基于實驗改進的初中科學探究教學有效性探索

孫方軍

摘 要：構建有效課堂是教育科研的永恒主題。初中科學“熔化和凝固”一課中的實驗是較難成功的，改進和優化教材中的實驗就顯得尤為重要，嘗試用“冰和石蠟”代替“海波和松香”進行科學探究，讓學生參與整個探究活動，體驗探究過程的曲折和樂趣，更有效地使他們的智力向更高的層次發展。

關鍵詞：實驗改進；探究教學；有效性

科學課程以提高每一位學生的核心素養為總目標，通過有效的課堂教學，將學生原有的記憶事實再現、轉移、直到深層理解，得出核心知識，同時了解學科知識結構，從而促進學生思維的發展。而科學是以實驗為基礎的一門綜合課程，倡導以科學探究為主的多樣化的學習方式，我們如何發揮實驗的優勢，讓實驗成為學習科學的鋪路石。平時多從學生實際出發，通過各種途徑有效地創設實驗情境，利用一些簡單的實驗器材，設計出更優化的實驗。筆者對《熔化和凝固》中的實驗進行了探索、改進，獲得與會專家和同行的一致好評，現將具體的做法與感悟闡述如下：

一、實驗教學改進的原因

實驗有效教學的基本點要從“學情基礎”和“教材實驗解讀”兩方面開始，這是做好本實驗教學改進的前提。

1.學情基礎

本節課的上課對象是七年級學生，在之前的學習過程中，學生已經接觸熱傳遞及物質三種狀態的相關知識，具備一定的知識儲備。生活中與本節課內容有關的事例很多，學生具備一定的生活體驗，但對具體熔化過程中的溫度變化規律尚欠缺認識，可能還存在物質吸熱必定升溫的錯誤概念，因此實驗教學在這節課中的作用就很重要。

2.教材實驗解讀

浙教版教材通過海波、松香熔化的對比實驗得出“熔化吸熱但溫度保持不變的是晶體，熔化吸熱但溫度持續上升的是非晶體”這一結論是非常困難的。理由如下：第一，若進行演示實驗，則全班學生未直接參與觀測，實驗現象不夠明顯。第二，若組織學生實驗，該實驗對初一學生來說，從下往上固定裝置，水浴加熱，溫度控制及不斷攪拌使其均勻受熱，同時讀數并記錄等操作要求高且繁瑣，大部分學生望而止步，無法很好地保證實驗的成功率。第三，本實驗需要進行水浴加熱，采用酒精燈加熱耗能多耗時久。據測算，海波實驗大概需要十五分鐘，松香熔化四十五分鐘也完成不了，所以根本無法完成對比教學。第四，平時無數次的課堂實驗過程中發現海波熔化時溫度也在不斷上升，根本無法由數據分析對比得出晶體和非晶體這一結論。因此，平時教學中很多老師會通過視頻播放實驗完成這一核心的實驗教學，抑或是老師只是簡單演示一下，可能實驗數據不精準，這樣就違反了科學實驗的實事求是要求，反而起到了不科學的實驗教學示范。

二、實驗教學改進的舉措

如何整合這節課的課程資源，設計并改進實驗，優化教學，提升科學核心素養，創建高效課堂，筆者通過反復實驗，嘗試創新設計解決此實驗存在的困難，發現效果不錯。

1.激發求知欲望

科學課程標準強調通過“從生活走向物理”的理念。在科學教學中，要重視通過情境的有效創設激發學生的求知欲，讓學生通過領略自然現象提取科學事實和問題，培養學生的科學探索興趣，從感性知識的概括上升到科學概念，培養學生初步的收集信息和處理信息的能力。本課的引題是這樣開始的：

同學們，今天老師給大家帶來了一段2008年雪災的視頻，請看大屏幕，待學生看完之后，提問：（1）冬天為什么會下雪？（2）視頻中的積雪成災是因為冰雪沒有及時融化，你有哪些辦法使冰雪快速有效地融化？接下來引導學生討論，學生憑借以往的知識經驗和生活經驗，答案很多，如：用火燒、往冰上撒鹽、往冰上撒煤渣……教師給予肯定并小結：同學們的方法很多，它們都能使固態冰變成液態水，我們將這一過程稱作熔化。

用生活中的最常見事例作為情境，激發學生的興趣和好奇心，由此引出本課課題，成功的拉近生活與科學的關系，調動了學生參與科學探究的積極性，激發了學生的求知欲望。

2.引發認知沖突

科學教學中，引發學生認知沖突對于前概念的轉變具有關鍵意義，因為學生只有體驗到認知沖突，才能感受到已有認知的不足，認識到替換或調整已有認知的必要性。在教學中筆者利用學生課堂生成的資源以及及時質疑引發認知沖突。

先拋出問題：用火燒使冰融化和撒鹽會使冰雪熔化的原理一樣嗎？學生一般能回答出加熱使冰雪溫度升高了融化，而撒鹽是如何實現加快融化，部分學生會以為鹽溶解放熱使冰溫度升高，另一些學生對此會提出質疑。但無法圓滿解決問題，在此基礎上追問：要解決問題，我們就需要了解冰熔化時溫度變化規律——熔化過程中溫度會怎么變化？其他物質熔化時溫度變化規律是否跟冰一樣？

這一環節的教學激發了學生的探究欲望，為本節課的探究實驗奠定了基礎，引發學生進行科學猜測并參與到實驗的設計中來。

3.設計實驗方案

蘇霍姆林斯基說：“在人的心靈深處，都有一種根深蒂固的需要，這就是希望自己是一個探索者、發現者、研究者。”如果給學生提供創新實驗的平臺，可能會給我們帶來意想不到的驚喜。我們要發揮實驗的優勢，讓實驗成為學生學習科學的鋪路石。培養學生像科學家那樣來解決自然領域或科學問題的思維方式，學會科學思考，掌握科學方法來揭示自然的奧秘，因此大力提倡科學探究，并把它恰當地引入到教育尤其是科學教育中來。那就需要我們根據教學內容，科學設計實驗方案，以期達到預期的效果。

當時筆者在課堂中是這樣引導學生的：

師：如何測定冰熔化時的溫度？

生1：將冰放在勺子上，先測冰的溫度，再測融化時的溫度。

師：就測這兩點溫度可以嗎？冰熔化成水是不是一下子完成的？還是……

生2：過程也要測一些

生3：最好每隔時間段測出溫度。

師：邊在黑板上繪圖邊分析，用酒精燈加熱，試管底部的冰先受熱，上面的冰慢慢吸熱，上下溫度肯定不同，那么溫度計測得溫度能代表整個試管中所有冰在熔化時的溫度嗎？

生：不能

師：怎么辦？

生：使它均勻受熱

師：要使冰均勻受熱，具體還有哪些辦法？

生1：攪拌

生2：振蕩

生3：水浴加熱

師：展示兩套水浴加熱裝置，你們會選擇哪一套呢？

師：要使冰均勻受熱，你會選擇冰塊還是小冰粒？

生：小冰粒。

師：其他同學有不同意見嗎？沒意見，那你們為什么選小冰粒？

生1：你的裝置告訴我，小試管裝不下冰塊。

師：你真機智，其他同學也是這么想的嗎？

生2：冰塊太大，外部冰開始吸熱熔化，里面開始吸不到熱，不能做到同時吸熱。

幻燈片提示學生分工合作進行實驗注意事項：

1.攪拌員：實驗中能否均勻受熱就看你了。

2.觀察員：細微觀察，固、液轉化一定要看仔細。

3.報時員：每隔0.5分鐘報時。

4.記錄員：平視讀取溫度計的讀數，測出冰或石蠟的溫度并記錄在表中。

5.督察員：匯總結果、匯報結果。

在這一環節里筆者引導學生設計實驗所需物質和器材，及實驗所需注意事項，引導學生得出此實驗成功的關鍵在于物質一定要均勻受熱，為確保均勻受熱，物質盡量小顆粒，實驗過程中能做到攪拌、振蕩并采用水浴加熱，平視讀取溫度計的讀數等，引導學會思考、學會選擇。同時筆者考慮課堂受時間限制沒有讓學生設計實驗需要測量的量和記錄的表格，而是直接提供了表格。

因為原教材中實驗存在著能耗高，耗時久，實驗現象不明顯，不易攪拌，很難成功等因素，因此我們改進裝置和方法，具體歸納如下：

（1）改材料

用冰和石蠟代替海波和松香，取材貼近生活，并且低成本、低能耗、安全。平常海鮮保鮮就用冰，而且小冰粒一般市場上有賣，城市學校隨時都可以買到，一元錢就能解決全班實驗，在偏遠鄉下學校也可以自己制冰，再利用碎冰機碎冰，也可以在冰柜里刮取冰霜，這個效果會更好。在冰的用量上：考慮到在有限的時間里，完整地完成整個探究過程，試管中冰不能太多，但也不能太少，因為冰熔化后體積會減少及冰粒之間有空隙等因素會導致溫度計玻璃泡不能完全浸沒，無法準確讀數。冰的處理：上課前利用撒鹽能降低冰的熔點，將小試管埋在撒鹽的大桶冰水中，為學生提供零下7攝氏度作為原研究對象，確保有冰熔化前、熔化時、熔化后的數據，也為以后合金熔點特點等后續學習埋下伏筆。另外石蠟熔化比松香熔化耗時少，取材也方便，也能再有限時間完成實驗，而且可以直接采用70℃～80℃的熱水進行水浴加熱。

（2）改方法

經改進后的實驗裝置（如圖2），小試管可以隨時取出，振蕩，并放回杯中進行水浴加熱——因為零攝氏度的小冰粒降溫成為零下七攝氏度時，部分小冰粒又凝固在一起成為小冰塊，開始時無法攪拌，而采用此裝置能確保物質熔化時，可以采用多種方式進行均勻受熱，并且此裝置操作簡單安全，方便又快捷，讓分組實驗成為可能。另外冰熔化時水浴加熱采用的溫度差最好能控制在15℃左右，而原教材中用酒精燈加熱就很難控制好溫度差。

另外筆者曾經采用手捂熱法控制溫度差，對試管、燒杯中的冰進行加熱，發現效果也都不理想，可能是溫度差太大吧。石蠟熔化的水浴加熱可以直接采用70℃～80℃的熱水進行水浴加熱。

經改進后的實驗，使在一節課中不能完成的實驗變得可以完成。只能做演示實驗變成學生的分組實驗，提高學生的參與度，增加學生學習的愉悅感。在課堂展示中得到了與會專家和同行的一致好評。

4.對比得出結論

科學探究是一種系統的調查研究活動，其目的在于發現并描述物體和事物之間的關系。探究活動包括觀察、提問、實驗、比較、推理、概括、表達、運用等。將觀察的結果呈現出來，方式包括數字、圖表等。通過交流，觀察結果才得以公開、溝通、檢驗，并有利于研究者本人發現現象之間的關系，對觀察到的現象作解釋、思考和邏輯分析。數據本身并沒有什么意義，重要的是從數據中所得到的啟示。

筆者在各小組測得的數據中選擇有代表性的用希沃授課助手上傳并進行展示。

師：每隔0.5分鐘測得的溫度不能代表每一時刻熔化時的溫度，我們該怎么辦？我們可以將數據作圖像處理的方法，及先將數據描在坐標上，然后將各點連成一條曲線，在這條曲線上我們就可以了解到每時每刻的溫度及溫度的變化特點。

并選取了一組數據在黑板上板演了將數據繪制成圖3的過程，

然后并讓學生將測得的數據繪制成曲線圖，其中在三組石蠟熔化中選取了一組讓學生在黑板上繪圖展示

其余的小組我利用手機拍照，選取了有代表性曲線圖借助希沃授課助手上傳

讓學生比較自己組及圖5、6、7圖像的異同點，討論分析各小組數據差異背后的各種可能，最后介紹老師對數據到圖像的一般處理辦法，并在學生原圖演示并上修改圖像。

最后對比圖8、4和教材第145頁圖像，得出晶體和非晶體的本質區別。

在這一環節，各小組學生通過交流、反思，使有些小組學生體會到自己在前面實驗中沒有很好攪拌、振蕩、讀數等導致實驗數據最終的失敗，加深了對均勻受熱的重要性認識，并認識到成功的不易。而有些小組分工合作到位，組員齊心，實驗過程觀察仔細、認真、測量實驗數據真實有效，體會了成功的喜悅。同時也讓學生認識到實驗不是玩樂，也不是一次就能成功。另外深刻體驗圖象法是一種非常簡潔、有效的表示科學過程的方法，為今后使用圖像法學習科學打好基礎。

5.引導應用遷移

在課的最后展示晶體凝固和非晶體凝固過程的曲線圖，啟發學生運用逆向思維方式學習，讓學生根據物質熔化規律推理出物質凝固規律：無論晶體還是非晶體在凝固時都要放熱，晶體凝固時放出熱量但溫度不變，非晶體凝固時放出熱量且溫度降低。

并緊扣冰雪熔化這條主線，回到引課中問題——用火燒使冰熔化和撒鹽會使冰雪熔化的不一樣的原理，給學生展示了鹽冰水混合物的溫度，讓學生明白了撒鹽是降低冰的熔點，在低溫環境中也能加快熔化。同時介紹目前世界上有些國家在主要公路上鋪設加熱管促使冰雪熔化，我國也正在積極研究各種能促使冰雪熔化的辦法，為能及時解決清除冰雪、減少冰災服務。并緊密聯系前沿科技，介紹保溫墻原理，現在人們研制出一種聚乙烯材料，在

15℃～40℃的范圍內熔化或凝固，而熔化或凝固時，溫度保持不變。把這種材料制成顆粒狀，摻在水泥中制成儲熱地板或墻壁，天氣熱時顆粒熔化，天氣冷時又凝固成顆粒，能調節室內的溫度。讓學生關心科學技術的新進展和新思想，了解自然界事物的相互聯系，樹立科學的世界觀。

科學思維是科學探究的核心和靈魂，科學思維具有廣闊性、深刻性、獨立性和敏捷性，這些特點能揭示客觀世界中紛繁復雜現象的本質，發現它們之間的相互關系，掌握自然發展的規律。

三、對實驗改進的思考

顯然，經過改進的教學設計，創新實驗，讓學生多一次親歷探索與思考，從實驗中活動中獲得科學本質的感悟的機會，這是做題不能獲得的。筆者相信只要一線教師多研究、多思考、多實驗定能將一些有困難的實驗一一改進，讓隨堂實驗成為可能，為探究式教學創造條件，從而使學生愛上科學，感悟科學本質，真正實現有效課堂！

參考文獻：

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