在科學(xué)探究活動中培養(yǎng)學(xué)生對比實驗設(shè)計能力的策略

夏曉峰

(南京市江寧開發(fā)區(qū)學(xué)校，江蘇南京，211100)

小學(xué)科學(xué)課程是一門重視實踐的課程，對比實驗是幫助學(xué)生動手探究的重要方式之一。《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》把“提出問題、作出假設(shè)、制訂計劃”作為構(gòu)成科學(xué)探究要素的前三個重要內(nèi)容。[1]科學(xué)探究活動中的對比實驗設(shè)計主要從提出探究問題、提出假設(shè)(確定變量和不變量)、制訂實驗計劃和方案三個方面進(jìn)行。當(dāng)前，科學(xué)探究活動中對比實驗教學(xué)普遍存在重操作觀察，輕實驗設(shè)計的現(xiàn)象。由于學(xué)生在進(jìn)行對比實驗設(shè)計時存在一定的困難，教師更多地是簡單引導(dǎo)學(xué)生交流一下對比實驗設(shè)計，然后出示標(biāo)準(zhǔn)的實驗設(shè)計方案，讓學(xué)生直接根據(jù)教師提供的設(shè)計方案進(jìn)行實驗操作、觀察、記錄現(xiàn)象等，這樣便導(dǎo)致學(xué)生的對比實驗設(shè)計流于形式，失去了對比實驗設(shè)計真正的意義。

一、在探究活動中學(xué)生對比實驗設(shè)計的現(xiàn)狀分析

在科學(xué)探究活動中進(jìn)行對比實驗設(shè)計的困難有三：如何讓學(xué)生從真實的情境中發(fā)現(xiàn)可以用對比實驗來解決的問題；如何引導(dǎo)學(xué)生基于已有知識和經(jīng)驗從事物的結(jié)構(gòu)、功能、變化及相互關(guān)系等角度提出有針對性的假設(shè)，即根據(jù)探究問題找到影響實驗結(jié)果的變量；如何引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計單一變量的實驗方案和樹立控制變量的意識。為解決這些問題，教師要針對科學(xué)探究活動中學(xué)生對比實驗設(shè)計的現(xiàn)狀進(jìn)行深入分析。

(一)對比實驗設(shè)計中提出問題的現(xiàn)狀分析

好的科學(xué)問題不僅可以激發(fā)學(xué)生探究的興趣，而且能引發(fā)學(xué)生深入思考。對比實驗的探究問題通常源于學(xué)生對自然科學(xué)現(xiàn)象的觀察和比較，是從事物的結(jié)構(gòu)、功能、變化及相互關(guān)系等角度出發(fā)，可以用對比實驗研究的科學(xué)問題。但是，三年級學(xué)生剛接觸對比實驗時，提出可以運用對比實驗進(jìn)行探究的問題具有難度，教師就要進(jìn)行有針對性地提出問題的訓(xùn)練。學(xué)生之所以在提出問題時存在一定的困難，主要是因為其對含有科學(xué)知識的生活現(xiàn)象缺乏觀察和思考。同時，教師在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)只提供單一的現(xiàn)象讓學(xué)生觀察，也是導(dǎo)致學(xué)生很難提出可用對比實驗進(jìn)行探究的問題的原因。

(二)對比實驗設(shè)計中作出假設(shè)的現(xiàn)狀分析

根據(jù)探究問題提出假設(shè)是對比實驗設(shè)計的難點，對比實驗中的假設(shè)實際上是對變量的識別過程。然而，在平常的教學(xué)中，學(xué)生對變量的識別是在教師有針對性的引導(dǎo)下完成的，這導(dǎo)致學(xué)生缺乏對識別變量過程的認(rèn)識。教師之所以不讓學(xué)生直接進(jìn)行變量的識別，是因為識別變量需要學(xué)生親身體驗探究問題、仔細(xì)觀察科學(xué)現(xiàn)象，但由于具有豐富經(jīng)驗的學(xué)生較少，教師如果讓學(xué)生直接進(jìn)行變量識別，就容易出現(xiàn)以偏概全的情況。[2]

(三)對比實驗設(shè)計中制訂實驗計劃和方案的現(xiàn)狀分析

制訂實驗計劃和方案需要建立在上述兩個環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，在學(xué)生根據(jù)探究問題進(jìn)行假設(shè)之后進(jìn)行。在這個環(huán)節(jié)，教師要讓學(xué)生經(jīng)歷“由扶到放”的過程。從三年級學(xué)生接觸對比實驗開始，就要讓學(xué)生形成控制變量的意識，并能設(shè)計單一變量實驗。目前，三年級學(xué)生缺乏針對對比實驗設(shè)計的訓(xùn)練，他們通常知道變量和不變量是什么，但不知道如何控制變量。由于缺乏經(jīng)驗和指導(dǎo)，學(xué)生設(shè)計的實驗計劃和方案缺乏結(jié)構(gòu)性和可操作性，有些教師為了保證教學(xué)進(jìn)度，未能幫助學(xué)生解決實驗計劃和方案中的問題，或者直接向?qū)W生提供一個成熟的實驗計劃和方案，讓學(xué)生直接進(jìn)行對比實驗操作。這樣的做法容易導(dǎo)致學(xué)生制訂的實驗計劃和方案流于形式，學(xué)生制訂實驗計劃和方案的能力沒有得到提升。

二、在探究活動中培養(yǎng)學(xué)生對比實驗設(shè)計能力的策略

(一)提出問題：創(chuàng)設(shè)真實情境，充分體驗

創(chuàng)設(shè)真實情境有助于充分調(diào)動學(xué)生的已有知識和經(jīng)驗，提升對比實驗設(shè)計教學(xué)的效率。教師設(shè)計的情境貼近學(xué)生的生活經(jīng)驗，學(xué)生的探究興趣就會被有效地激發(fā)，啟發(fā)學(xué)生逐步達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。當(dāng)學(xué)生對真實情境中的自然科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行觀察、比較時，教師要善于捕捉學(xué)生的疑難點，及時進(jìn)行引導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生思考，啟發(fā)學(xué)生的思維，引導(dǎo)學(xué)生提出可以運用對比實驗探究的問題。[3]

例如，在教學(xué)三年級上冊“把鹽放到水里”一課時，教師要先讓學(xué)生理解“溶解”的概念。為了幫助學(xué)生理解這一抽象概念，教師創(chuàng)設(shè)了如下情境：媽媽精心烹飪了一碗雞湯，小明端起雞湯喝了一口說“太咸了”，你們知道是怎么回事嗎？當(dāng)學(xué)生說“媽媽鹽放多了”時，教師立刻質(zhì)疑“湯里哪里有鹽”。這樣可以引發(fā)學(xué)生思考。然后，教師給每個小組發(fā)兩杯水和兩份鹽，讓學(xué)生將兩份鹽分別放進(jìn)兩杯水中，仔細(xì)觀察鹽在水里的變化。為了讓學(xué)生更深入地認(rèn)識“溶解”的現(xiàn)象，教師還精心準(zhǔn)備了兩杯不同的水供學(xué)生實驗觀察。由于兩杯水是不同的，鹽在水里溶解的速度也是不一樣的。當(dāng)學(xué)生經(jīng)歷這樣的觀察活動后，自然便會產(chǎn)生可用對比實驗探究的問題——鹽在水里溶解的快慢與什么因素有關(guān)。“湯中放鹽”的情境與學(xué)生的生活經(jīng)驗十分貼近，便于學(xué)生理解“溶解”的概念，并且在學(xué)生觀察溶解現(xiàn)象的同時，教師悄然地設(shè)計兩份實驗材料，學(xué)生在觀察的過程中自然就會比較兩份材料溶解時的區(qū)別，從而自然而然地引導(dǎo)學(xué)生提出可用對比實驗探究的問題。

(二)提出假設(shè)：合理選擇變量，嚴(yán)謹(jǐn)控制

對比實驗會受眾多因素的影響，這些影響因素都是變量。教師要引導(dǎo)學(xué)生樹立公平實驗的意識，指導(dǎo)學(xué)生只改變眾多因素中的一個，其他的影響因素保持不變，進(jìn)行單一變量的對比實驗。同時，教師要讓學(xué)生進(jìn)行充分假設(shè)，選擇合理的變量，對其他變量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

1.引導(dǎo)充分假設(shè)，明確實驗變量

在進(jìn)行對比實驗設(shè)計時，教師不愿意放手讓學(xué)生作出假設(shè)的原因有二：一是學(xué)生進(jìn)行假設(shè)需要豐富的經(jīng)驗，而具有豐富經(jīng)驗的學(xué)生通常只占少數(shù)；二是教師擔(dān)心放手讓學(xué)生假設(shè)，會出現(xiàn)一些與研究主題無關(guān)或是脫離教師預(yù)設(shè)的假設(shè)。比如，在教學(xué)“摩擦力”一課時，針對“摩擦力的大小與什么因素有關(guān)”這一探究問題，學(xué)生提出了接觸面的大小、接觸面的粗糙程度、接觸面的壓力、接觸面的材質(zhì)等眾多假設(shè)，而教師的預(yù)設(shè)材料可能只能滿足教材中要求的部分變量因素。為防止這樣的不可控情況，教師往往不愿放手讓學(xué)生假設(shè)。然而，這不應(yīng)該是教師不愿意讓學(xué)生進(jìn)行假設(shè)的理由，教師應(yīng)該為學(xué)生提供充分假設(shè)的平臺，挖掘?qū)W生的經(jīng)驗，引導(dǎo)學(xué)生從事物的結(jié)構(gòu)、功能、變化及相互關(guān)系等角度提出與研究主題相關(guān)的假設(shè)。即使學(xué)生的假設(shè)不適合進(jìn)行課堂研究，只要其與主題相關(guān)，教師也應(yīng)將其作為不變量進(jìn)行控制，樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒瀾B(tài)度。

2.合理選擇變量，保證單一控制

學(xué)生在充分假設(shè)后，會針對探究問題提出眾多變量。此時教師要引導(dǎo)學(xué)生合理選擇變量，重點做到以下兩點：一是選擇適合學(xué)生研究的變量，剔除無需研究或已超出了學(xué)生研究能力的變量；二是根據(jù)對比實驗的特征，遵循樹立公平實驗意識的原則，保證單一變量控制，即只能改變一個變量，其他變量均保持不變。[4]

在猜測鹽在水中溶解快慢與什么因素有關(guān)時，學(xué)生提出了水的溫度、水的多少、是否攪拌、鹽的粗細(xì)等變量。在這些變量中，“水的多少”不需要學(xué)生研究，但仍要作為不變量進(jìn)行控制；“鹽的粗細(xì)”是影響因素之一，但《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出，小學(xué)階段只需要對“水的溫度”和“是否攪拌”這兩個影響因素進(jìn)行研究，因此，教師要將其列為不變量，并引導(dǎo)學(xué)生選擇“水的溫度”和“是否攪拌”這兩個變量中的一個。如在研究鹽在水中溶解的快慢是否與水的溫度有關(guān)時，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考“怎么設(shè)計實驗才能保證公平”，從而讓學(xué)生明確需要改變的條件只能是“水的溫度”，而除此之外的其他條件都要嚴(yán)格控制一致，以達(dá)到公平實驗的目的，讓學(xué)生樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

(三)制訂實驗計劃和方案：優(yōu)化細(xì)節(jié)引導(dǎo)，形成可行方案

學(xué)生缺乏制訂實驗計劃和方案設(shè)計的訓(xùn)練，沒有經(jīng)歷“由扶到放”的指導(dǎo)過程。雖然學(xué)生知道進(jìn)行對比實驗設(shè)計時只能改變一個變量，但具體怎么改變卻不清楚；同樣，學(xué)生也知道進(jìn)行對比實驗設(shè)計時要保證不變量一致，但怎樣保證一致卻無從下手。[5]因此，在讓學(xué)生制訂實驗計劃和方案之前，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考需要改變哪個條件、怎么做才能改變、哪些條件在實驗中要保持不變、怎么做才能保持不變等。

例如，在設(shè)計對比實驗探究“摩擦力的大小是否與接觸面的粗糙程度有關(guān)”時，學(xué)生在經(jīng)歷前面兩個環(huán)節(jié)后已經(jīng)知道只能改變“接觸面的粗糙程度”這一個變量，其他變量條件均要保持不變，但并不清楚具體如何操作。對此，教師可以讓學(xué)生先獨立制訂實驗計劃和方案，重點針對變量的控制細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計，再結(jié)合小組討論(如小組成員相互提設(shè)計建議等)、大組交流分享等形式完善設(shè)計方案，從而明確先用小木塊在長木板上摩擦、再用同樣的小木塊在毛巾面或砂紙面上摩擦，分別測得摩擦力后進(jìn)行比較。需要注意的是，實驗計劃和方案的制訂不必拘泥于文字的表達(dá)形式，教師可以鼓勵學(xué)生運用多種表達(dá)方式進(jìn)行設(shè)計，如畫圖、圖文結(jié)合的形式等。

三、在探究活動中培養(yǎng)學(xué)生對比實驗設(shè)計能力的實施建議

(一)創(chuàng)設(shè)課前個人小研究

學(xué)生之所以不能提出可用對比實驗解決的探究問題，以及對探究問題的變量的提出存在困難，主要是因為學(xué)生經(jīng)驗不足，缺乏充分體驗。針對這一情況，教師可以設(shè)置“課前個人小研究”，在課前提出探究問題和變量，讓學(xué)生利用課前時間充分體驗實驗情境。[6]表1為具體課前個人小研究的案例。

表1 課前個人小研究“溫度計”

溫度計雖然是生活中常見的物品，但實際上學(xué)生僅對溫度計的用途較為熟悉，至于溫度計其他方面的知識了解得并不多。基于這樣的現(xiàn)狀，教師設(shè)計了表1中的“課前個人小研究”，讓學(xué)生自制簡易溫度計，并將其放入熱水中觀察液柱的變化情況。學(xué)生在與同伴的交流中發(fā)現(xiàn)每個人自制的簡易溫度計存在一定程度的區(qū)別(主要是吸管的粗細(xì)不同)，從而在課前積累充分的經(jīng)驗，自然而然將探究方向指向“自制溫度計液柱反應(yīng)快慢可能與什么因素有關(guān)”這一可用對比實驗探究的問題，并嘗試設(shè)計對比實驗。學(xué)生帶著這樣的經(jīng)驗走進(jìn)課堂，教學(xué)就會事半功倍。

(二)制作對比實驗設(shè)計單

當(dāng)學(xué)生進(jìn)行對比實驗設(shè)計時，單純進(jìn)行口頭交流容易產(chǎn)生如下問題：一是學(xué)生的交流缺少支撐，會加大實驗設(shè)計的難度；二是學(xué)生沒有將設(shè)計的具體情況記錄下來，會對后續(xù)的實驗操作產(chǎn)生很大的影響。為避免上述問題，教師可以引導(dǎo)學(xué)生制作對比實驗設(shè)計單，例如表2所示的對比實驗設(shè)計單。

表2 對比實驗設(shè)計單“溫度計”

根據(jù)這一對比實驗記錄單，教師先讓學(xué)生充分假設(shè)，并確定研究內(nèi)容，如“我們認(rèn)為溫度計液柱反應(yīng)快慢與液柱粗細(xì)有關(guān)”。然后，讓學(xué)生明確在對比實驗中需要改變的條件及保持不變的條件分別是什么。最后，合理選擇圖畫、文字或圖文結(jié)合的表達(dá)方式，完善實驗步驟設(shè)計。同時，在實驗操作環(huán)節(jié)還要強調(diào)嚴(yán)格按照對比實驗設(shè)計方案進(jìn)行實驗，從而再次驗證對比實驗的設(shè)計是否合理。

對比實驗是科學(xué)實驗探究的重要形式之一，教師要引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)地進(jìn)行對比實驗設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生從真實的情境中提出可用對比實驗探究的問題，根據(jù)已有的知識、經(jīng)驗、現(xiàn)象與問題發(fā)生的條件、過程等方面作出假設(shè)，明確控制變量和不變量，最后制訂出比較完善的對比實驗計劃和方案。通過這樣反復(fù)的對比實驗設(shè)計訓(xùn)練，可以逐步培養(yǎng)學(xué)生對比實驗設(shè)計的能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。