◎姚國明

實(shí)驗(yàn)是初中科學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，也是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)課程的重要途徑。在教學(xué)實(shí)踐中，科學(xué)教師雖然在觀念上認(rèn)同實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的地位和作用，在行動(dòng)上也在積極開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但存在的一個(gè)突出問題是實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量并不高，典型的表現(xiàn)是學(xué)生會(huì)做實(shí)驗(yàn)不會(huì)分析現(xiàn)象，會(huì)分析現(xiàn)象不會(huì)概括本質(zhì)，能得出結(jié)論不會(huì)解決問題，能解決問題不會(huì)遷移應(yīng)用，即在科學(xué)能力、科學(xué)思維、科學(xué)方法等方面沒有得到很好的訓(xùn)練和提升。初中科學(xué)課程對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求為何難以落實(shí)？實(shí)驗(yàn)教學(xué)又如何走出困境趨向優(yōu)質(zhì)？筆者就其四個(gè)方面的核心問題分別開展探討。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì): 從注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果到重視設(shè)計(jì)過程

初中科學(xué)教材對每章節(jié)中的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)都提供了實(shí)驗(yàn)方案，這為教師開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了參考。然而，不少教師機(jī)械地照搬教材中的實(shí)驗(yàn)方案，忽視實(shí)驗(yàn)方案背后的設(shè)計(jì)過程及其中所蘊(yùn)藏的科學(xué)知識和思維發(fā)展過程，使實(shí)驗(yàn)效果大打折扣。如在“探究二力平衡條件”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大多數(shù)教師是按照教材提供的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行探究的，實(shí)驗(yàn)過程簡單直觀，實(shí)驗(yàn)效果看似完美。然而，教材中呈現(xiàn)的該實(shí)驗(yàn)方案的價(jià)值真正實(shí)現(xiàn)了嗎？如果仔細(xì)分析，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)方案的價(jià)值還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有實(shí)現(xiàn)。

其實(shí)，從認(rèn)知角度看，“二力平衡條件”的知識點(diǎn)本身是不難理解的。因此，該教學(xué)的難點(diǎn)不在于實(shí)驗(yàn)結(jié)論，而在于實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和分析。教師若能重視實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)過程，引導(dǎo)學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行再現(xiàn)和分析，是非常有利于學(xué)生思維發(fā)展的。

重視實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程，雖然在一定程度上可能會(huì)延長實(shí)驗(yàn)過程所耗費(fèi)的時(shí)間，但是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的價(jià)值能得到最大程度的顯現(xiàn)。學(xué)生在參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過程中，由淺入深地思考問題，不斷地解決問題，逐漸調(diào)整優(yōu)化方案，原有的經(jīng)驗(yàn)會(huì)被充分喚醒，思維產(chǎn)生連續(xù)沖突，實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和思維水平就會(huì)得到提升。因此，在初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要轉(zhuǎn)變觀念，不僅要關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更要重視實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)。“一個(gè)好的科學(xué)探究過程的設(shè)計(jì)，實(shí)際上就是學(xué)生思維發(fā)展的過程，就是在實(shí)際情境中綜合運(yùn)用知識、技能來解決真實(shí)問題關(guān)鍵能力的提升過程?！盵1]

二、實(shí)驗(yàn)組織: 從注重啟發(fā)引導(dǎo)到強(qiáng)化探究發(fā)現(xiàn)

從學(xué)習(xí)觀角度看，探究性實(shí)驗(yàn)是一種更符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)和需求的學(xué)習(xí)方式。從教學(xué)觀角度看，探究性實(shí)驗(yàn)在學(xué)生主體激發(fā)、思維發(fā)展和師生積極交互等方面也更有作為。因此，在初中科學(xué)教學(xué)中，應(yīng)給學(xué)生提供充分的科學(xué)探究機(jī)會(huì)，讓學(xué)生通過手腦并用的探究活動(dòng)，體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，如此才能“使學(xué)生更深刻地理解科學(xué)知識，更好地掌握科學(xué)方法，而且使學(xué)生得以親身體會(huì)科學(xué)精神的實(shí)質(zhì)”[2]。然而，在實(shí)際教學(xué)中，不少教師對探究性實(shí)驗(yàn)熟視無睹，不僅無法將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成探究性實(shí)驗(yàn)，還將原本的探究性實(shí)驗(yàn)演化成了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

比如“研究影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱的因素”是一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)，教師在引導(dǎo)學(xué)生完成提出問題和作出假設(shè)環(huán)節(jié)后，直接給出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路圖，然后提出“實(shí)驗(yàn)中為什么要用電流表，它起什么作用”“實(shí)驗(yàn)中彈簧秤下為什么要掛一鐵塊，它有什么作用”“如何判斷電磁鐵磁性強(qiáng)弱”這樣三個(gè)問題讓學(xué)生進(jìn)行分析，看似完成了制訂計(jì)劃這個(gè)環(huán)節(jié)，其實(shí)缺少“探究意味”，學(xué)生的思維發(fā)展也不充分，教師在不知不覺中完成了一次“偽探究”。

那么如何設(shè)計(jì)這一教學(xué)環(huán)節(jié)才能凸顯科學(xué)課堂的“探究意味”呢？教師只需改變實(shí)驗(yàn)組織的方式，將“提出問題”改為“發(fā)現(xiàn)問題”，將“分析方法”改為“尋找方法”，即先組織學(xué)生思考設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案需要解決的關(guān)鍵(核心)問題；然后再組織學(xué)生分組討論，尋找解決問題的方法(具體如表1所示)；最后引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)選出C、E、G組提出的方法來組成實(shí)驗(yàn)電路圖。

表1 “研究影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱的因素”實(shí)驗(yàn)探究方案

同樣的教學(xué)環(huán)節(jié)，同樣的實(shí)驗(yàn)方案，兩種不同的設(shè)計(jì)理念，實(shí)驗(yàn)的“探究意味”完全不同，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果也完全不同?？茖W(xué)的本質(zhì)特征是探究，在科學(xué)教育的過程中應(yīng)體現(xiàn)科學(xué)探究的精神，用科學(xué)探究的理念來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，用科學(xué)探究的方式來呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程，讓學(xué)生親身經(jīng)歷以科學(xué)探究為主的學(xué)習(xí)活動(dòng)。如此，不僅能讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程充滿魅力，而且更符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，對他們的長遠(yuǎn)發(fā)展也更有意義[3]。

三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 從關(guān)注技能操作到聚焦科學(xué)思維

科學(xué)教育的核心目標(biāo)是促進(jìn)學(xué)生高階思維能力的發(fā)展[4]，因此，作為一種教學(xué)方式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本目的也應(yīng)該是通過實(shí)驗(yàn)活動(dòng)訓(xùn)練學(xué)生思維。然而，現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然習(xí)慣性地聚焦操作技能訓(xùn)練，而忽視思維的培養(yǎng)。“思維能力培養(yǎng)的不足導(dǎo)致學(xué)生無法真正理解科學(xué)探究的本質(zhì)，無法靈活解決現(xiàn)實(shí)情境中的真實(shí)問題?！盵5]

如在“阿基米德定律”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師往往是利用彈簧測力計(jì)、金屬筒、小鐵塊、溢水杯、小燒杯等器材，按照教材中的實(shí)驗(yàn)方案，引導(dǎo)學(xué)生一步步實(shí)驗(yàn)，最后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出阿基米德定律的內(nèi)容和公式。然而，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路并不明晰，因此對實(shí)驗(yàn)中要用到金屬筒以及要將小燒杯中的水倒回到金屬筒的操作并不理解，只是機(jī)械地按照教材提供的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，雖然最后得出了結(jié)論，但其實(shí)對阿基米德定律的內(nèi)容認(rèn)識得并不深刻。這就是很多學(xué)生會(huì)做阿基米德定律實(shí)驗(yàn)，而一旦碰到浮力的實(shí)際問題就束手無策的原因。

若以思維線來設(shè)計(jì)“阿基米德定律”實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果就完全不同。教師在引導(dǎo)學(xué)生得出“浮力大小可能與物體排開液體多少有關(guān)”的假設(shè)后，問學(xué)生“實(shí)驗(yàn)中關(guān)鍵是要測出哪兩個(gè)量的數(shù)據(jù)”，學(xué)生通過分析假設(shè)后認(rèn)為“關(guān)鍵是需要測出浮力和物體排開液體的重力兩個(gè)量”。那么，實(shí)驗(yàn)需要用到什么器材？如何來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程？教師讓學(xué)生分組進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，大部分學(xué)生會(huì)想到教材中提供的實(shí)驗(yàn)方案，即利用彈簧測力計(jì)來測出兩個(gè)力的大小，通過分別測出浮力和物體排開液體的重力的方式來比較兩個(gè)量的關(guān)系。然而，他們可能并沒有想到“將排開的水重新倒入金屬筒使彈簧秤指針重新回到開始前的刻度”這一方式來比較浮力和物體排開液體重力的關(guān)系。

教師再問“若實(shí)驗(yàn)中沒有金屬筒，是否還能測出物體排開水的重力？你又有什么辦法測出這個(gè)量？”有學(xué)生想到了用天平測物體排開水的質(zhì)量，然后再根據(jù)重力公式來求算重力的辦法。

教師繼續(xù)追問“若實(shí)驗(yàn)中沒有天平，是否還有其他辦法測出這個(gè)量？”有學(xué)生想到了用量筒測物體排開水的體積，然后再根據(jù)密度公式來求算重力的辦法。

科學(xué)思維是科學(xué)研究的靈魂[6]，而實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)科學(xué)課程的重要方法。沒有實(shí)驗(yàn)的科學(xué)課堂不是真正的科學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)，而沒有思辨的科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)同樣也不是完美的科學(xué)課堂。聚焦科學(xué)思維是初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心目標(biāo)和根本任務(wù)。

四、實(shí)驗(yàn)價(jià)值: 從關(guān)注問題解決到凸顯方法思想

科學(xué)方法是人們在認(rèn)識和改造世界中遵循或運(yùn)用的、符合科學(xué)一般原則的各種途徑和手段，包括在理論研究、應(yīng)用研究、開發(fā)推廣等科學(xué)活動(dòng)過程中采用的思路、程序、規(guī)則、技巧和模式。[7]科學(xué)方法作為科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分，是初中科學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，也是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)課程的重要方法。初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含著許多基本的科學(xué)方法，如觀察、歸納、演繹、轉(zhuǎn)化、理想實(shí)驗(yàn)、推理、模型、類比、等效替換、控制變量等，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中滲透這些方法思想，并引導(dǎo)學(xué)生將這些方法轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)科學(xué)課程的思維方式和能力，不僅能使學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率，還能幫助學(xué)生提升學(xué)習(xí)科學(xué)課程的興趣。令人遺憾的是，不少教師在科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中習(xí)慣性地強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用，而忽視了實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)出的科學(xué)方法和科學(xué)思想的教育。這種指向知識和技能的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“最后一公里”沒有被打通，實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得膚淺且無色彩。

如在“大氣壓大小的測量”這一實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師經(jīng)常是以意大利科學(xué)家托里拆利測量大氣壓的故事引入，然后借助現(xiàn)有的器材演示“托里拆利實(shí)驗(yàn)”，之后再分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過計(jì)算總結(jié)得出大氣壓的值。但是為什么要用水銀來求大氣壓的值？其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想和方法是怎樣的？如果教師以“覆杯實(shí)驗(yàn)”切入，引導(dǎo)學(xué)生對紙片進(jìn)行受力分析。在學(xué)生明白了紙片為什么不掉下后，教師問學(xué)生“杯中的水是否可以裝無限高，什么樣的情況下紙片剛好掉下”，在學(xué)生作出判斷后，再問學(xué)生“大氣壓能否直接測量，‘覆杯實(shí)驗(yàn)’對測量大氣壓有什么啟示”，學(xué)生自然而然會(huì)想到“用水的壓強(qiáng)來間接測量大氣壓”，教師再引導(dǎo)學(xué)生思考“為了減小實(shí)驗(yàn)中液柱的高度，最好用什么樣的液體做實(shí)驗(yàn)”，至此，教師引出并演示“托里拆利實(shí)驗(yàn)”。

此時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生得出“對于一些看不見摸不著的現(xiàn)象或不易直接測量的量，通常用一些非常直觀的現(xiàn)象去認(rèn)識或用易測量的量間接測量，這種研究問題的方法叫轉(zhuǎn)換法”。在認(rèn)識到這一科學(xué)方法后，不少學(xué)生立馬想到還可以把大氣壓轉(zhuǎn)化為固體壓強(qiáng)來進(jìn)行測量。比如，有同學(xué)想到了利用針筒掛重物的方法來測量大氣壓；還有的想到了用平時(shí)玩的皮碗掛重物的方法來測量大氣壓。

科學(xué)方法是科學(xué)知識轉(zhuǎn)化為科學(xué)能力的橋梁和紐帶[8]，科學(xué)方法的教育是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)形成的關(guān)鍵[9]，多樣化的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)方法的重要途徑[10]。在初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)在指導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)解決科學(xué)問題的同時(shí)，潛移默化地滲透科學(xué)研究方法，有意識地引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用相應(yīng)的科學(xué)研究方法去分析或解決科學(xué)問題。這樣不僅會(huì)大大提高學(xué)生對科學(xué)現(xiàn)象、概念或規(guī)律的認(rèn)識和理解能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法和習(xí)慣、提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

(姚國明，紹興市長城中學(xué)，浙江 紹興 312000)