初中科學課本實驗優化與再開發的策略研究

楊火江

摘 要：師生共同參與，通過對教材從實驗情景、材料、裝置、條件、步驟、設計過程六個方面進行優化與再開發研究，能發展學生科學素養，提高學生探究能力，特別是實驗設計能力，促進學生高階思維的形成和發展;同時也增強了教師實驗教學能力，提升了課堂教學效果。

關鍵詞：初中科學;實驗優化;實驗再開發

一、問題緣起

發展科學的素養離不開科學的學習過程。科學之核心是探究，教育的重要目標是促進學生的發展，科學課程應當體現這兩者的結合，凸顯科學探究的學習方式。教師應給學生提供充分的探究機會，讓學生通過手和腦并用的探究活動，體驗探究過程的挫折和趣味，學習科學方法，發展科學探究所需要的能力并促進對科學探究的理解。

現行浙教版初中科學教材設計的許多實驗主要是通過學生活動和學生分組實驗，幫助學生形成一定的科學素養;中考也十分重視基于教材實驗對學生進行考查。然而，目前的初中科學實驗教學存在很多困難。因此，教師如果能對教材中的科學實驗做出有益的再開發，并持續創新科學實驗，將會促進初中科學實驗教育教學的發展，增強科學課的教學效果，從而促使學生的科學探究活動更加深入，有效提升學生的核心素養。

二、近四年杭州科學學業考試中教材實驗考查情況及思考

對近幾年的中考試題卷進行分析，每年中考都有一部分試題是由教材中的實驗經過修改、嫁接、變形、拓展延伸而來，比例很高。下面是本人對杭州近4年中考教材實驗改編題的題號和數量進行的統計：

考查內容和要求如下：

（一）考查實驗的基本過程

近四年的中考題考查了實驗的基本過程，包括實驗目標、器材、設計、操作、測量、分析以及結論等環節。

1.提出科學問題。從實驗現象的觀察中提出問題。

2.表達與交流。對觀察到的事物作出有層次、科學性的描述。

3.制訂計劃，設計實驗。

（1）實驗中如何測量一個變量（“做什么”和“怎么做”）。

（2）對所研究問題中的各種變量進行確認和分類，用控制變量法來設計實驗。

4.表達與交流：運用文字、符號、表圖、模型、公式等解釋并描述探究的過程及結果。

（二）考查實驗思想方法

考查學生對實驗思想的認識及如何根據實驗目的而進行相關實驗設計能力;考查實驗綜合能力，包括控制變量、轉化等方法以及運用和分析能力。

（三）考查實驗操作的嚴謹和規范

對探究過程和事實獲取方式、方法、過程作出合適評價，能說明非常規結果和數據的不可靠，或解釋是否充分支持結論。

（四）考查知識生成過程的檢測

將證據與科學知識建立聯系，得出符合證據的解釋。

（五）對教材實驗專題研究的思考

奧蘇伯爾：“影響學習的唯一最重要因素就是學生已經知道了哪些，要探索明了這一點，并因此進行教學。”我們在教材實驗專題研究中必須厘清書本的學生實驗、教材活動（演示實驗）、探究活動，分析學生的掌握情況，在重點和學生迷惑處實施實驗的優化和再開發教學。

1.實驗教學中要積極引領學生注重實驗過程與方法，科學合理地分析實驗記錄結果，得出科學結論。

2.在做實驗的過程中，按照書本規范操作的同時，盡可能讓學生分析出不規范操作可能出現的結果，以及該實驗還能否得出其他可能的結論。

三、初中科學教材實驗優化與再開發的策略研討

（一）我校教師優化與再開發“教材實驗”的策略圖

1.專家引領，提高備課組提煉教材“實驗優化與再開發”能力

2.考查學習，完善教材實驗優化與再開發機制

（二）科學教材實驗優化與再開發的案例策略研究

對現行浙教版初中科學教材設計的所有實驗進行研究，我們團隊在一年內對每一個實驗進行再開發，著重從以下六個方面案例研究進行突破：

1.實驗裝置優化與再開發，讓探究順暢有效

實驗是學科學的最有效手段，實驗裝置是學生進行實驗探究的“載體”。教材中有些實驗裝置的設計，粗看沒有什么問題，可一進入課堂，到了實際操作階段，情況就不一樣了。課堂中，由于實驗裝置本身的原因，導致探究活動不能有序進行的情況時有發生。好多實驗裝置要么操作起來不方便，要么實驗現象不明。因此，教師對相關的實驗裝置做出有益的改進或創新很有必要。一個合適的實驗裝置可以使課堂的探究活動更順暢有效。

例一：設置實驗對照排除干擾

浙教版教材七年級上冊第4章P128（圖4-11實驗），教材想通過鉛柱粘合實驗來說明分子間存在引力。但學生提出：可能是大氣壓力把它緊緊壓在一起。怎么解釋？

針對上述問題，師生一起改進了實驗裝置：在兩鉛塊下再掛一個截面積與鉛塊相同的針筒。實驗時，在針筒下逐漸增掛砝碼，當針筒脫落時，上方的鉛塊還緊緊吸在一起。改進后的對比實驗說明：向上托的大氣壓力無法支撐鉤碼重力時，兩鉛塊接觸面間的分子引力還能克服鉛塊自身重力，緊緊粘合在一起。

例二：改變加熱位置防止對流影響

浙教版教材七年級上冊第4章P140（圖4-34實驗），教材中研究水的比熱比砂石大的實驗，學生在做的過程中發現：剛開始右邊盛水的燒杯中溫度計示數上升比左邊砂石中的快，一段時間后，砂石中的溫度計示數快速超過水中的溫度計示數。此現象并非設計者希望的：一直是砂石中的溫度上升快。究其原因是水會發生對流，剛開始時熱交換充分，水溫度上升較快。

如何解決此問題？最先學生考慮把水換成其他固體，如木屑、金屬顆粒等。經實驗檢驗發現木屑密度太小、同質量體積太大、金屬因導熱性遠大于砂石等問題，由于干擾太大而放棄，學生找到完全相同的酒精燈太難，改用同功率電熱源加熱解決了此問題。我們最終的改進是：把燒杯換成大號試管，相同功率的電熱絲纏繞在試管外中部，分別放入等質量40克的砂石和水，讓試管傾斜約與水平線成60°角，溫度計插入砂石和水各自的最中間并固定，同時接通電源，在砂石和水的中上部位加熱，最大程度地避免了水對流造成的影響。多次試驗，成功率100%，電熱絲功率以40-60W最適宜。

學生通過參與實驗裝置優化與再開發活動，提高了從多角度分析問題的能力、換位思考的能力、辯證看待問題的能力以及解決問題的能力。

2.實驗情景優化與再開發，讓探究貼近生活

生活處處有科學，初中科學課程的開展自然少不了不同生活情景材料的參與，若想讓科學真正進入學生的內心，就必須將生活中的科學情景合理地運用到初中科學實驗教學中，這就要求教師善于觀察，善于運用，通過認真的觀察和用心的鉆研，發揮出生活情景的最大用途，讓生活服務于科學。

例三：溶液配制析誤差

浙教版教材八年級上冊第1章P30（圖1-45實驗），在學生輕松愉快地完成教材活動后，教師創設新情境：在實驗操作環節中，哪些因素會引起配比的溶液質量分數偏大或偏小？

學生通過重新審視實驗過程總結出以下因素：①游碼未調零就調節平衡螺母（偏小）;②左碼右物（偏小）;③指針左（右）偏（偏大或小）;④轉移時紙張上有殘留（偏小）;⑤量取液體俯（仰）視（偏大或小）;⑥量筒轉移液體時灑出（偏大）;⑦溶液配好后有液體灑出（不變）等。同時，學生指出：步驟4中量筒把水直接倒入燒杯中是不規范操作，應沿燒杯內壁流下，否則會因水分濺出引起配比的溶液質量分數偏大。

教師在課堂上習慣于“教實驗”，學生就只會照樣畫葫蘆，“動手”操作一遍實驗，不會理解為什么要如此規范操作。如果教師能專注于“用實驗教”，結合生活中情景，分析其中的因果，學生經過身臨其境的體驗，感悟頗深。

例四：受力改變找原因

浮力實驗情景拓展：冰塊用細線拴住，掛在彈簧秤下，慢慢地浸入酒精中，在逐漸融化過程中觀察彈簧秤和臺秤示數變化。用所學的力學知識來解釋現象。

學生親歷體驗后，能有效突破自己的認識障礙、理解障礙，應用浮力、相互作用力、平衡力等知識進行受力分析、解釋復雜現象變得輕而易舉。

使學生了解一些他們周圍的自然現象，使他們意識到科學與自己和社會發展的緊密關系，學好知識，提升素養。倡導學生主動介入實驗情景優化與再開發，讓學生樂于探究、勤于動手，培養學生搜集和處理信息的能力，提高思維品質。

3.實驗材料優化與再開發，讓探究激發樂趣

在實驗材料優化與開發過程中有利于幫助學生感悟科學探究思想，提高觀察調查、模型建立、實驗數據信息分析等探究能力。

例五：材料試驗覓新途

浙教版七年級上冊第2章P50（圖2-19實驗），教材中觀察葉片的結構實驗存在的不足：菠菜葉較容易萎蔫失水，早上買來的菠菜第三節課做實驗時就蔫了，葉子卷成卷，不好切。如果用水將菠菜浸泡起來，葉子容易變脆，切片多數不完整，導致上下表皮缺失。

改進材料：教師發動學生去試驗身邊易接觸到的植物來替代菠菜葉。學生通過廣泛試驗發現可用綠蘿葉替代，此種葉很易切出完整的橫切片，而且不怕蔫，即使放上幾天依然能切出滿意的切片。

例六：廢物利用惜資源

如下圖利用身邊的廢棄塑料瓶，利用各種組合實驗裝置可以研究分子運動、洗氣、除雜等各類化學實驗。快速驗證自己的設想，猜測是否可行。

在我們的日常生活中，每天都在產生著大量的廢棄物，例如塑料瓶、破舊的乒乓球、舊書、舊報紙等，教師可以將生活中的廢舊材料引入初中科學的教學中，助力初中科學課堂實驗復習教學的開展，同時，也順帶培養了學生愛護環境、節約資源的優良習慣。

善于利用身邊的物品加以改進，最大限度地發揮其在科學教學中的作用，增加學生學習科學的興趣，提高發現問題、解決難題的能力，有利于創造性思維的形成和發展。

4.實驗條件優化與再開發，讓探究衍生變式

實驗的環境條件因素包括溫度、濕度、濃度、密度、酸堿度、純凈度、壓力、氣壓、粉塵、噪聲、震動等，它們的改變，對實驗現象和結果都會產生很大的影響。通過對實驗條件的優化與再開發，讓學生體驗到控制實驗變量的重要性，學會控制變量的方法和操作精度。

例七：不迷信權威，心存質疑

A.浙教版教材九年級上冊第4章P146（探究實驗），研究溫度對酶催化作用的影響實驗，2019年版本已經做了改進——先水浴再混合，排除了因升溫降溫對實驗結果的干擾。找出2014版本的實驗進行對比，讓學生思考：教材為什么要做如此改變？

學生通過充分討論認為：因升溫或降溫過程中經歷了酶的最適合溫度，而酶具有高效性，可能在較短時間里把淀粉分解了，達不到預期效果，甚至得出錯誤結論。

B.在學習浙教版教材九年級上冊第1章P18（圖1-24實驗）“堿的性質”的時候，學生對照了新舊兩版科學書，發現用FeCl3和Ca（OH）2溶液研究堿的性質的實驗有所不同：舊版本是“在試管中加入3毫升FeCl3溶液，然后滴加Ca（OH）2溶液”，新版是“在試管中加入3毫升Ca（OH）2溶液，然后滴加FeCl3溶液”。這兩種方法有差別嗎？學生進行了探究。

學生按照舊版的步驟進行實驗，發現并沒有沉淀生成。因此小張作出了以下猜想：（1）氯化鐵溶液變質了;（2）氯化鐵溶液成酸性。然后通過已學的化學知識驗證了猜想2被證實是正確的。通過查閱資料得知：氯化鐵溶液確實是呈酸性，當FeCl3和Ca（OH）2反應生成的Fe（OH）3被酸性物質反應，直至酸性物質反應完才會出現紅褐色沉淀。學生按新教材的實驗方法進行了實驗，發現很快看到了紅褐色的絮狀沉淀。

學生經過對教材實驗條件優化，自信心爆棚：“圣神”的教材也是一個不斷完善、不斷修正的過程，實驗是科學研究的重要方法。學生的思維不再被禁錮，有利于學生發散性思維、批判性思維的形成。

例八：變量控制學會推敲

浙教版教材八年級下冊第3章P104（圖3-71實驗），證明動物需要呼吸的實驗，學生發現似乎有兩個變量：是否呼吸、是否有昆蟲。經過廣泛討論并與種子的呼吸作用實驗比較，一致認為B試管內應放入等量等種類的死昆蟲。

教材中的有些實驗方案的實驗條件設計還不是很完善，對變量的控制還有待推敲，為此，我們引導學生對教材中的實驗進行大膽的質疑、改進和創新，使其邏輯與思維更縝密、深入、高階。

5.實驗步驟優化與再開發，讓探究經歷豐富

“我聽過了，忘記了;我看見了，記得了;我做過了，理解了。”蒙臺梭利說的這句話，突顯了“做”的重要性，深刻地揭示了“豐富孩子的探究經歷非常重要”。其實，教材上設計的有些實驗，如果僅在課堂內完成就會大大削弱探究的效果，可如果教師一味地包辦只會剝奪孩子親歷探究的機會。

例九：打破常規不唯本

集體備課研討時，一位老師感嘆經典的阿基米德原理實驗（浙教版八年級上冊第1章P12〈圖1-17，1-18實驗〉）讓自己上砸了：本來引導學生猜測浮力的大小與排開水的多少（重力）有關。然而，學生不按套路猜測，猜浮力大小與排開水的體積和水的密度有關。接下來的實驗設計就走了樣。然而，組內另一位老師也碰到類似情況，但他巧妙應對反成亮點。

當學生猜測與排開水的體積和水的密度有關時，順著學生的猜測設計實驗步驟、表格，進行實驗獲取證據，肯定了學生猜想是正確的。然后引導學生設計實驗驗證與排開水的多少（重力）有關，也肯定此猜想是正確的。最后拋出問題：排開水的重力與排開水的體積和水的密度有關嗎？學生居然順利完成了F浮=G排液=ρgV排液的推導。

我們就應該打破常規，不唯本，將教材上安排的實驗步驟做一些調整，讓學生發現實驗步驟的不同，對于實驗現象、結論以及實驗誤差有著很大的影響，豐富了學生探究的經歷。培養創新意識，敢于依據客觀事實提出自己的觀點，能聽取與分析不同的意見，能夠根據科學事實修改自己的觀點，初步養成擅長與人交流、分享與合作的習慣，提升評價、批判、協作的能力。

6.實驗設計過程優化與再開發，讓探究嚴謹規范

如果不引導學生進行實驗設計，學生根本不知道題目中的實驗設計需要哪些實驗器材，各實驗器材之間該怎么連接，如何控制變量，需要測量出哪些物理量，再通過哪些數據的分析得出結論等等。

教材中有部分探究性實驗在設計上存在著一些不足，探究時容易出現這樣或那樣的問題：有的實驗不易收集數據，有的實驗操作困難，致使探究活動的效果不盡如人意。對于此類實驗，我們就有必要對其方案進行改進或創新，以使探究活動更順暢。使學生學會觀察、實驗、轉換、等效替代和控制變量法等，并熟練掌握。

例十：轉換設計現奇效

浙教版教材七年級下冊第3章P114（圖3-75實驗），在做探究摩擦力的相關因素等實驗時，彈簧秤抖動的問題一直困擾著師生。因用手拉彈簧秤時無法做到完全勻速直線運動，所以彈簧秤的抖動無法避免，對實驗數據的采集帶來困難。

我們利用運動的相對性，改用抽底部木板的等效替代法，很好地解決了問題。

在初中科學探究活動中雖然應該重過程，不過久而久之，學生的探究興趣就會弱化。因此，我們也應考慮到讓學生在探究過程中既能感受“發現的喜悅”，又能擁有“成功體驗”。一個成功的實驗可以減少許多繁瑣的闡述，往往能起到“萬語千言道不清，一做實驗便明顯”的奇效。

教材實驗優化與再開發的優點并不能一一列舉。科學教師有義務去發掘和設計更多的、有趣的實驗來進行示范或提供給學生操作，努力追求令人滿意的教學效果，讓學生在有趣的科學探究過程中求知和求索，使學生的高階思維能力得到升華。

四、成效與反思

我們通過對科學實驗設計、科學實驗改進、科學方法論等有關理論的學習，積累詳細的資料，并找到理論依據，為后期進行研究打好基礎;通過開展科學“教材實驗再開發”的展示教育教學實踐活動，提高了教師對教材中學生活動設計意圖的理解，在平時授課時對尺度的把握更到位。

善于調動和啟發學生積極參與課堂學習和討論，實現學生學習科學由被動接受向主動探究的轉變。整節課堂教學中學生始終保持濃厚的興趣，主動參與課堂教學中去，主動探究科學現象，主動構建科學知識。注重學生的主體地位，培養學生的主動意識。學生參與實驗再開發研究，極大地激發了學生學習科學的興趣，樹立了科學的世界觀，認識到科學是無止境的，要自己不斷地去探索、去發現，創造性地解決新問題。在中考后，從學生當中反饋到的信息：實驗題是他自己的拿手“菜”。

參考文獻：

[1]劉偉勤.論科學領域下提高學生核心素養的科學教學研究[J].新校園（閱讀），2016（2）：59.

[2]徐利紅，邵麗芳.創新科學實驗促進探究學習[J].小學科學（教師版），2015（9）.

編輯 謝尾合