對小學科學實驗設計的分析與思考曹菊峰作者簡介：曹菊峰，長興縣夾浦鎮中心小學（浙江湖州313109）o原發信息：《實驗教學與儀器》（長沙）2020年第20209期第64-67頁內容提要：實驗設計的優劣影響著科學教學的效率及學生科學素養的提升。在教學中，小學科學的實驗設計應做到規范、科學，立足探究目標，凸顯實驗設計層次、有序，突破教學重點和難點，力求實驗設計形象、直觀。教師應深刻理解教材內容，精心設計實驗，適當改進實驗，探索最優化的教學方法。只有這樣，才能提高課堂教學效率，培養學生的科學素養。關鍵詞：小學科學/實驗設計/教學/分析/思考期刊名稱：《素質教育》復印期號：2021年02期在眾多課程中，學生往往對科學學科情有獨鐘。究其原因，是科學課程中獨有的科學探究實驗深深地吸引著學生。而科學探究又與實驗設計緊密地聯系在一起。基于此，筆者認為小學科學教師需要深入解讀教材內容，立足教學目標，突破教學重難點，進行實驗設計和研究，從而促進科學學科教學。一、解讀教材內容，確保實驗設計規范、科學小學科學教材中的實驗內容和設計立足高位，看待問題偏理想化，時常會忽略實驗探究過程中的真實情況，倘假設僅按教材內容和設計按部就班，往往會呈現出不盡如人意的效果，留下種種遺憾。為此，筆者在準確把握教材內容的基礎上，追求實驗設計的"簡約"，遵循規范性、科學性的原那么，化繁為簡，即選用簡易可得、生活化的材料，便于學生探究［1］。"水在什么溫度時結冰"是教科版（2017版）三年級下冊"水結冰了"一課的主要探究活動。根據教材安排，該實驗是將盛有少量水的試管插入加有食鹽的碎冰中，并將溫度計放入試管中，觀測試管中的水開始結冰時的溫度（圖1）。按理說，冰點溫度應該是0℃,但學生的實測溫度往往是-2。（：或-3。匚究其原因，是溫度計使用方法不當。按教材圖示可知，溫度計的感溫包是直接接觸試管壁的，所測溫度是含鹽冰水混合物的溫度，而非試管中冰水混合物的溫度。按規范，溫度計在使用過程中是不能碰試管壁的，但學生很難在較長時間里做到如此規范。為此，筆者利用膠頭滴管的膠管改制了一個小裝置（圖2）。方法是，將膠管的頂部剪下，用打孔器在其頂端打一小孔，用于插入溫度計的感溫包；側面打兩對小孔，便于熱量傳遞。學生用此裝置便可輕松做到規范測量，所測數據自然也就準確了，多數小組實測水結冰的溫度為0℃o這一例證說明，小小的一項改進，就能讓實驗探究規范、科學。觀察硫酸銅溶液與鐵釘的反響是教科版六年級下冊"化學變化伴隨的現象"一課中的一個主要實驗，旨在通過實驗讓學生觀察到物質在化學變化中往往伴隨有顏色改變、生成附著物（沉淀物）等現象。但根據教材安排（圖3）,用一杯硫酸銅溶液與一枚鐵釘反響，在一節課里是不能看到溶液顏色發生變化的。原因很簡單，這是一個置換反響，參與反響的雙方量極其不匹配。為此，筆者從材料配送和教學策略兩方面入手來優化這個實驗。具體做法是：用一次性注射器吸取約7mL硫酸銅溶液分發到小組；實驗時，讓學生向小藥瓶中注入5mL硫酸銅溶液，留2mL在注射器中作為樣本；將鐵釘的一端浸入瓶中數秒后取出，用紙巾擦拭后再次浸入溶液中，觀察實驗現象（圖4）。此時，學生自然關注到鐵釘的變化，通過師生互動和引導，學生理解到附著于鐵釘外表的紅色物質是反響后產生的新物質——銅。隨后，教師引導學生比擬小藥瓶中的溶液和注射器中的溶液，發現藥瓶中的硫酸銅溶液顏色明顯變淺甚至泛綠，從而引導學生理解在反響中硫酸銅也發生了變化，產生了新的物質。前面鐵釘兩次浸入硫酸銅溶液，一方面去除了雜質的干擾，方便學生觀察到銅的色澤；另一方面，提高了鐵與硫酸銅的反響效率。后面師生關于附著物的探討，于無形中延長了鐵釘與硫酸銅溶液的反響時間，使反響更充分。正是有了對實驗材料和實驗時間的科學把控，不僅使該實驗效果明顯，而且省時省料。當然，我們并不需要刻意改變教材的實驗設計和內容，而是秉持立足教材、有效利用材料的原那么，采用科學、規范的操作，解決學生心中的疑惑，并幫助學生及時、準確地建構概念。這是我們科學課堂教學所期望達到的。二、立足探究目標，凸顯實驗設計層次、有序并不是所有的實驗設計都適合探究活動，有些僅僅屬于觀察活動，而并非科學探究活動。只有那些能指向探究目標，可以幫助學生完成科學概念建構的設計和材料，才適合學生探究。然而，在教材中有的探究目標規定一課時要進行較長時間的探究，又或者實驗較多，將學生思維和探究時間割裂，顯得無序和缺乏連貫性。在探究活動中，設計有層次的實驗且有序呈現，既可保證探究時間和探究內容的連續性，又能讓學生的科學思維深度開展，提升探究能力，以此到達探究目標。教科版六年級下冊的"用顯微鏡觀察身邊的生命世界（三）”一課的探究目標旨在通過顯微鏡觀察水中的微生物，認識到微生物也屬于生物，也具有一般生物應有的生命特征，從而把學生的視角引入神奇的微生物世界。要到達上述目標，前提是學生能觀察到微生物。這就需要考量"材料""方法"等因素。盡管教材為我們支了不少招，比方用魚缸、池塘的水或加干草培養的水作為標本；或采用玻片標本的制作方法，以及控制微生物運動的"棉纖法""吸水法”等（下頁圖5），但經實踐后發現，這些方法收效甚微，常常是水中無"物"。筆者經過苦苦探尋，終于找到了"良方"：首先是解決"水"中有"物"的問題。筆者從水稻田里拔來了帶根帶土的稻草茬，每隔2~3d浸泡一些，這樣就可以輕松獲得大量種類繁多的微生物。此外，不同的培養期所呈現的微生物種類不同。因此，用于觀察的教學用水可以在課前從不同的培養液中吸取。觀察時，只需滴一滴培養液于載玻片上，無需蓋蓋玻片，就可確保水中含有大量的微生物。其次是解決"物"在"鏡"中的問題。在教學中，筆者以學生強烈的觀察需求和興趣為切入點，分層組織觀察活動。先用5倍目鏡觀察（物鏡固定，用10倍），確保學生能觀察到大量的形態各異的微生物，從而激起他們想看得更清楚的觀察欲望。然后讓學生用5倍目鏡換取16倍目鏡繼續觀察，要求關注1~2種微生物并用簡單的圖文記錄相關特征，以此喚起"它是什么微生物”的需求。接著為學生提供根據觀察匯編的自制微生物資料卡（圖6）,要求他們繼續觀察比對。最后進行交流匯報，在匯報中提煉微生物的生命特征，建構微生物也是生物的科學概念，感受到微生物世界的神奇。作為科學教師，我們必須清醒地認識到所有的實驗設計都應根據探究目標來設計。因此，我們要做到基于目標來定位實驗設計，力求實驗的整合、連貫、有序。三、突破教學重點難點，力求實驗設計形象、直觀小學生的思維正處于從具體形象思維向抽象邏輯思維的過渡中，但仍以具體形象思維為主。因此，在教學中，遇到抽象隱性的內容，尤其是重點和難點內容時，教師應向學生提供足夠的有結構的材料，重新設計實驗，獲取具體直觀的實驗事實，從而讓學生進行有效的科學探究，使實驗現象和思維開展可視化［2］。在教科版六年級下冊"日食和月食”一課的教學中，對這兩種天文現象發生的過程、成因和類型的理解應該是本課的教學重點和難點。不少教師在教學本課時特意把本課的重點和難點定位在日食和月食的成因及日食帶的理解上，甚至一些教師追求極致，在日食帶的理解上煞費苦功，這顯然是加深了本課的難度，使對重點和難點的理解發生了偏移。經調查，對于日食和月食的類型，大多數學生停留在死記硬背的層面上。如何讓他們對此有比擬理性、全面的認知呢？當下雖然有動畫、圖示等方法可以輔助教學，但筆者更樂于用教具輔助教學。如圖7所示，將一張較大的紅色圓卡紙貼于黑板上當作太陽，用一張較小的黑色圓卡紙掛于傳動裝置的棉線上當作背光的月球。傳動裝置放置在講臺上，用小電動機傳動，并模擬月球的運行方向——自西向東。兩張圓卡紙的大小及傳動裝置的位置調整以在教室中央稍靠近講臺、用單眼能看到黑色卡紙正好遮擋住紅色卡紙為宜。在教學時，筆者先通過教材上的模擬實驗（手電筒、乒乓球、小地球儀）感知日食的形成原因，然后引導學生：剛才我們是在宇宙上觀察日食，如果在地球上觀察，又是怎樣的呢？筆者呈現教具，學生坐在座位上模擬在地球上各個地區的人們，將"月球”先放在西端，啟動電機使其自西向東運行，讓全體學生用單眼觀察“太陽"，然后交流所見現象。極少數學生看到了"月球"曾經把"太陽"整個遮住；也有極少數學生看到了"月球"遮住"太陽"時留下了圓環；少數學生只看到"月球"能局部遮擋"太陽"；而多數學生始終沒有看到"月球"遮擋"太陽”的現象。此時讓學生思考，同在一間教室里，大家看到的現象為什么不一樣呢？引導學生分析，這是因為每個學生與實驗裝置的位置、距離不同造成的，從而將模擬實驗的現象順勢遷移到日食形成的過程、成因及類型的解釋上，也將日食帶的變化巧妙地滲透于其中，為學生今后深入研究提供了強有力的事實證據。接著，交換座位，再次讓學生感受并理解日食發生時，地球上只有少局部地區的人能看到，且是變化的。此時，教師再適時出示天文愛好者為了看到日食而四處奔波的情景，感受日食的罕見及他們對天文現象的熱愛。同樣，以上裝置也可以模擬月食現象，幫助學生掌握月食的形成過程、成因及類型。不同的是，把模擬太陽的紅色卡紙換成黑色卡紙，并用一支架將其放置在傳動裝置的前面當作地球背光面的陰影；把模擬月球的黑色卡紙換成同樣大小的白色鉛畫紙，當作被太陽照亮的月球（圖8）,實驗方法同上。在實驗中，很多學生看到了"月球”由東側開始慢慢整個進入了"地影"，然后慢慢走出"地影"。也有較多學生在整個過程中看到"月球"只是局部進入了“地影"。隨后，學生嘗試解釋月食的形成過程、成因及類型。最后，學生對日食和月食進行比擬，除了成因、類型、時間不同，學生最大的感受是發生日食時只有少局部人能看到，而發生月食時，幾乎半個地球