初中科學(xué)課本實驗優(yōu)化與再開發(fā)的策略研究

楊火江

摘 要：師生共同參與，通過對教材從實驗情景、材料、裝置、條件、步驟、設(shè)計過程六個方面進行優(yōu)化與再開發(fā)研究，能發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生探究能力，特別是實驗設(shè)計能力，促進學(xué)生高階思維的形成和發(fā)展;同時也增強了教師實驗教學(xué)能力，提升了課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：初中科學(xué);實驗優(yōu)化;實驗再開發(fā)

一、問題緣起

發(fā)展科學(xué)的素養(yǎng)離不開科學(xué)的學(xué)習(xí)過程?？茖W(xué)之核心是探究，教育的重要目標是促進學(xué)生的發(fā)展，科學(xué)課程應(yīng)當體現(xiàn)這兩者的結(jié)合，凸顯科學(xué)探究的學(xué)習(xí)方式。教師應(yīng)給學(xué)生提供充分的探究機會，讓學(xué)生通過手和腦并用的探究活動，體驗探究過程的挫折和趣味，學(xué)習(xí)科學(xué)方法，發(fā)展科學(xué)探究所需要的能力并促進對科學(xué)探究的理解。

現(xiàn)行浙教版初中科學(xué)教材設(shè)計的許多實驗主要是通過學(xué)生活動和學(xué)生分組實驗，幫助學(xué)生形成一定的科學(xué)素養(yǎng);中考也十分重視基于教材實驗對學(xué)生進行考查。然而，目前的初中科學(xué)實驗教學(xué)存在很多困難。因此，教師如果能對教材中的科學(xué)實驗做出有益的再開發(fā)，并持續(xù)創(chuàng)新科學(xué)實驗，將會促進初中科學(xué)實驗教育教學(xué)的發(fā)展，增強科學(xué)課的教學(xué)效果，從而促使學(xué)生的科學(xué)探究活動更加深入，有效提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

二、近四年杭州科學(xué)學(xué)業(yè)考試中教材實驗考查情況及思考

對近幾年的中考試題卷進行分析，每年中考都有一部分試題是由教材中的實驗經(jīng)過修改、嫁接、變形、拓展延伸而來，比例很高。下面是本人對杭州近4年中考教材實驗改編題的題號和數(shù)量進行的統(tǒng)計：

考查內(nèi)容和要求如下：

（一）考查實驗的基本過程

近四年的中考題考查了實驗的基本過程，包括實驗?zāi)繕恕⑵鞑?、設(shè)計、操作、測量、分析以及結(jié)論等環(huán)節(jié)。

1.提出科學(xué)問題。從實驗現(xiàn)象的觀察中提出問題。

2.表達與交流。對觀察到的事物作出有層次、科學(xué)性的描述。

3.制訂計劃，設(shè)計實驗。

（1）實驗中如何測量一個變量（“做什么”和“怎么做”）。

（2）對所研究問題中的各種變量進行確認和分類，用控制變量法來設(shè)計實驗。

4.表達與交流：運用文字、符號、表圖、模型、公式等解釋并描述探究的過程及結(jié)果。

（二）考查實驗思想方法

考查學(xué)生對實驗思想的認識及如何根據(jù)實驗?zāi)康亩M行相關(guān)實驗設(shè)計能力;考查實驗綜合能力，包括控制變量、轉(zhuǎn)化等方法以及運用和分析能力。

（三）考查實驗操作的嚴謹和規(guī)范

對探究過程和事實獲取方式、方法、過程作出合適評價，能說明非常規(guī)結(jié)果和數(shù)據(jù)的不可靠，或解釋是否充分支持結(jié)論。

（四）考查知識生成過程的檢測

將證據(jù)與科學(xué)知識建立聯(lián)系，得出符合證據(jù)的解釋。

（五）對教材實驗專題研究的思考

奧蘇伯爾：“影響學(xué)習(xí)的唯一最重要因素就是學(xué)生已經(jīng)知道了哪些，要探索明了這一點，并因此進行教學(xué)?！蔽覀冊诮滩膶嶒瀸ｎ}研究中必須厘清書本的學(xué)生實驗、教材活動（演示實驗）、探究活動，分析學(xué)生的掌握情況，在重點和學(xué)生迷惑處實施實驗的優(yōu)化和再開發(fā)教學(xué)。

1.實驗教學(xué)中要積極引領(lǐng)學(xué)生注重實驗過程與方法，科學(xué)合理地分析實驗記錄結(jié)果，得出科學(xué)結(jié)論。

2.在做實驗的過程中，按照書本規(guī)范操作的同時，盡可能讓學(xué)生分析出不規(guī)范操作可能出現(xiàn)的結(jié)果，以及該實驗還能否得出其他可能的結(jié)論。

三、初中科學(xué)教材實驗優(yōu)化與再開發(fā)的策略研討

（一）我校教師優(yōu)化與再開發(fā)“教材實驗”的策略圖

1.專家引領(lǐng)，提高備課組提煉教材“實驗優(yōu)化與再開發(fā)”能力

2.考查學(xué)習(xí)，完善教材實驗優(yōu)化與再開發(fā)機制

（二）科學(xué)教材實驗優(yōu)化與再開發(fā)的案例策略研究

對現(xiàn)行浙教版初中科學(xué)教材設(shè)計的所有實驗進行研究，我們團隊在一年內(nèi)對每一個實驗進行再開發(fā)，著重從以下六個方面案例研究進行突破：

1.實驗裝置優(yōu)化與再開發(fā)，讓探究順暢有效

實驗是學(xué)科學(xué)的最有效手段，實驗裝置是學(xué)生進行實驗探究的“載體”。教材中有些實驗裝置的設(shè)計，粗看沒有什么問題，可一進入課堂，到了實際操作階段，情況就不一樣了。課堂中，由于實驗裝置本身的原因，導(dǎo)致探究活動不能有序進行的情況時有發(fā)生。好多實驗裝置要么操作起來不方便，要么實驗現(xiàn)象不明。因此，教師對相關(guān)的實驗裝置做出有益的改進或創(chuàng)新很有必要。一個合適的實驗裝置可以使課堂的探究活動更順暢有效。

例一：設(shè)置實驗對照排除干擾

浙教版教材七年級上冊第4章P128（圖4-11實驗），教材想通過鉛柱粘合實驗來說明分子間存在引力。但學(xué)生提出：可能是大氣壓力把它緊緊壓在一起。怎么解釋？

針對上述問題，師生一起改進了實驗裝置：在兩鉛塊下再掛一個截面積與鉛塊相同的針筒。實驗時，在針筒下逐漸增掛砝碼，當針筒脫落時，上方的鉛塊還緊緊吸在一起。改進后的對比實驗說明：向上托的大氣壓力無法支撐鉤碼重力時，兩鉛塊接觸面間的分子引力還能克服鉛塊自身重力，緊緊粘合在一起。

例二：改變加熱位置防止對流影響

浙教版教材七年級上冊第4章P140（圖4-34實驗），教材中研究水的比熱比砂石大的實驗，學(xué)生在做的過程中發(fā)現(xiàn)：剛開始右邊盛水的燒杯中溫度計示數(shù)上升比左邊砂石中的快，一段時間后，砂石中的溫度計示數(shù)快速超過水中的溫度計示數(shù)。此現(xiàn)象并非設(shè)計者希望的：一直是砂石中的溫度上升快。究其原因是水會發(fā)生對流，剛開始時熱交換充分，水溫度上升較快。

如何解決此問題？最先學(xué)生考慮把水換成其他固體，如木屑、金屬顆粒等。經(jīng)實驗檢驗發(fā)現(xiàn)木屑密度太小、同質(zhì)量體積太大、金屬因?qū)嵝赃h大于砂石等問題，由于干擾太大而放棄，學(xué)生找到完全相同的酒精燈太難，改用同功率電熱源加熱解決了此問題。我們最終的改進是：把燒杯換成大號試管，相同功率的電熱絲纏繞在試管外中部，分別放入等質(zhì)量40克的砂石和水，讓試管傾斜約與水平線成60°角，溫度計插入砂石和水各自的最中間并固定，同時接通電源，在砂石和水的中上部位加熱，最大程度地避免了水對流造成的影響。多次試驗，成功率100%，電熱絲功率以40-60W最適宜。

學(xué)生通過參與實驗裝置優(yōu)化與再開發(fā)活動，提高了從多角度分析問題的能力、換位思考的能力、辯證看待問題的能力以及解決問題的能力。

2.實驗情景優(yōu)化與再開發(fā)，讓探究貼近生活

生活處處有科學(xué)，初中科學(xué)課程的開展自然少不了不同生活情景材料的參與，若想讓科學(xué)真正進入學(xué)生的內(nèi)心，就必須將生活中的科學(xué)情景合理地運用到初中科學(xué)實驗教學(xué)中，這就要求教師善于觀察，善于運用，通過認真的觀察和用心的鉆研，發(fā)揮出生活情景的最大用途，讓生活服務(wù)于科學(xué)。

例三：溶液配制析誤差

浙教版教材八年級上冊第1章P30（圖1-45實驗），在學(xué)生輕松愉快地完成教材活動后，教師創(chuàng)設(shè)新情境：在實驗操作環(huán)節(jié)中，哪些因素會引起配比的溶液質(zhì)量分數(shù)偏大或偏??？

學(xué)生通過重新審視實驗過程總結(jié)出以下因素：①游碼未調(diào)零就調(diào)節(jié)平衡螺母（偏小）;②左碼右物（偏?。?③指針左（右）偏（偏大或?。?④轉(zhuǎn)移時紙張上有殘留（偏?。?⑤量取液體俯（仰）視（偏大或?。?⑥量筒轉(zhuǎn)移液體時灑出（偏大）;⑦溶液配好后有液體灑出（不變）等。同時，學(xué)生指出：步驟4中量筒把水直接倒入燒杯中是不規(guī)范操作，應(yīng)沿燒杯內(nèi)壁流下，否則會因水分濺出引起配比的溶液質(zhì)量分數(shù)偏大。

教師在課堂上習(xí)慣于“教實驗”，學(xué)生就只會照樣畫葫蘆，“動手”操作一遍實驗，不會理解為什么要如此規(guī)范操作。如果教師能專注于“用實驗教”，結(jié)合生活中情景，分析其中的因果，學(xué)生經(jīng)過身臨其境的體驗，感悟頗深。

例四：受力改變找原因

浮力實驗情景拓展：冰塊用細線拴住，掛在彈簧秤下，慢慢地浸入酒精中，在逐漸融化過程中觀察彈簧秤和臺秤示數(shù)變化。用所學(xué)的力學(xué)知識來解釋現(xiàn)象。

學(xué)生親歷體驗后，能有效突破自己的認識障礙、理解障礙，應(yīng)用浮力、相互作用力、平衡力等知識進行受力分析、解釋復(fù)雜現(xiàn)象變得輕而易舉。

使學(xué)生了解一些他們周圍的自然現(xiàn)象，使他們意識到科學(xué)與自己和社會發(fā)展的緊密關(guān)系，學(xué)好知識，提升素養(yǎng)。倡導(dǎo)學(xué)生主動介入實驗情景優(yōu)化與再開發(fā)，讓學(xué)生樂于探究、勤于動手，培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理信息的能力，提高思維品質(zhì)。

3.實驗材料優(yōu)化與再開發(fā)，讓探究激發(fā)樂趣

在實驗材料優(yōu)化與開發(fā)過程中有利于幫助學(xué)生感悟科學(xué)探究思想，提高觀察調(diào)查、模型建立、實驗數(shù)據(jù)信息分析等探究能力。

例五：材料試驗覓新途

浙教版七年級上冊第2章P50（圖2-19實驗），教材中觀察葉片的結(jié)構(gòu)實驗存在的不足：菠菜葉較容易萎蔫失水，早上買來的菠菜第三節(jié)課做實驗時就蔫了，葉子卷成卷，不好切。如果用水將菠菜浸泡起來，葉子容易變脆，切片多數(shù)不完整，導(dǎo)致上下表皮缺失。

改進材料：教師發(fā)動學(xué)生去試驗身邊易接觸到的植物來替代菠菜葉。學(xué)生通過廣泛試驗發(fā)現(xiàn)可用綠蘿葉替代，此種葉很易切出完整的橫切片，而且不怕蔫，即使放上幾天依然能切出滿意的切片。

例六：廢物利用惜資源

如下圖利用身邊的廢棄塑料瓶，利用各種組合實驗裝置可以研究分子運動、洗氣、除雜等各類化學(xué)實驗?？焖衮炞C自己的設(shè)想，猜測是否可行。

在我們的日常生活中，每天都在產(chǎn)生著大量的廢棄物，例如塑料瓶、破舊的乒乓球、舊書、舊報紙等，教師可以將生活中的廢舊材料引入初中科學(xué)的教學(xué)中，助力初中科學(xué)課堂實驗復(fù)習(xí)教學(xué)的開展，同時，也順帶培養(yǎng)了學(xué)生愛護環(huán)境、節(jié)約資源的優(yōu)良習(xí)慣。

善于利用身邊的物品加以改進，最大限度地發(fā)揮其在科學(xué)教學(xué)中的作用，增加學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，提高發(fā)現(xiàn)問題、解決難題的能力，有利于創(chuàng)造性思維的形成和發(fā)展。

4.實驗條件優(yōu)化與再開發(fā)，讓探究衍生變式

實驗的環(huán)境條件因素包括溫度、濕度、濃度、密度、酸堿度、純凈度、壓力、氣壓、粉塵、噪聲、震動等，它們的改變，對實驗現(xiàn)象和結(jié)果都會產(chǎn)生很大的影響。通過對實驗條件的優(yōu)化與再開發(fā)，讓學(xué)生體驗到控制實驗變量的重要性，學(xué)會控制變量的方法和操作精度。

例七：不迷信權(quán)威，心存質(zhì)疑

A.浙教版教材九年級上冊第4章P146（探究實驗），研究溫度對酶催化作用的影響實驗，2019年版本已經(jīng)做了改進——先水浴再混合，排除了因升溫降溫對實驗結(jié)果的干擾。找出2014版本的實驗進行對比，讓學(xué)生思考：教材為什么要做如此改變？

學(xué)生通過充分討論認為：因升溫或降溫過程中經(jīng)歷了酶的最適合溫度，而酶具有高效性，可能在較短時間里把淀粉分解了，達不到預(yù)期效果，甚至得出錯誤結(jié)論。

B.在學(xué)習(xí)浙教版教材九年級上冊第1章P18（圖1-24實驗）“堿的性質(zhì)”的時候，學(xué)生對照了新舊兩版科學(xué)書，發(fā)現(xiàn)用FeCl3和Ca（OH）2溶液研究堿的性質(zhì)的實驗有所不同：舊版本是“在試管中加入3毫升FeCl3溶液，然后滴加Ca（OH）2溶液”，新版是“在試管中加入3毫升Ca（OH）2溶液，然后滴加FeCl3溶液”。這兩種方法有差別嗎？學(xué)生進行了探究。

學(xué)生按照舊版的步驟進行實驗，發(fā)現(xiàn)并沒有沉淀生成。因此小張作出了以下猜想：（1）氯化鐵溶液變質(zhì)了;（2）氯化鐵溶液成酸性。然后通過已學(xué)的化學(xué)知識驗證了猜想2被證實是正確的。通過查閱資料得知：氯化鐵溶液確實是呈酸性，當FeCl3和Ca（OH）2反應(yīng)生成的Fe（OH）3被酸性物質(zhì)反應(yīng)，直至酸性物質(zhì)反應(yīng)完才會出現(xiàn)紅褐色沉淀。學(xué)生按新教材的實驗方法進行了實驗，發(fā)現(xiàn)很快看到了紅褐色的絮狀沉淀。

學(xué)生經(jīng)過對教材實驗條件優(yōu)化，自信心爆棚：“圣神”的教材也是一個不斷完善、不斷修正的過程，實驗是科學(xué)研究的重要方法。學(xué)生的思維不再被禁錮，有利于學(xué)生發(fā)散性思維、批判性思維的形成。

例八：變量控制學(xué)會推敲

浙教版教材八年級下冊第3章P104（圖3-71實驗），證明動物需要呼吸的實驗，學(xué)生發(fā)現(xiàn)似乎有兩個變量：是否呼吸、是否有昆蟲。經(jīng)過廣泛討論并與種子的呼吸作用實驗比較，一致認為B試管內(nèi)應(yīng)放入等量等種類的死昆蟲。

教材中的有些實驗方案的實驗條件設(shè)計還不是很完善，對變量的控制還有待推敲，為此，我們引導(dǎo)學(xué)生對教材中的實驗進行大膽的質(zhì)疑、改進和創(chuàng)新，使其邏輯與思維更縝密、深入、高階。

5.實驗步驟優(yōu)化與再開發(fā)，讓探究經(jīng)歷豐富

“我聽過了，忘記了;我看見了，記得了;我做過了，理解了?！泵膳_梭利說的這句話，突顯了“做”的重要性，深刻地揭示了“豐富孩子的探究經(jīng)歷非常重要”。其實，教材上設(shè)計的有些實驗，如果僅在課堂內(nèi)完成就會大大削弱探究的效果，可如果教師一味地包辦只會剝奪孩子親歷探究的機會。

例九：打破常規(guī)不唯本

集體備課研討時，一位老師感嘆經(jīng)典的阿基米德原理實驗（浙教版八年級上冊第1章P12〈圖1-17，1-18實驗〉）讓自己上砸了：本來引導(dǎo)學(xué)生猜測浮力的大小與排開水的多少（重力）有關(guān)。然而，學(xué)生不按套路猜測，猜浮力大小與排開水的體積和水的密度有關(guān)。接下來的實驗設(shè)計就走了樣。然而，組內(nèi)另一位老師也碰到類似情況，但他巧妙應(yīng)對反成亮點。

當學(xué)生猜測與排開水的體積和水的密度有關(guān)時，順著學(xué)生的猜測設(shè)計實驗步驟、表格，進行實驗獲取證據(jù)，肯定了學(xué)生猜想是正確的。然后引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗驗證與排開水的多少（重力）有關(guān)，也肯定此猜想是正確的。最后拋出問題：排開水的重力與排開水的體積和水的密度有關(guān)嗎？學(xué)生居然順利完成了F浮=G排液=ρgV排液的推導(dǎo)。

我們就應(yīng)該打破常規(guī)，不唯本，將教材上安排的實驗步驟做一些調(diào)整，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗步驟的不同，對于實驗現(xiàn)象、結(jié)論以及實驗誤差有著很大的影響，豐富了學(xué)生探究的經(jīng)歷。培養(yǎng)創(chuàng)新意識，敢于依據(jù)客觀事實提出自己的觀點，能聽取與分析不同的意見，能夠根據(jù)科學(xué)事實修改自己的觀點，初步養(yǎng)成擅長與人交流、分享與合作的習(xí)慣，提升評價、批判、協(xié)作的能力。

6.實驗設(shè)計過程優(yōu)化與再開發(fā)，讓探究嚴謹規(guī)范

如果不引導(dǎo)學(xué)生進行實驗設(shè)計，學(xué)生根本不知道題目中的實驗設(shè)計需要哪些實驗器材，各實驗器材之間該怎么連接，如何控制變量，需要測量出哪些物理量，再通過哪些數(shù)據(jù)的分析得出結(jié)論等等。

教材中有部分探究性實驗在設(shè)計上存在著一些不足，探究時容易出現(xiàn)這樣或那樣的問題：有的實驗不易收集數(shù)據(jù)，有的實驗操作困難，致使探究活動的效果不盡如人意。對于此類實驗，我們就有必要對其方案進行改進或創(chuàng)新，以使探究活動更順暢。使學(xué)生學(xué)會觀察、實驗、轉(zhuǎn)換、等效替代和控制變量法等，并熟練掌握。

例十：轉(zhuǎn)換設(shè)計現(xiàn)奇效

浙教版教材七年級下冊第3章P114（圖3-75實驗），在做探究摩擦力的相關(guān)因素等實驗時，彈簧秤抖動的問題一直困擾著師生。因用手拉彈簧秤時無法做到完全勻速直線運動，所以彈簧秤的抖動無法避免，對實驗數(shù)據(jù)的采集帶來困難。

我們利用運動的相對性，改用抽底部木板的等效替代法，很好地解決了問題。

在初中科學(xué)探究活動中雖然應(yīng)該重過程，不過久而久之，學(xué)生的探究興趣就會弱化。因此，我們也應(yīng)考慮到讓學(xué)生在探究過程中既能感受“發(fā)現(xiàn)的喜悅”，又能擁有“成功體驗”。一個成功的實驗可以減少許多繁瑣的闡述，往往能起到“萬語千言道不清，一做實驗便明顯”的奇效。

教材實驗優(yōu)化與再開發(fā)的優(yōu)點并不能一一列舉?？茖W(xué)教師有義務(wù)去發(fā)掘和設(shè)計更多的、有趣的實驗來進行示范或提供給學(xué)生操作，努力追求令人滿意的教學(xué)效果，讓學(xué)生在有趣的科學(xué)探究過程中求知和求索，使學(xué)生的高階思維能力得到升華。

四、成效與反思

我們通過對科學(xué)實驗設(shè)計、科學(xué)實驗改進、科學(xué)方法論等有關(guān)理論的學(xué)習(xí)，積累詳細的資料，并找到理論依據(jù)，為后期進行研究打好基礎(chǔ);通過開展科學(xué)“教材實驗再開發(fā)”的展示教育教學(xué)實踐活動，提高了教師對教材中學(xué)生活動設(shè)計意圖的理解，在平時授課時對尺度的把握更到位。

善于調(diào)動和啟發(fā)學(xué)生積極參與課堂學(xué)習(xí)和討論，實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)由被動接受向主動探究的轉(zhuǎn)變。整節(jié)課堂教學(xué)中學(xué)生始終保持濃厚的興趣，主動參與課堂教學(xué)中去，主動探究科學(xué)現(xiàn)象，主動構(gòu)建科學(xué)知識。注重學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生的主動意識。學(xué)生參與實驗再開發(fā)研究，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，樹立了科學(xué)的世界觀，認識到科學(xué)是無止境的，要自己不斷地去探索、去發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)造性地解決新問題。在中考后，從學(xué)生當中反饋到的信息：實驗題是他自己的拿手“菜”。

參考文獻：

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