科學(xué)教學(xué)專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中指導(dǎo)設(shè)計(jì)趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究

曹雪玲 朱為菊 馮志國 程睿菁 張新星

瓊臺師范學(xué)院理學(xué)院 海南?？?570100

在科技快速發(fā)展的現(xiàn)代社會，各個(gè)國家之間的競爭日趨白熱化。其實(shí)，不同國家之間的競爭，歸根結(jié)底還是國家綜合實(shí)力的比拼[1]，而核心的比拼就是科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新、創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)和國家公民科學(xué)素質(zhì)水平的不斷提高[2]。西方發(fā)達(dá)國家對趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究較早，并對其開展也十分重視，比如展示實(shí)驗(yàn)，就是德國首先實(shí)行的。在發(fā)達(dá)的歐美國家，中學(xué)階段教師特別重視趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)校會有專門的教室進(jìn)行趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)[3]。在課內(nèi)設(shè)計(jì)大量的趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)，配有相應(yīng)的教材和教具。我國趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備還不夠完善，為了我國社會進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[4]，須盡快提高我國國民的核心科學(xué)素質(zhì)[5]。趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主性，學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)會發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的問題，并學(xué)會解決問題的思路和方法[6-7]；經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，掌握科學(xué)探究的方法和思想，使他們的科學(xué)素養(yǎng)得到培養(yǎng)和提高[8]；實(shí)驗(yàn)過程，還可以提升學(xué)生的溝通能力和高團(tuán)隊(duì)合作意識。

1 課程介紹

本課程是針對師范院校教育科學(xué)系學(xué)生、畢業(yè)后主要從事中小學(xué)自然科學(xué)課程的講授。學(xué)生已經(jīng)具備化學(xué)、物理、生物、食品、地理、天文等六大課程系列理論知識，在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)學(xué)生研發(fā)趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)，開發(fā)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)所有材料均采用無毒環(huán)保的食品級材料；趣味性與知識性結(jié)合，能更好地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力、獨(dú)立思考能力和解決問題能力?？茖W(xué)教育系大學(xué)生具有創(chuàng)新性和科學(xué)性的思維，才會更好地在中小學(xué)的科學(xué)教學(xué)實(shí)踐中發(fā)揮更大的作用，為祖國培養(yǎng)新時(shí)代科技人才服務(wù)。通過本課程的學(xué)習(xí)，將科學(xué)的趣味實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)理念及方法傳授給科學(xué)教育系的大學(xué)生。

2 課程設(shè)計(jì)

2.1 基礎(chǔ)科學(xué)理論知識學(xué)習(xí)

科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)是基于扎實(shí)的科學(xué)知識基礎(chǔ)上的，因而科學(xué)教育專業(yè)設(shè)置了化學(xué)、物理、生物、食品、地理、天文等理論課程，使學(xué)生掌握科學(xué)理論知識。學(xué)習(xí)中小學(xué)學(xué)生心理活動特征，了解中小學(xué)教學(xué)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各學(xué)科融會貫通，在此基礎(chǔ)上加以引導(dǎo)，設(shè)計(jì)和開發(fā)具有科學(xué)性和創(chuàng)新性的趣味實(shí)驗(yàn)。

2.2趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的背景

目前，我國愈發(fā)重視新型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，隨著綜合教育、素質(zhì)教育的理念不斷深入，新的教育模式和教育理念的出現(xiàn)反映出學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力方面還有待提高。培養(yǎng)綜合能力的最好階段就是青少年時(shí)期，讓其養(yǎng)成動腦、動手的良好習(xí)慣。中小學(xué)課堂對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)動手能力的趣味課程的需求逐步上升，趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)對于青少年學(xué)生具有天然的吸引力。而教育部提出將科學(xué)課程融入學(xué)校教學(xué)中，發(fā)揮趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，使我國青少年從小就接觸科學(xué)、學(xué)習(xí)科學(xué)、培養(yǎng)科學(xué)意識。因而，培養(yǎng)自然科學(xué)教育教師的科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力勢在必行。目前國內(nèi)外科學(xué)實(shí)驗(yàn)存在以下主要問題。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)的安全性

專業(yè)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)會涉及化學(xué)試劑、物理電路等危險(xiǎn)因素，以及不適合青少年使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，所以家長和教師都擔(dān)心開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)會有潛在的危險(xiǎn)存在，針對青少年的特點(diǎn)，專業(yè)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要既滿足科學(xué)知識的學(xué)習(xí)，又要考慮安全性，因此在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)巧妙地避開危險(xiǎn)因素。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)教授方式枯燥

自然科學(xué)知識是指人類在生活實(shí)踐中對自然界存在的自然規(guī)律的理論性總結(jié)。如果只是單純的理論講解這些知識，學(xué)生們聽不懂，也理解不了，就會枯燥無味，更提不起青少年學(xué)習(xí)的熱情，達(dá)不到學(xué)習(xí)的效果。科學(xué)知識是從實(shí)踐中而來，也需要實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證和展示。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)方案單一知識性差

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程需要考慮很多客觀的因素，包括實(shí)驗(yàn)條件、學(xué)習(xí)者的自身特點(diǎn)等，針對青少年的趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)既要具有知識性又要有趣味性，學(xué)生有興趣參與其中，才能達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。設(shè)計(jì)和實(shí)施趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)的教師因知識基礎(chǔ)和創(chuàng)新理念的匱乏，也會導(dǎo)致科學(xué)實(shí)驗(yàn)方案單一、知識性差等問題。

2.2.4 條件限制

科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要在特定的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，而中小學(xué)校卻很少配有專業(yè)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，這就需要從安全的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)安全環(huán)保的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，突破環(huán)境的限制，力爭在普通的教室或是室外操場就可以開展實(shí)驗(yàn)。

2.3 趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

需要引導(dǎo)學(xué)生開發(fā)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)具備以下條件。

2.3.1 所有材料均采用無毒環(huán)保的食品級材料

盡量采用生活中簡單易得的實(shí)驗(yàn)材料，優(yōu)先選擇食品級材料，如白醋代表酸性物質(zhì)，小蘇打代表堿性物質(zhì)等，實(shí)驗(yàn)器材選擇不易破碎的器皿代替玻璃實(shí)驗(yàn)器皿。以設(shè)計(jì)家用滅火器為例，先把小蘇打放入礦泉水瓶中，再加入白醋，白醋與小蘇打在礦泉水瓶內(nèi)發(fā)生酸堿反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳，將產(chǎn)生的二氧化碳傾倒在燃燒的蠟燭上，即可將燃燒的蠟燭熄滅，做成了家用滅火器。這個(gè)實(shí)驗(yàn)選擇的實(shí)驗(yàn)材料是生活調(diào)味品白醋和小蘇打，反應(yīng)器皿用塑料礦泉水瓶，所用材料均安全環(huán)保，適合中小學(xué)生操作使用。

2.3.2 趣味性與知識性結(jié)合

科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)要結(jié)合趣味性和知識性，例如生物實(shí)驗(yàn)中關(guān)于細(xì)菌的種類，細(xì)菌按照形狀可以分為球菌、桿菌和螺旋菌，但是細(xì)菌很小，學(xué)生看不見摸不到，這些枯燥的生物知識如何有效地傳遞給學(xué)生，這就需要把實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的新奇有趣，引起學(xué)生的好奇和興趣，由淺入深地講解，以達(dá)到趣味性和知識性結(jié)合的目的。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中可以運(yùn)用網(wǎng)上已有視頻，展示形狀各異、五顏六色的細(xì)菌，并通過短片展示細(xì)菌的危害，教育青少年要注意個(gè)人衛(wèi)生，防止疾病傳播。然后讓學(xué)生利用彩泥制作球菌、桿菌和螺旋菌，并放在自制的盤子中，學(xué)生每兩人分為一組，進(jìn)行剪刀石頭布游戲，把球菌看作石頭，桿菌看作布，螺旋菌看作剪刀，最后統(tǒng)計(jì)每個(gè)學(xué)生盤子中球菌、桿菌和螺旋菌的個(gè)數(shù)，菌種多的學(xué)生需要回答教師的問題，并讓學(xué)生把自己的作品帶回家，把課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容講給家長聽。

2.3.3 結(jié)合多種教學(xué)手段，引起學(xué)習(xí)者的積極性

現(xiàn)代教學(xué)手段有很多，如何有效地結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)達(dá)到良好的教學(xué)目的，這就需要課程設(shè)計(jì)時(shí)好好思考。例如制作日、地、月三球運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)，包含四季、節(jié)氣、氣候、月食、日食等成因的知識，教師利用視頻資料，使學(xué)生直觀地了解大自然的變化，引導(dǎo)學(xué)生利用教具三球儀展示地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，教師提出問題，讓學(xué)生思考。首先布置實(shí)驗(yàn)用品，讓學(xué)生自己動手，如利用面粉做地球、月亮和太陽，再用顏料給地球、月亮和太陽涂上喜歡的顏色，等顏料干透后，將地球、月亮和太陽插在固定的三球儀支架上，這樣自己動手就完成了三球儀的制作，轉(zhuǎn)動三球儀，找到地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的規(guī)律，教師再將四季、節(jié)氣、氣候、月食、日食等知識結(jié)合三球儀的轉(zhuǎn)動傳授給學(xué)生。

2.3.4 結(jié)合多學(xué)科知識，實(shí)驗(yàn)豐富多樣

科學(xué)知識包括多學(xué)科內(nèi)容，包括化學(xué)、物理、生物、食品、地理、天文等，因而科學(xué)實(shí)驗(yàn)盡量包括多學(xué)科內(nèi)容，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更加豐富多彩。例如水果發(fā)電實(shí)驗(yàn)，使用水果作為LED燈供電的素材，其發(fā)電的原理和最早的化學(xué)電池有異曲同工之妙。水果之所以能發(fā)電，其原理首先是水果中含有大量果酸，這是一種很好的電解質(zhì)；其次，插入水果中的兩個(gè)金屬片通常情況下電化學(xué)活性是不一樣的，其中更活潑的金屬片能置換出水果中酸性物質(zhì)的氫離子，可以產(chǎn)生電荷，造成電壓的改變，于是便形成一個(gè)原電池。這其中包括了化學(xué)、物理、生物、食品等學(xué)科的知識。

2.3.5 突破環(huán)境限制，靈活開展實(shí)驗(yàn)

科學(xué)知識的傳授需要在日常教學(xué)和生活中潛移默化，以“潤物細(xì)無聲”的方式傳遞給學(xué)生，因而趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)可以突破環(huán)境的限制隨時(shí)隨地展開。利用生活現(xiàn)象向?qū)W生進(jìn)行科學(xué)知識傳播，鼓勵學(xué)生自主開發(fā)、靈活開展趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這將更有利于創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)目標(biāo)。例如野外自制凈水器的實(shí)驗(yàn)，可以帶著學(xué)生在大自然中選取實(shí)驗(yàn)用品，把野外的河水凈化。先把礦泉水瓶在底部剪開，靠近瓶口處放上樹葉，防止物體漏掉，然后放入細(xì)沙，起到過濾的目的，最后再放入石子，可以濾掉大的雜質(zhì)。取河里的水，倒入自制凈水器中，經(jīng)過石子和細(xì)沙的過濾，可以有效去除雜質(zhì)，達(dá)到凈化水的目的。

2.4 設(shè)計(jì)趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程

2.4.1 收集材料，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要具有趣味性和知識性，因而針對學(xué)習(xí)對象和學(xué)習(xí)內(nèi)容，利用網(wǎng)上資源、教材、相關(guān)材料等，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。根據(jù)2.3科學(xué)趣味實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則，選擇食品級安全材料，運(yùn)用已有知識基礎(chǔ)及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)合理安排實(shí)驗(yàn)過程，盡量采用多種教學(xué)手段，結(jié)合多學(xué)科知識。實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備包括：實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)材料、教學(xué)視頻、教學(xué)PPT、實(shí)驗(yàn)評價(jià)表等。

2.4.2 具體實(shí)施課堂教學(xué)

具體實(shí)施趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)，需要課前準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料。課上采用引導(dǎo)式教學(xué)模式，教師通過教學(xué)視頻或是提出問題引起學(xué)生好奇心，然后通過教學(xué)PPT講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、操作過程。實(shí)驗(yàn)過程以學(xué)生為主體，教師只是引導(dǎo)鼓勵學(xué)生多思考、多動手，隨著實(shí)驗(yàn)過程將知識點(diǎn)以潤物細(xì)無聲的方式傳授給學(xué)生。試驗(yàn)結(jié)束后要及時(shí)總結(jié)知識點(diǎn)。

2.4.3 成績總結(jié)，教學(xué)反思

采用多種成績總結(jié)，可以采用競爭激勵式(包括小組或個(gè)人激勵的方式)、獎勵式、評分制等，以激勵學(xué)生樂于參與到趣味科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。實(shí)驗(yàn)評價(jià)表記錄實(shí)驗(yàn)過程和學(xué)生表現(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)成功或失敗之處等，反思實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，及時(shí)修正實(shí)驗(yàn)方案。

結(jié)語

本文發(fā)揮大學(xué)教師知識的綜合性運(yùn)用與營造學(xué)?？蒲蟹諊?，針對我國青少年學(xué)生特點(diǎn)，引導(dǎo)科學(xué)教育專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)新奇、未知、充滿趣味性的科學(xué)世界。在以后的教學(xué)中激發(fā)青少年學(xué)習(xí)科學(xué)知識的興趣，從小培養(yǎng)小學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力、獨(dú)立思考能力和解決問題能力，從而提升全民科學(xué)素養(yǎng)。