科學教育中“聯鎖”實驗研究新探

當前，科學課程的基本理念迅速發展深化，對科學教師的教育教學觀念產生了極大的沖擊。以課程標準為標志的學生科學學習，集中在四點：一是在科學內容上強調學生對事物本身特征與事物間關系的認識，二是在研究主題上強調與學生周圍環境和個人生活的聯系，三是在方法上強調科學實踐的體驗學習，四是在評價上強調實作評價為主的多元方式。這幾點可以說對科學教師提出了更多、更高的要求，沒有專業的科學素養是完不成的。

2017年教育部印發的小學科學課程標準中，特別把STEM教育列為新課程標準的重要內容之一，科學教師面臨實驗數量增加、類型綜合、內容技術更新等科學實踐的挑戰，可以說科學教師的實驗教學能力已成為影響科學課程改革成效的關鍵因素。如何解決這個問題是擺在教師培養中不可避免的一大現實問題。本文以綜合實驗理論與實踐課程為例，淺談“連鎖”實驗教學模式在提高學生的科學素養和創新能力方面的作用。

一、“聯鎖”實驗的認識

1.“聯鎖”實驗的內涵。“聯鎖”一詞本義為彼此相互聯系、緊密銜接、堅固地交織在一起。常用在道路交通上，是為了保證行車安全，通過技術方法，使進路、道岔和信號機之間按一定程序、一定條件建立起的既相互聯系又相互制約的關系[1]。本文中的“聯鎖”借用上述定義，專指按一定規范（程序或條件）建立起的前后之間既相互聯系又制約的關系。

實驗是根據一定目的，運用必要的手段，在人為控制的條件下，觀察研究事物本質和規律的一種實踐活動[2]；是科學認識的基礎，也是判斷認識是否具有真理性的標準。在科學教育中，實驗通常要預設“實驗目的”“實驗環境”，進行“實驗操作”，最終以“實驗報告”的形式發表“實驗結果”。基于以上認識，科學教育中的“聯鎖”實驗可定義為：在科學教育實踐中，為了提升學生科學的綜合實踐能力，通過教學設計，按某種規范（程序或條件）建立起的一組相互聯系的系列實驗。

2.“聯鎖”實驗的特征。實驗可以是師生演示的實驗，也可以是學生設計的實驗。學生設計的實驗是在講過某一部分科學內容之后，在教師的要求與指導下，由學生分組合作設計的一組系列實驗。這些實驗必須具有以下特征，方可稱為“聯鎖”實驗：①綜合性。設計的實驗在內容上具有多科性、跨科性，在技能訓練上具有統整性，強調學生自行設計與創意體現，這是“聯鎖”實驗的理念體現。②問題性。實驗只是一種學習形式，一種途徑，其本質是一個始于問題、終于問題的過程，即從認識問題開始，而后經猜測、構想、解釋、驗證等環節得出結論，使問題貫穿在整個系列實驗中，這是“聯鎖”實驗的實質要求。③生活性。實驗所用材料講求就地取材與操作簡易，實驗形式講求短小精悍與生動活潑，實驗內容講求生活實際與教育實效，這是“聯鎖”實驗的出發點。④系列性。設計的實驗個數至少兩個以上（含兩個），構成有關系的一組，這種關系按一定的規范（或基于材料、或基于內容、或基于方法等）聯系在一起，在訓練學生教學技能及思維上有進階的要求，這是“聯鎖”實驗的條件約定。

3.作為科學教育中“聯鎖”實驗的要求。科學教育講的是“物”之“理”，教師應“藉物彰理”，引導學生“格物致理”。“聯鎖”實驗可以幫助學生融通“物”與“理”，形成科學概念，理解和鞏固科學知識，培養學生觀察現象、分析問題、解決問題的能力，獲得比較熟練的實驗技能以及實事求是、嚴肅認真的科學態度。“聯鎖”實驗要求把“學科學作為一種過程”，作為學生學習，諸如觀察、推斷和實驗等諸多能力的過程，而且強調學科學的中心環節是實踐。在參與體驗時，學生要能描述物體和事件，能提出問題，能作出解釋，加以檢驗，并且把自己的看法和意思傳達給別人。科學教育中的“聯鎖”實驗是一種積極、主動的過程，學科學是學生要自己實踐的事，而不能由別人來代勞，除了有動手的實踐活動，還必須要有動腦的理性體驗。

二、“聯鎖”實驗的案列研究

1.以技能過程為主線的“聯鎖”實驗案例。①實驗主要材料：食鹽、水、紅小豆、白砂糖；②“聯鎖”實驗：紅小豆冰棒實驗——冰使水開實驗——粗鹽提純實驗。（說明：該“聯鎖”實驗更適合在夏季做）

實驗一：制作紅小豆冰棒。（準備工作：教師可以先指導學生用燒杯煮好紅小豆，放入白砂糖，讓它們自然涼，在這期間指導學生使用冰箱制冰塊）冰箱制冰過程。如何制冰？——以燒杯做容器為什么易被“凍裂”？如何取冰？——從燒杯中如何將冰順利取出？如何碎冰？——通過何種方法將冰塊做碎？

經過討論，大家一致認為用小的保鮮袋做制冰容器合適，可以很好地解決以上問題。將煮熟的紅小豆置于干凈的試管底部，同時倒入加了糖的涼開水，插入一干凈的竹簽做冰棍。將試管埋到有碎冰玻璃（或塑料）的水槽中，在碎冰之間倒入粗鹽（也可以用細鹽），靜置觀察7～8分鐘并回答以下問題：①加入粗鹽后水槽中的碎冰變得堅如石頭，原因何在？②玻璃（或塑料）水槽外面出現冰霜，原因何在？③將內部已經凝固的試管取出，想一想如何快速取出制好的冰棒？

實驗二：冰使水開。將裝入半瓶水的平底燒瓶置于酒精燈上燒開，用軟木塞蓋緊倒置，將上述玻璃水槽中已經部分融化的碎冰置于其上，進行觀察并回答以下問題：①平底燒瓶在加熱過程中為什么可以不用石棉網？②用試管夾夾取燒瓶，為什么要小心？③燒瓶中水再次沸騰的原因是什么？

實驗三：粗鹽提純。將上述水槽中已完全融化的鹽水進行粗鹽提純，并回答以下問題：①過濾——過濾的目的是什么？需要哪些儀器？操作時要注意哪些問題（一貼、二低、三靠）？②蒸發——蒸發的目的是什么？需要哪些儀器？操作時的注意事項有哪些？（說明：實驗三得到的產品——粗鹽，以備下次重復使用，進行實驗用料循環）

上述三個“聯鎖”實驗，以常見的物品——食鹽和水為聯系主線，前一個實驗是后一個實驗的過程基礎，很好地將物態變化等科學知識及各項實驗技能貫穿其中。使學生認識科學的本質、獲取日常生活中必須具備的科學知識和思維能力，凸顯“聯鎖”實驗中問題、證據、解釋、評價和表達等技能環節的重要性。

2.以科學概念為主線的“聯鎖”實驗案例。①科學概念：二氧化碳氣體的性質；②“聯鎖”實驗：點燃兩支長度不同的蠟燭（相差5cm以上），將其固定在桌面上。如果用大小不等的玻璃燒杯（或者其他透明的容器）將兩支蠟燭罩在里面，會有何種現象？

實驗一：用小一點的燒杯罩住（燒杯倒置，封閉）。提問：哪一支蠟燭先滅？猜測：理由？觀察：以小組為單位進行操作實驗。解釋：原因？

實驗二：用大的燒杯罩住（燒杯倒置，封閉）。程序和實驗一相同，猜測理由，結果又如何？如何解釋？

實驗三：將實驗二中的倒置大燒杯杯沿用高約1cm或2cm的三個橡皮墊起來。重復實驗二步驟，情況又是如何？

針對以上三個“聯鎖”實驗，請回答：火場逃生時，為什么低伏身體貼近地面有利于逃生？上面三個實驗是以CO2的性質為聯系主線進行設計的，該類“聯鎖”實驗只改變前一個實驗一個變因，后一個是前一個的延伸，完成一個系列，明確實驗結果。采用的學習策略是POE（預測——觀察——解釋），POE基本的程序是：首先設計某一情境讓學生預測會有何結果或現象發生，要求學生寫下自己的預測并說明理由，接著通過實際操作讓學生觀察有何結果或現象發生，記錄觀察結果，如果與預測的不一樣，讓學生解釋原因或理由。POE教學策略增強了學習活動的指向性與目的性，有助于學生在原有的知識結構上進行概念建構。

3.以固定器材為主線的“聯鎖”實驗案例。①實驗固定器材：平口玻璃杯、能夠蓋住玻璃杯口的薄塑料片、紗網；②“聯鎖”實驗：覆杯實驗。

覆杯實驗一：將杯子里裝滿水，用塑料片把杯口蓋嚴，按住塑料片，把杯子倒過來或處于傾斜位置，放手后，塑料片不會掉下來，杯子里的水也不會流出來，為什么？

覆杯實驗二：玻璃杯內只有半杯水，甚至只有一點點水鋪在杯底，蓋上薄塑料片，再將杯子翻過來，塑料片會落下來嗎？為什么？如果杯子處于傾斜位置，又如何？

覆杯實驗三：以紗網（玻璃窗用的）蓋住杯口，杯子中的水不會流出來的原因是什么？而略微傾斜后，杯子中的水為什么又會流出來？

這是與大氣壓力有關的三個簡易“聯鎖”實驗，其特征以固定常見器材為主線，雖然涉及的科學概念較多，但每個后續實驗只改變前一個實驗的一個變因，使用的是矛盾沖突學習策略，該策略通過讓學生觀察現象、動手實驗操作等實踐活動來展示矛盾事件，引發認知矛盾。

三、“聯鎖”實驗的價值

梅里爾指出：學習者解決了一系列經過比較、澄清的問題，才能夠促進學習。[3]“聯鎖”實驗給學生提供了一個不受時間、空間和材料限制的，有挑戰性、有吸引力的環境。該種實驗在取材上，以學生身邊的材料、生活中的實驗、身邊的實驗為主，增強學生的生活體驗和經驗；在內容設計與選擇上，選取的實驗比較生動有趣，實驗器材易于準備，易于學生制作，現象明顯，易推廣。

從本體論看，通過“聯鎖”實驗使學生內心形成一系列相互關聯的體驗，在系列的學習親歷和不斷的學習反思中，有效地提升了學生學習的知識意義、情感體驗、生命感受與能力品性。從認識論看，“聯鎖”實驗將學習歷程、過程、動作、情感等串聯起來，是一種跟學習活動密切關聯的經歷，是在反復的學習親歷中“得到情感體驗、人格提升、個性張揚，生命活力得以煥發，生命價值得以提升的過程。”[4]從發生學看，“聯鎖”實驗中的學生體驗發生依承于歷構層、預構層、臨構層的相互作用與有機統一。[5]美國心理學家Noel Tichy提出：對于一個人來說，最理想的狀態是處于“學習區”（指對自己來說有一定挑戰，因而感到不適，但是不至于太難受的區域）。“聯鎖”實驗就是給學生提供學習具有適當挑戰性的平臺，一個非常好的“學習區”。

1.“聯鎖”實驗有助于學生進行科學知識與專業技能的學習。“聯鎖”實驗關注的是學生的經驗是否會產生有意義的改變，是否獲得成長等根本問題，在以上實驗中涉及的基本過程技能有觀察、應用時間與空間的關系、分類、應用數字、測量、傳達、預測、推理等項，涉及的綜合過程技能有提出猜測、使用變量、實驗、建立模型、根據觀察定義術語等。學生在有意義的“聯鎖”的過程中，能運用科學研究的程序和方法主動建構科學知識，體驗和感悟科學研究基本過程，學習和掌握科學研究的基本技能及專業技能。

2.“聯鎖”實驗有助于學生理性批判精神的塑造。在現行科學課教學中，較少將論證與科學解釋取向探究教學的案例落實于課堂中，科學教育多年來一直被詬病的原因之一是學生經常只學到片段的知識，缺乏科學推理、解釋資料的能力；原因之二是評價學生適應未來生活的發展能力——辨識科學問題、科學地解釋現象、運用科學證據等不易有客觀的評量被忽略了。在列舉的“聯鎖”實驗中，科學解釋的建構是很重要的一環，它是指對自然世界中發生的事件或現象如何及為何發生做出說明，內容包括主張、證據及推理三部分，在這些環節中，學生的理性批判精神很容易得到塑造。

3.“聯鎖”實驗有助于學生創意思維能力的提高。“聯鎖”實驗活動是一個復雜的過程，其中的信息流程如下：

科學教育中“聯鎖”實驗中的信息流程

創意思維能力的培養基于主動變換認識世界（事物、問題）的角度，在“聯鎖”實驗中讓學生進行實驗設計，可以鍛煉學生的動手能力，然后通過一系列問題的研討來構建整個課程，以處理問題、探討問題、解決問題的形式來進行學習，最終實現創意思維的提高。

4.“聯鎖”實驗有助于學生社會責任意識與情感的培育。“聯鎖”實驗要求以生活情境鋪設臺階，通過實驗情景自然化、實驗內容生活化、實驗活動日常化，破除實驗的神秘性，在日常生活適應中找到學習科學的平衡點，關注生態、關注與科技有關的社會性議題（SSI）、關注科學社群、關注科學家形象等，正確對待科學本質、正確對待科學學習、正確對待科學事業，提升自身的社會責任意識和對教育專業的情誼。

四、“聯鎖”實驗設計的原則

1.寬泛與簡易性原則。寬泛要求研究主題中各種科學知識都要有所涉獵，簡易要求實驗的成本低，即取材方便、操作簡易，不需要精密的實驗設備，更不需要繁瑣的操作過程。

2.趣味與生活性原則。趣味講求借用“非”實驗物品開展“一物多用、多物一用”時，要有“趣”，有“味”，設計的實驗要有進階性，生活性是“聯鎖”實驗的基礎，利用日常生活用品做實驗不受實驗室的限制，在家里也可以做，使學生感到親切。

3.融合與自創性原則。融合講求“聯鎖”，“聯鎖”就要融會貫通，自創要求自己動手、自己動腦，在“做”中教，在“做”學，賦予學習以“自創性”快樂。

4.過程與體驗性原則。“聯鎖”實驗強調過程技能的訓練，強調學生參與實踐，充分發揮“聯鎖”效應，在系列實驗中對話、探討、整合，進行深刻反思和體悟，提高遷移能力。

綜上所述，提高學生的科學素養是科學教育的宗旨，我們在大處著眼的同時還需要從小處著手，這就要求教師引導學生學會去實作。通過“聯鎖”實驗的開展，可以有效解決為什么“實作”，如何“實作”，怎么“實作”，“實作”的成效高不高等問題，只有這樣，才能有效達到“安其學而親其師，樂其友而信其道”的境地。