指向科學核心素養的初中科學實驗教學設計與實踐

孔力奮

【摘 要】 初中科學是一門實驗性和理論性都很強的學科，科學實驗是科學研究的重要手段，也是科學學習的重要方法。本文針對初中科學教學中實驗的教學設計，實現實驗教學底部框架設計，教學實施策略，教學效果達成等，實現學生思維的高階發展，以提升學生的科學核心素養。

【關鍵詞】 初中科學? 實驗教學? 高階認知

一、研究緣起

（一）研究背景

科學實驗是科學研究的一種最有效的形式，通過人為控制變量，放大相關的科學現象和過程，讓學生獲得指向明確，現象生動、案例典型的實例，并經過分析、歸納等方法抽象出科學本質。在實驗探究過程中，對于研究者提出了更高層次的高階思維的要求，如創新能力、問題解決的能力、決策能力和批判性能力等。

本人對杭州市中考三年對于科學實驗的考察做了統計，如下表：

從表中可以看出，科學實驗占比重，逐年遞增，從內容看比較分散，囊括了初中三年的諸多知識。深度分析，還是形散神不散的體現，以科學知識為載體，考察科學思維，在2019、2020年的32題有了突破，涉及生活實際應用，給出實際應用信息，考查學生科學知識在科學技術中的應用，科學素養指向明確。

（二）教學困境

1. 實驗無創新 科學原理不落實

科學實驗常見問題：（1） 實驗不易成功;（2） 現象不易觀察;（3） 實驗超課時長;（4） 教科書上的實驗，都已經做了詳細的設計和說明，使學生失去了科學探究的大部分過程。常見問題不解決，致使實驗看似已經開展，對于學習主體而言，得不到預設的教學目標，學生思維無發展。

2. 實驗無指向 科學思想無突破

教師在教學中往往根據教材安排來進行實驗教學，結果是探究實驗做成了驗證實驗，將生動結論變成了一種預設知識。驗證實驗了變成多媒體實驗甚至是黑板實驗，學生失去了直接的感官刺激，失去了科學探究的過程教學。同時缺乏科學大概念引領，實驗顯得雜亂;沒有高階思維指向，實驗課顯得無章，失去了科學實驗的精髓。

3. 實驗缺反饋 科學應用無實現

實驗教學無反饋，通過實驗教學我們教學者的教學目的不僅僅是得到預設的結論，更多的是讓學生通過科學實驗，了解科學探究的過程，學習科學探究的方法，學會用科學的思維去解決實際問題。但是在現實課堂中，教師對于實驗反饋不夠重視，或者問題設計簡單重復，低價思維為主，很少體現高階思維，致使學生所學得不到落實。

二、指向科學素養的實驗策略

科學教育的目標是培養學生的科學核心素養，科學核心素養的分析視角有很多，概括起來可以分為科學本質、科學思維、核心知識、思想觀念、態度責任五個方面。在科學教學中如何從科學本質的核心來認識科學實驗，如何從認識規律的角度來設計實驗，如何從思想發展的視角來進行實驗教學，特提出以下策略：

（一）高階指向，底層設計

1. 以學生認知為起點

明確學生的已有認知，是課堂實驗的設計的起點。教師需要通過問卷、詢問、中小學科學課本對比等方式，識別學生已有知識儲備。初中生從形象思維向邏輯思維轉化，但初中學生的邏輯思維受前概念影響過大，習慣從生活經驗出發，直接進行推理規律，忽視科學本質。因此，為了促進學生的認知水平由低階認知向高階認知的轉化，要善于利用學生的經驗支持，提出科學假設，鋪設科學實驗，引導學生對于“新舊認知”的碰撞，以達到科學實驗探究目的，因此學生的認知是實驗教學的教學起點。

2. 以科學大概念為引領

科學教材的編寫以科學大概念為頂層引領，教師在進行課堂實驗教學設計中，樹立科學大概念的思想。先進行單元主題的設計，清楚單元的核心內容，明確教學內容的構成，理清各要素之間的關系。先整體后局部再整體的問題設計原則，于更高的高度來處理具體的教學問題。對照認知目標分類表，細化實驗設計，大概念為小概念指引，小概念為大概念服務的思想，解決好科學實驗中的科學方法的應用，科學思想的滲透，為促進學生高階認知制定具體方法。

3. 以科學高階思想為指向

高階思維，在布魯姆認識教學分類目標中表達為分析、評價和創造。在設計科學實驗教學時，應以高階認知為設計導向，根據前期的分析，對科學實驗教學化設計，使之適合課堂教學。在教學設計時，從以下幾個方面做出高階指向：

① 實驗的目標設計：以知識為載體，以高階思維發展為指向，理清教學內容，思考在教授內容的同時可以提升學生哪些能力。

② 情境設計：創設情境的本質，第一種是學生從來沒有接觸過的新情境，從而激發學生科學探究的興趣及求知欲。第二種是與學生前概念發生強烈沖突的情境，通過學生的分析、評價、創造，從而改變學生根深蒂固的觀念。

③ 活動設計：活動設計時，注重實驗的深度和廣度及可控程度，即要讓學生有適當的開放度，又是可控可操作的。

④ 反饋設計：反饋設計通過科學實驗的教學，能否對學生的認知能力有所幫助，能夠提升哪些認知能力，通過什么方式提升，如何體現等問題。

（二）技術利用，顯性設計

1. 調速實驗，明察秋毫

科學學習中的現象觀察，是科學發展的基礎。在實驗教學中，有的實驗由于發生時間短或者實驗時間長，學生無法在課堂中有客觀的觀察。單憑教師的講，無法讓學生信服，影響了學生構建模型的形象體驗。可以通過現有視頻手段，調慢或者調快實驗過程，使實驗現象更加明顯，學生在觀察中可以明察秋毫。可以讓學生增加感知，實現概念認知功能即對其他研究對象的認知發展功能;有利于學生的學生知識的遷移，構建認知結構推動高階思維的發展。

2. 對比實驗，一目了然

對比實驗指設置兩個或兩個以上的實驗組，通過對結果的比較分析，來探究各種因素與實驗對象的關系，這樣的實驗稱為對比實驗。在實驗教學中，通過比實驗的實施，培養學生對于控制變量法的理解，并提升實際問題的分析能力。對比實驗的優點還有現象更加明顯，這里所指的對比實驗，最主要的能構建出同時段的對比實驗，對于前后對比的實驗，對于學生而言，這類前后對比的實驗，現象不夠明顯，學生不容易捕捉關鍵信息，應做平行展示，使現象一目了然。

3. 數字實驗，清晰可見

課堂實驗設計常常還會遇到傳統實驗儀器無法準確、直觀地表示出實驗現象的情況發生。致使學生認知的過程缺乏形象具體的認識主體，導致大腦在處理信息時出現了錯誤的判斷。所以我們在實驗設計方向的選擇上，需要將形象直觀視為基本要求，用定量實驗來替代定性實驗，用數字化實驗來替代模擬實驗。可以多了解一些現代科技所帶來的一些應用，比如傳感器的實際應用。方便學生對于實驗現象作出準確的判斷

（三）反饋巧設，深度設計

課堂實驗中，實驗反饋是其重要一環，科學反饋的形式是多樣的，可以是試題反饋、生活用品分析、生活實際設計，科學最終的目的是改造我們的生活。好的課堂反饋，有利于教師發現學生認知問題，及時調整教學方法;有利于學生的認知鞏固與遷移，構建認知結構推動高階思維的發展。

1. 明原理，分析強

實驗原理是科學實驗設計的基礎，依據實驗原理可以實施不同的實驗方法來達到實驗目的。因此在實驗反饋中，教師應該依據具體實驗，利用辨別、區分、集中、選擇、整合、分解、概述、構造等行為動詞，來提升學生的分析能力，設計適合的問題，并對反饋答案進行群體討論，普遍問題集中解決、個別問題組內解決的方式。幫助學生鞏固所學，引領學生知識的遷移，逐步構建出高階的認知結構，推動高階思維的發展。

2. 設錯誤，評價深

對于學生容易犯錯的易錯點，可以預設錯誤，引導學生犯錯，創設實驗自然情境，順應出錯誤;帶領學生思錯，追述本源，辨析錯誤的根源;反思糾錯：重構思維，理清正解。通過問題重構科學探究的思維過程，引發科學的求知欲，讓學生體驗問題解決過程的科學思維和科學方法，突破思維難點。

3. 畫設計，創造活

科學探究是逐步進步的過程，對于儀器的選擇、變量的統一等，并不是一步而就。因此我們在設計實驗中必須尊重學生的認知過程，讓學生參與我們的實驗課堂，參與實驗的創新與操作，基于實驗課堂的時間與器材限制，在條件不允許時，通過“思維實驗”為有效補充，可以通過學生的“畫”來進行有效突破，產生問題、解決問題;產生新問題、解決新問題這樣螺旋上升的反饋問題設計來培養學生的提問能力、解決問題能力和知識遷移能力。

三、教學展望與建議

實驗是科學的源頭。正如美國實驗物理學家丁肇中說：“所有的自然科學都是實驗科學。再好的理論如果與實驗不相符，那么理論就不存在。實驗可以推翻理論，而理論永遠無法推翻實驗。”本文寄望于以學生認知發展特點為基礎，明確已有認知結構;以科學大觀念為頂層引領，以單元主題設計導向;以具體教學內容為載體，做好實驗教學分析;以高階認知為指向，推動科學實驗的教學。通過實驗目標的設立，實驗過程的突破，實驗成效的反饋，以真正達到螺旋上升、層層遞進、促進學生的高階認知的發展的教學目標，培養學生的科學核心素養。在實際的教學過程中，隨著技術的進步和思想的解放，實驗教學更是應該動態發展。

參考文獻

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