“變式實驗”在科學教學中的實踐與研究

王孝德 張夢雅

摘 要：以實驗為基礎(chǔ)是科學教學的基本特征。如何提高科學實驗的效率，體現(xiàn)“學為中心”的思想，是科學教學的一個重要課題，也是素質(zhì)教育的基本要求。在科學課堂教學實踐中，我們努力探討了變式實驗教學及其教學策略，希望能對科學教學有所啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：變式實驗；科學教學；實驗優(yōu)化

科學課程的核心理念之一就是科學探究。隨著新一輪課程改革的縱深推進，實驗已成為教學環(huán)節(jié)的重要組成部分。我們以實驗為基本手段和方法，調(diào)動全體學生的積極性，優(yōu)化學生思維品質(zhì)，培養(yǎng)學生學習習慣和學習方法，從而減輕了學生負擔。在變式實驗教學過程中，我們積極調(diào)動學生的學習情感，組織學生開展活動，把握活動的廣度和深度，激發(fā)學生思維，從而達到素質(zhì)教育的真正目的——啟蒙人的智慧與思想。

變式教學最早起源于上海學者顧泠沅，他在《學會教學》中率先加以研究，以“青浦實驗”有關(guān)變式教學的研究為基礎(chǔ)，從一個特定的角度對中國數(shù)學變式教學進行經(jīng)驗反思與理論分析。所謂“變式”，就是指教師有目的、有計劃地對命題進行合理的轉(zhuǎn)化。由于學科之間的共通性，科學中采用變式實驗優(yōu)化教學。我們用不同形式的實驗材料，變換實驗方式幫助學生理解實驗原理，建構(gòu)科學概念，提高學習效率。為了實現(xiàn)有效變式實驗教學，體現(xiàn)“學為中心”的思想。

一、實驗材料的優(yōu)化是實現(xiàn)有效“變式實驗”教學的重要策略

黃鵬飛老師提出基于“學為中心”的“五優(yōu)化”實驗教學，包括優(yōu)化實驗?zāi)繕?、?yōu)化實驗方式、優(yōu)化實驗準備、優(yōu)化實驗過程、優(yōu)化實驗評價。其中，實驗準備的優(yōu)化是最為有效的方法之一，而在實驗準備優(yōu)化過程中，實驗材料的優(yōu)化較為高效，也是“學為中心”的直觀體現(xiàn)之一。材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化讓學生更投入地探究、更自由地操作、更有效地學習；使學生通過研究材料去發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，促進學生養(yǎng)成科學素養(yǎng)。例如，在2012年浙江省優(yōu)質(zhì)課評比中，“電熱器”課例充分體現(xiàn)了通過實驗材料的優(yōu)化，達到有效變式實驗教學的目的。

師出示：一根電阻絲，連接到電路中，閉合開關(guān)。

設(shè)問：現(xiàn)在這根電阻絲是否有熱量產(chǎn)生？

生1：用手來摸，如果感覺熱，就說明產(chǎn)生了熱量。

師：這想法理論上是可行的，但實際操作中是有問題的。

生2：繼續(xù)通電看電阻絲是否會發(fā)紅。

師：這也許需要很長的時間。

教師出示一個泡沫，把泡沫放在剛才的電阻絲上，泡沫很快被切斷了。

師設(shè)問：你觀察到了什么現(xiàn)象？

生1：泡沫被切斷了。

師：說明了什么？

生1：電阻絲產(chǎn)生了熱量，把泡沫切斷了。

師：把不可見的現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為可以看到的現(xiàn)象，科學上把這種方法叫作轉(zhuǎn)換法。

“電熱器”這一課例將書本中的電阻絲加熱實驗進行變式，用泡沫切割的方法替代溫度計，實驗過程簡單，現(xiàn)象明顯，表達清晰，學生較容易理解。通過實驗材料的優(yōu)化，學生能清楚地理解電阻產(chǎn)熱的原理，并滲透了轉(zhuǎn)換法的科學方法，由淺入深，激發(fā)了學生的探究欲，在變式實驗中體現(xiàn)了“學為中心”的主旨，突出了學生的主體性。

二、拓展學生思維是有效“變式實驗”教學的前提

實驗材料的優(yōu)化作為實現(xiàn)變式實驗教學的有效策略之一，方法簡便，效率高，但需要教師具有較強的創(chuàng)新能力，且需要思維的靈活度。學生是課堂的主體，更是實驗教學活動的主要參與者。為了體現(xiàn)“學為中心”的思想，我們強調(diào)必須在實驗變式教學中拓展學生思維，具體可以通過探測學情、內(nèi)化概念、建構(gòu)概念等過程拓展思維。

1.探測學情，引發(fā)思考

實驗前的預(yù)測是拓展學生思維的切入點。在實驗進行之前，教師應(yīng)通過創(chuàng)設(shè)富有挑戰(zhàn)性的問題情境，引發(fā)認知沖突，而設(shè)定的實驗恰是解決這一認知沖突的關(guān)鍵。現(xiàn)以“氣體壓強和流速關(guān)系”這一課為例。

師：這里有兩張紙片，如果往紙片中間吹氣，會有什么現(xiàn)象？

生1：會吹開。

師追問：為什么會吹開？

生1：我生活中吹紙片，一吹就吹開了

師：其他同學呢，有沒有不同的觀點？（學生都點頭）

師：科學是講究證據(jù)的，我們需要通過實驗來驗證這一現(xiàn)象。

教師以兩張紙片的例子探測學情，一部分學生可能會說紙片會吹開，這與實驗結(jié)果相反，從而引發(fā)認知沖突，拓展學生的思維，激發(fā)其學習興趣，建構(gòu)出一個概念——氣體流速越大，壓強越小。試探性的學情預(yù)測能夠使學生的思維過渡到活動中，從預(yù)測到思維的過渡是一個循序漸進的過程，學生逐漸建構(gòu)概念，符合其認知發(fā)展規(guī)律。

2.運用新知，內(nèi)化概念

科學概念建構(gòu)之后，需要讓學生明確科學概念是經(jīng)得起反復(fù)考證的。所以，由學生設(shè)計實驗來驗證科學概念的正確性，用不同形式的直觀材料或?qū)嵗f明事物的本質(zhì)屬性。這也是學生對科學概念的遷移和提升。現(xiàn)以“氣體壓強和流速關(guān)系”一課的實驗環(huán)節(jié)為例。

師：其實這一規(guī)律在生活中還有很多應(yīng)用，請同學們盡可能設(shè)計實驗，實驗器材有

乒乓球、吸管、燒杯（水）、一次性塑料杯、紙，待會兒請同學上來演示，一個同學做，一個同學仿照這個范本進行講述。

（1）你用______使______處氣體的流速變______了。

（2）你通過______現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)______處壓強變______了。

（3）你得出______結(jié)論______。

小結(jié)：當氣體流速越大，壓強會越小。那么液體呢？

請同學們利用輪船、注射器、乒乓球、水槽（注意注射器的水流水平射出）來設(shè)計實驗，驗證液體壓強和流速的關(guān)系，也仿照范本：

（1）你用____________使______處液體的流速變______了。

（2）你通過____________現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)____________處壓強變______了。

學生運用剛掌握的結(jié)論進行自主設(shè)計實驗，并應(yīng)用科學概念。他們能輕易地設(shè)計出乒乓球從紙杯跳起、兩塑料杯內(nèi)吹乒乓球等實驗，最后，在液體壓強與流速關(guān)系的教學中，直接給出器材輪船、注射器、水槽，由學生自主探究。這是因為在之前氣體壓強與流速關(guān)系的學習中，教師已經(jīng)作好鋪墊，學生能夠由氣體壓強與流速的關(guān)系類比推出液體壓強與流速的關(guān)系，所以能比較容易地設(shè)計實驗。教師合理利用實驗設(shè)計環(huán)節(jié)，能夠使學生的思維更廣、更深，內(nèi)化科學概念。

3.建構(gòu)概念，發(fā)展認知

概念初步建構(gòu)好后，就需要發(fā)展學生的認知，感知建構(gòu)經(jīng)驗。當教學內(nèi)容所蘊涵的信息通過一系列活動呈現(xiàn)在學生面前時，只有超越所給的信息，才會獲得重要的、可遷移的觀念，才能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，而這種超越就是對實驗現(xiàn)象的解釋。在“氣體壓強和流速關(guān)系”課例中，就體現(xiàn)了概念從建構(gòu)到發(fā)展的過程，反映了學生思維的發(fā)展過程。

師：為什么紙片會靠攏呢？看來咱們要好好分析下。紙片的中間和外面充斥著什么？

生：空氣。

師：那剛開始前，紙片處于什么狀態(tài)？

生：靜止。

師：說明紙片兩側(cè)受到的大氣壓力有什么關(guān)系？

生：相等。

師：吹氣不是把中間的空氣吹跑，而是使中間的氣體流速變大，那我們看到了什么現(xiàn)象？

生：紙片靠攏了，里側(cè)的壓強小，外面的壓強沒有改變。

師：通過這個實驗，咱們得出的結(jié)論在生活中有很多應(yīng)用，比如剛才的同學就很巧妙地運用了吹氣讓乒乓球懸浮的辦法，現(xiàn)在我們來解釋下。

吹氣使乒乓球 上方 處的氣體流速變 大 了，氣壓變 小 了，使乒乓球下方的氣壓大于上方的氣壓，所以乒乓球不會下落。

“紙間吹氣”現(xiàn)象的解釋——初步建構(gòu)“氣體流速越大壓強越小”概念，“懸浮的乒乓球”現(xiàn)象的解釋進一步認同“氣體流速越大壓強越小”概念，在這一過程中概念一步步得到發(fā)展，學生主動地參與到學習過程中，最后真正建構(gòu)“流體流速越大，壓強越小”的概念。

三、學生體驗深刻是有效“變式實驗”教學的途徑

學生思維的拓展可以有效促進概念的發(fā)展，這對于強調(diào)學生思維發(fā)展的“變式實驗”教學是非常重要的。除此之外，學生學習科學知識是接受的過程，更是發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的過程。因此，教師在科學教學中引導(dǎo)學生自主發(fā)現(xiàn)、主動探究，體驗未曾經(jīng)歷的獨特經(jīng)歷，讓學生體驗學習的樂趣。在實驗教學中，學生是主動參與者，變式實驗尤為強調(diào)學生體驗的深刻性。在“氣體壓強和流速關(guān)系”課例中，有許多讓學生印象深刻的體驗活動。

師：現(xiàn)在每位同學都有兩張紙片，大家吹吹看。

師：大家去吹紙片時，發(fā)現(xiàn)紙片怎么樣了？

生：紙片真的合攏了（體驗深刻）

……

師：現(xiàn)在你們在注射水流的過程中發(fā)現(xiàn)了什么？

生：小船碰到一起了?。ń?jīng)驗繼續(xù)延展）

……

師：同學們，當我用吹風機吹機翼時，你觀察到了什么？

生：機翼升起來了?。w驗進一步加強，經(jīng)驗在學生頭腦中牢固建構(gòu)）

從吹紙片到注射小船、吹機翼模型，在這些實驗活動中，學生都親自操作，親自體驗，從“真的合攏”“碰到一起”“機翼升起來”這一系列的話語可以看出，學生對體驗很有感悟，并發(fā)自內(nèi)心地感到快樂，這與“學為中心”的思想是非常契合的，學生在此活動過程中非?？鞓?，學習效率也得到提升。這一系列的活動讓學生體驗非常深刻，經(jīng)驗在學生頭腦中從建構(gòu)到延展再到牢固打下基礎(chǔ)，著實提升了實驗教學的有效性。

四、學生充分交流是有效實驗教學的保證

當學生對一系列彼此有聯(lián)系的材料進行探究并獲得有意義的經(jīng)歷之后，他們的內(nèi)心有了等待開發(fā)的語言思維——一種可用語言表達的思維。這種由前語言思維向語言（概念）思維的轉(zhuǎn)化有一個過程，集體研討則是促進這種轉(zhuǎn)化的有效途徑。學生通過對有效實驗現(xiàn)象和結(jié)果進行交流，這是有效實驗教學的保證。

總之，有效變式實驗是科學實驗教學的重要組成部分，我們通過實驗材料的優(yōu)化、拓展學生思維、充分交流等實踐實現(xiàn)有效的實驗教學。在實驗中調(diào)動學生的積極性，提高學生舉一反三的能力，體現(xiàn)以“學為中心”的思想，有助于素質(zhì)教育的實現(xiàn)。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.初中科學課程標準（2011版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]袁運開，蔡鐵權(quán).科學課程與教學論[M].杭州：浙江教育出版社，2003.