點很少且難度不大.很多老師會對這樣耗時多掌握知識點少的實驗設計不以為然.但實驗設計的目的并不僅僅是掌握知識，更重要是幫助學生掌握科學研究方法，它具有重要意義：

（1）幫助學生了解科學研究的過程：從假設到假說，再到科學理論.

（2）幫助學生順利從定性實驗過渡到定量實驗.

（3）幫助學生明確變量控制應具有精準的可操作性.

（4）幫助學生強化重復實驗不僅為了減小誤差，更重要是尋找普遍規律.

這種科學研究價值觀的形成與建立，比僅僅進行知識掌握的教學目的，重要且寶貴的多.但這既需要耗費大量的時間和心血，又于短時間內的分數的提高并無明顯益，往往會被忽略.實際上卻極有價值和意義，且可提高的學生的科學興趣與科學思維方法，理解科學本質，最終對學生整體科學素養的提高具有重要意義.身為科學教師，最需要謹記下面這段話：科學實驗作為科學教育的基礎和重要組成部分，它的教學價值不應當僅僅是使學生學會使用一些儀器，掌握一些實驗儀器的操作技能，或只是用它來驗證已學過的知識.它應該是進行科學方法教育的重要手段和途徑.