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【摘要】教师指导学生进行实验设计，有助于提高学生将理论知识转化为问题解决程序的能力，促进学生科学知识的内化。本文结合初中科学新课程实践，阐述了学生参与实验设计的基本原则，结合具体课题探讨了教师指导学生有效开展实验设计的具体操作，并对相关问题进行了深入思考。
【关键词】实验设计；基本原则；指导策略
随着年龄和学习经验的增长，初中学生能够联系社会、生活、生产的实际思考问题。如果在教师的指导下再综合运用所学的科学知识，进行一些力所能及的实验设计，尝试解决一些现实问题，将更能促进知识能力的发展。因此，在初中科学探究性学习中培养学生设计实验的能力是非常有益的。
一、遵循实验设计的基本原则
1.科学可行性原则。它是指设计实验时所运用的实验原理在实施中切实可行，所选用的实验药品、仪器、设计等方法在初中的条件下能够得到满足。在实验资料上要有相关的数据、材料、事例可取。选择的实验内容要适合学生的学习能力，紧密联系现实生活。即要以学生现有的经验为起点，循序渐进地引导学生探索未知世界。如果教师提出的实验内容过深、过繁，超出了学生的知识、技能和能力水平，那么，学生不仅不能解决实验问题，无从发挥实验能动性，而且还会降低实验兴趣，影响实验教学效果。
2.趣味性和安全性原则。实验内容要能有助于学生兴趣的发展，这样一方面使学生从发展兴趣的领域中获得实验的满足感，另一方面使学生的知识经验与其它令人满意的学习经验联结在一起，以产生情境类比迁移。同时，实验设计时尽量避免使用有毒的药品和具有危险性的实验操作，如果必须使用，应在设计的方案中详细注明注意事项，以防造成环境污染和人身伤害。
3.自主性和独创性原则。以学生为主体，让学生主动参与，亲身实践，学生可以根据自己的爱好和兴趣，进行自我设计、自我组织、自我评价。实验设计有一定的新颖性、先进性和实验性，充分体现创造性原则，运用创造性思维独立去认识新知识。
二、指导学生设计实验的具体操作
有鉴于学生学生对水和沙子相当熟悉，但对它们吸热、放热时温度变化情况却一知半解。为此，我结合《科学》教材，选取了学生生活中最常见的一个课题——《沙与水吸热、放热时温度变化比较》让学生探究，并指导学生进行实验设计验证。
1.有效提出探究课题。初中生具有的科学知识是极其有限的，往往都是些经验性的知识，这种知识准备上的不足使得他们所提出的问题很多是简单或肤浅的，缺乏一定的深度，教师应该根据学生的兴趣、身心发展水平以及课程的内容对探究活动的问题进行设计。在科学实验探究活动中，教师可以就一些社会生活中常见的科学问题来设计科学实验，也可以将常规实验进行微型化的改造。这种教师精心设计的问题对于学生问题意识的培养、知识能力水平的提高往往具有特殊重要的意义。于是我从学生生活中最常见的现象向学生提出问题：“夏天中午，烈日当空，人们挥汗如雨，你光着脚在沙子铺的马路上行走，会有什么感觉?”“脚底很烫”、“脚板象着了火”“我会穿凉鞋走”同学们学习的兴趣一下子就提了起来。我不失时机地继续问：“如果旁边有一个小水坑，你把脚放进去，又会有什么感觉”“感到很凉爽”“很舒服”。“这是什么原因呢? ”，“马路上沙子温度高，水坑里的水温度低”。在充分肯定的同时，我继续发问：“同样是太阳照射，并且照射时间也是相同的，那为什么马路上的沙子温度要高，而旁边水坑里的水的温度要低些呢?”学生陷入沉思之中……
教师在教学过程中必须有意识地重视培养学生提问、质疑的能力，引导学生由教师提出问题逐步转向学生自己提出问题，培养学生的问题意识，但不能急于求成，学生提出问题能力的培养可以贯穿于学习活动的始终，且自然地进行，而不必刻意追求从一开始问题就是由学生自己提出来的。
2.猜想与假设
猜想与假设是人们根据己有知识经验和客观事实材料，运用一定的科学方法对所探索的问题提出假定性的解释。从一定意义上说，科学的发展过程就是猜想或假设不断被证实或证伪的过程。猜想与假设是科学结论的先导，如果猜想或假设得到实践结果的支持，它就可能发展成为科学结论。在科学探究中，教师应该根据学生的水平层次，引导学生自己提出假设或在教师的点拨下提出假设。于是我鼓励学生进行讨论，很快，讨论就有了结果，并且达成共识，认为是在相同条件下吸收热量时，沙子温度上升要快些，水的温度上升得慢些。“怎样证明你的假想呢?”“做实验”。可见，学生积极大胆地运用“自己的眼睛”看世界，用“自己的脑子”想问题，用“自己的语言”明示问题，不断地发现问题、分析问题和解决问题，这是成功地实施科学探究的重要保障。
3.设计实验
假设或猜想一旦提出后，接着就要通过实践进行假设或猜想的证实或证伪。为使这一实践能顺利而有效地进行，就必须精心设计方案、制定计划。由于探究能力的不同、探究程度的不同，一部分学生在探究的开始可能感到无从下手，此时，教师可以根据学生的实际情况，给予必要的指导和帮助，力争每位同学都能够自主地、顺利地开展探究活动。
在设计实验的过程中，教师应该给予学生适当的提示：“要做这一实验，需要哪些器材?”学生发言踊跃：“要沙子和水”“要有温度计”“还要有一个给沙和水加热的热源”“还要一个钟表记录给它们加热的时间”……学生你一言我一语，拼凑出器材。我给予充分肯定，并向学生说明：热源，我们可用一个100瓦的灯泡来代替。“为了有利于比较，对水和沙子，有什么要求没有?”学生思考后回答：“要一样多”“沙里面要放点小石头”“沙子里面应该不能含有水，要用干沙”学生的思维非常活跃，我给予积极的肯定，继续发问，“为了达到实验的目的，我们要测出哪些物理量呢”“加热前，先要测出水和干沙的温度”，“还要测加热的时间”“还有，加热一段时间后水和干沙的温度也要测出来”“很好，同学们思维很敏捷”。我给予鼓励并抓住高涨的劲头，继续引导，“要准确地测出这些物理量同时又要便于我们操作，我们应如何来组装这些器材?”“最好是用一个大容器，将装有沙和水的小烧杯装起来”“这个大容器必须是透明的”，“盖上应打几个孔把温度计悬挂起来”。如图所示，连接好实验装置。
4.学生动手操作实验，收集证据
科学探究的重要特征之一就是重视实证资料数据的收集，收集证据是探究学习的重要环节。为了验证假设，就需要收集一定数量的数据资料，然而，并非所有的数据资料都可以作为证据，只有能够支持和证明假设、并用以解释的数据才是证据。在教学过程中，教师要引导学生学会运用多种方式、途径收集证据，或者提供必要的支持与帮助，同时培养他们对信息、资料、数据的判断和筛选能力。
我将学生分成4个小组，把事先准备好的器材提供给他们，让他们自己组装，动手操作实验过程，并提示学生用电安全和温度计的使用及读数的方法，接通电源，如图所示。将实验结果填入下表中(教师巡视并给予指导)
教师组织学生分析实验现象(让装置继续加热)
组织小组代表汇报实验结果，给予积极的肯定。
5.结论与解释
科学结论的形成，离不开一定的证据，但证据的简单堆砌，并不就是科学结论，信息数据仅仅是对某一特定事实现象的客观描述，而探究结论是在事实证据的基础上通过一定的思维方法，分析论证而得出的具有普遍意义的规律。
教师：“分析表格中数据，你可以得出什么结论?”
学生：“干沙的温度升高得快些”。“是在什么情况下，干沙温度升高得快?”我引导学生回答规范，并及时概括：相同质量的水和沙在吸收相同的热量时，水的温度变化要小，沙子的温度变化大。据此结论，我将学生思路引入生活，解释生活中的一些现象。“炎热的夏日，在水里游泳，会感到是清凉的，为什么?”“汽车发动机工作时常用水来冷却，又是为什么?”
通过以上实验后，学生都能正确地解释此类现象。
6.进行反思与评价，深化实验设计。在科学探究中，需要探究者在收集大量证据的基础上，对事实与证据进行加工与整理，找出它们之间的相互联系和与假设是否被事实与证据证实、设计的方案和计划是否合理有效、收集的证据是否真实可靠、给出的结论是否正确等方面进行反思与评价。此时，我通过反问将学生引入反思与评价活动中：“以上是水和沙在吸热的情况下所表现出来的特征。如果是放热，那结果又会怎样呢?”“是呀，是呀，放热时，又是哪个温度降低得快呢?”同学们表现出浓厚的兴趣，“做实验看一下吧。”我趁热打铁，点燃学生思维的火花：“要进行这个实验，我们又需测哪些物理量?”“先要测出关电之前沙和水的温度，再测出关电一段时间后，沙和水的温度，前后两次温度进行对比就可以了。”学生边思考边讲出了需要测的物理量。于是，我就要求学生动手实验，将数据填入下表：
组织学生分析后自然得出实验结论：相同质量的水和干沙，在相同的时间内，放热时，干沙温度降低得快，水的温度降低得慢。
7.交流与讨论
在探究过程中，由于每位学生的生活经验、知识背景、心理特点、习惯偏好不同，他们的思维方式也有所不同，对同一问题的理解也有所差异；并且在实验过程中，实验条件不同，所采用的方法、观察的角度不同，所获取的数据资料也不一样，这当中有正确的一面，也有不正确、不客观、不全面的一面，这就需要同学之间相互交流与讨论，相互补充，相互更正，以求对所学知识的正确理解和全面把握。同时，经过交流和讨论，可以共同分析探究成果和体会，增进人际交往，增强沟通与协调能力，在思想的激烈碰撞与融合中获得快乐与满足。教师需要积极创设轻松自由、民主平等、相互尊重的氛围，鼓励学生积极发言、大胆讨论，认真倾听并积极参与学生的讨论。
根据得出的结论，我又将学生的思路引入生活，解释生活中现象：北方的冬天，人们常常用热水慢慢流过暖气片，来取暖，为什么?寒冷的冬天，有经验的菜农常常在菜地里放一些水来防冻，是何道理?学生对以上现象都能很好地作出解释。完成了这两个探究实验后，我又引导学生归纳总结出水的特性：和自然界中绝大部分等质量的常见物质相比，水在吸收和放出相等的热量时，温度变化要小得多。为了进一步巩固水的这一特性，结合教材相关内容，引导学生展开讨论：我们地球表面是三分陆地，七分海洋，为什么夏天不是太热?而冬天又不是太冷?月球上没有水，根据水这一特性，你推知月球上白天和晚上温度应是怎样的?对于内陆地区来说，为什么夏天比沿海热?而且是冬天又比沿海冷?为什么一天之内气温的变化也比沿海大？尽管到了下课时间，学生仍然在辩论中思考……
三、开展实验设计活动的收获与思考
1.收获。科学实验设计的开展能够提高学生综合素养。让学生参与实践与调查、信息资料的搜索、分析与处理的方法和研究探索、实验实证，从而获得科学的学习方式，体验科学探究活动的过程和方法，以此发展学生科学探究能力，领会科学的本质，形成合作、分享、积极进取等良好的个性品质，以及热爱科学，对自然、社会、他人的关爱与责任感。同时也提高学生的学习欲望，促进学生问题解决能力的提高。
2.思考。关注学科成绩的传统观念制约着社会、家长，担心搞实验设计和操作会影响其学习。由于实验的实践性、开放性与“课堂授课制"之间存在着很大的矛盾，教师基本上都是上一堂课，时间和精力上也不允许。加上现在学生参加校外学科知识辅导时间众多，也没有很多时间和精力钻研实验，很大程度上压抑了学生的积极性。而实验设计操作恰恰是提升学生综合素质的重要途径之一，需要社会、家庭、老师、学生的共同参与、协作、关注。同时我们殷切期望社会能够创建生活化实验设计操作的良好氛围，营造一个良好的可持续发展环境。
【参考文献】
[1]蔡亚萍．中学化学实验设计与教学论[M]．浙江教育出版社，2005．
[2]邬继军.学生实验设计能力培养初探[J].现代教育科学，2009，（6）.
[3]谢晓红.科学设计实验，打造高效课堂[J]．中学生数理化，2012，(2)．
【关键词】实验设计；基本原则；指导策略
随着年龄和学习经验的增长，初中学生能够联系社会、生活、生产的实际思考问题。如果在教师的指导下再综合运用所学的科学知识，进行一些力所能及的实验设计，尝试解决一些现实问题，将更能促进知识能力的发展。因此，在初中科学探究性学习中培养学生设计实验的能力是非常有益的。
一、遵循实验设计的基本原则
1.科学可行性原则。它是指设计实验时所运用的实验原理在实施中切实可行，所选用的实验药品、仪器、设计等方法在初中的条件下能够得到满足。在实验资料上要有相关的数据、材料、事例可取。选择的实验内容要适合学生的学习能力，紧密联系现实生活。即要以学生现有的经验为起点，循序渐进地引导学生探索未知世界。如果教师提出的实验内容过深、过繁，超出了学生的知识、技能和能力水平，那么，学生不仅不能解决实验问题，无从发挥实验能动性，而且还会降低实验兴趣，影响实验教学效果。
2.趣味性和安全性原则。实验内容要能有助于学生兴趣的发展，这样一方面使学生从发展兴趣的领域中获得实验的满足感，另一方面使学生的知识经验与其它令人满意的学习经验联结在一起，以产生情境类比迁移。同时，实验设计时尽量避免使用有毒的药品和具有危险性的实验操作，如果必须使用，应在设计的方案中详细注明注意事项，以防造成环境污染和人身伤害。
3.自主性和独创性原则。以学生为主体，让学生主动参与，亲身实践，学生可以根据自己的爱好和兴趣，进行自我设计、自我组织、自我评价。实验设计有一定的新颖性、先进性和实验性，充分体现创造性原则，运用创造性思维独立去认识新知识。
二、指导学生设计实验的具体操作
有鉴于学生学生对水和沙子相当熟悉，但对它们吸热、放热时温度变化情况却一知半解。为此，我结合《科学》教材，选取了学生生活中最常见的一个课题——《沙与水吸热、放热时温度变化比较》让学生探究，并指导学生进行实验设计验证。
1.有效提出探究课题。初中生具有的科学知识是极其有限的，往往都是些经验性的知识，这种知识准备上的不足使得他们所提出的问题很多是简单或肤浅的，缺乏一定的深度，教师应该根据学生的兴趣、身心发展水平以及课程的内容对探究活动的问题进行设计。在科学实验探究活动中，教师可以就一些社会生活中常见的科学问题来设计科学实验，也可以将常规实验进行微型化的改造。这种教师精心设计的问题对于学生问题意识的培养、知识能力水平的提高往往具有特殊重要的意义。于是我从学生生活中最常见的现象向学生提出问题：“夏天中午，烈日当空，人们挥汗如雨，你光着脚在沙子铺的马路上行走，会有什么感觉?”“脚底很烫”、“脚板象着了火”“我会穿凉鞋走”同学们学习的兴趣一下子就提了起来。我不失时机地继续问：“如果旁边有一个小水坑，你把脚放进去，又会有什么感觉”“感到很凉爽”“很舒服”。“这是什么原因呢? ”，“马路上沙子温度高，水坑里的水温度低”。在充分肯定的同时，我继续发问：“同样是太阳照射，并且照射时间也是相同的，那为什么马路上的沙子温度要高，而旁边水坑里的水的温度要低些呢?”学生陷入沉思之中……
教师在教学过程中必须有意识地重视培养学生提问、质疑的能力，引导学生由教师提出问题逐步转向学生自己提出问题，培养学生的问题意识，但不能急于求成，学生提出问题能力的培养可以贯穿于学习活动的始终，且自然地进行，而不必刻意追求从一开始问题就是由学生自己提出来的。
2.猜想与假设
猜想与假设是人们根据己有知识经验和客观事实材料，运用一定的科学方法对所探索的问题提出假定性的解释。从一定意义上说，科学的发展过程就是猜想或假设不断被证实或证伪的过程。猜想与假设是科学结论的先导，如果猜想或假设得到实践结果的支持，它就可能发展成为科学结论。在科学探究中，教师应该根据学生的水平层次，引导学生自己提出假设或在教师的点拨下提出假设。于是我鼓励学生进行讨论，很快，讨论就有了结果，并且达成共识，认为是在相同条件下吸收热量时，沙子温度上升要快些，水的温度上升得慢些。“怎样证明你的假想呢?”“做实验”。可见，学生积极大胆地运用“自己的眼睛”看世界，用“自己的脑子”想问题，用“自己的语言”明示问题，不断地发现问题、分析问题和解决问题，这是成功地实施科学探究的重要保障。
3.设计实验
假设或猜想一旦提出后，接着就要通过实践进行假设或猜想的证实或证伪。为使这一实践能顺利而有效地进行，就必须精心设计方案、制定计划。由于探究能力的不同、探究程度的不同，一部分学生在探究的开始可能感到无从下手，此时，教师可以根据学生的实际情况，给予必要的指导和帮助，力争每位同学都能够自主地、顺利地开展探究活动。
在设计实验的过程中，教师应该给予学生适当的提示：“要做这一实验，需要哪些器材?”学生发言踊跃：“要沙子和水”“要有温度计”“还要有一个给沙和水加热的热源”“还要一个钟表记录给它们加热的时间”……学生你一言我一语，拼凑出器材。我给予充分肯定，并向学生说明：热源，我们可用一个100瓦的灯泡来代替。“为了有利于比较，对水和沙子，有什么要求没有?”学生思考后回答：“要一样多”“沙里面要放点小石头”“沙子里面应该不能含有水，要用干沙”学生的思维非常活跃，我给予积极的肯定，继续发问，“为了达到实验的目的，我们要测出哪些物理量呢”“加热前，先要测出水和干沙的温度”，“还要测加热的时间”“还有，加热一段时间后水和干沙的温度也要测出来”“很好，同学们思维很敏捷”。我给予鼓励并抓住高涨的劲头，继续引导，“要准确地测出这些物理量同时又要便于我们操作，我们应如何来组装这些器材?”“最好是用一个大容器，将装有沙和水的小烧杯装起来”“这个大容器必须是透明的”，“盖上应打几个孔把温度计悬挂起来”。如图所示，连接好实验装置。
4.学生动手操作实验，收集证据
科学探究的重要特征之一就是重视实证资料数据的收集，收集证据是探究学习的重要环节。为了验证假设，就需要收集一定数量的数据资料，然而，并非所有的数据资料都可以作为证据，只有能够支持和证明假设、并用以解释的数据才是证据。在教学过程中，教师要引导学生学会运用多种方式、途径收集证据，或者提供必要的支持与帮助，同时培养他们对信息、资料、数据的判断和筛选能力。
我将学生分成4个小组，把事先准备好的器材提供给他们，让他们自己组装，动手操作实验过程，并提示学生用电安全和温度计的使用及读数的方法，接通电源，如图所示。将实验结果填入下表中(教师巡视并给予指导)
教师组织学生分析实验现象(让装置继续加热)
组织小组代表汇报实验结果，给予积极的肯定。
5.结论与解释
科学结论的形成，离不开一定的证据，但证据的简单堆砌，并不就是科学结论，信息数据仅仅是对某一特定事实现象的客观描述，而探究结论是在事实证据的基础上通过一定的思维方法，分析论证而得出的具有普遍意义的规律。
教师：“分析表格中数据，你可以得出什么结论?”
学生：“干沙的温度升高得快些”。“是在什么情况下，干沙温度升高得快?”我引导学生回答规范，并及时概括：相同质量的水和沙在吸收相同的热量时，水的温度变化要小，沙子的温度变化大。据此结论，我将学生思路引入生活，解释生活中的一些现象。“炎热的夏日，在水里游泳，会感到是清凉的，为什么?”“汽车发动机工作时常用水来冷却，又是为什么?”
通过以上实验后，学生都能正确地解释此类现象。
6.进行反思与评价，深化实验设计。在科学探究中，需要探究者在收集大量证据的基础上，对事实与证据进行加工与整理，找出它们之间的相互联系和与假设是否被事实与证据证实、设计的方案和计划是否合理有效、收集的证据是否真实可靠、给出的结论是否正确等方面进行反思与评价。此时，我通过反问将学生引入反思与评价活动中：“以上是水和沙在吸热的情况下所表现出来的特征。如果是放热，那结果又会怎样呢?”“是呀，是呀，放热时，又是哪个温度降低得快呢?”同学们表现出浓厚的兴趣，“做实验看一下吧。”我趁热打铁，点燃学生思维的火花：“要进行这个实验，我们又需测哪些物理量?”“先要测出关电之前沙和水的温度，再测出关电一段时间后，沙和水的温度，前后两次温度进行对比就可以了。”学生边思考边讲出了需要测的物理量。于是，我就要求学生动手实验，将数据填入下表：
组织学生分析后自然得出实验结论：相同质量的水和干沙，在相同的时间内，放热时，干沙温度降低得快，水的温度降低得慢。
7.交流与讨论
在探究过程中，由于每位学生的生活经验、知识背景、心理特点、习惯偏好不同，他们的思维方式也有所不同，对同一问题的理解也有所差异；并且在实验过程中，实验条件不同，所采用的方法、观察的角度不同，所获取的数据资料也不一样，这当中有正确的一面，也有不正确、不客观、不全面的一面，这就需要同学之间相互交流与讨论，相互补充，相互更正，以求对所学知识的正确理解和全面把握。同时，经过交流和讨论，可以共同分析探究成果和体会，增进人际交往，增强沟通与协调能力，在思想的激烈碰撞与融合中获得快乐与满足。教师需要积极创设轻松自由、民主平等、相互尊重的氛围，鼓励学生积极发言、大胆讨论，认真倾听并积极参与学生的讨论。
根据得出的结论，我又将学生的思路引入生活，解释生活中现象：北方的冬天，人们常常用热水慢慢流过暖气片，来取暖，为什么?寒冷的冬天，有经验的菜农常常在菜地里放一些水来防冻，是何道理?学生对以上现象都能很好地作出解释。完成了这两个探究实验后，我又引导学生归纳总结出水的特性：和自然界中绝大部分等质量的常见物质相比，水在吸收和放出相等的热量时，温度变化要小得多。为了进一步巩固水的这一特性，结合教材相关内容，引导学生展开讨论：我们地球表面是三分陆地，七分海洋，为什么夏天不是太热?而冬天又不是太冷?月球上没有水，根据水这一特性，你推知月球上白天和晚上温度应是怎样的?对于内陆地区来说，为什么夏天比沿海热?而且是冬天又比沿海冷?为什么一天之内气温的变化也比沿海大？尽管到了下课时间，学生仍然在辩论中思考……
三、开展实验设计活动的收获与思考
1.收获。科学实验设计的开展能够提高学生综合素养。让学生参与实践与调查、信息资料的搜索、分析与处理的方法和研究探索、实验实证，从而获得科学的学习方式，体验科学探究活动的过程和方法，以此发展学生科学探究能力，领会科学的本质，形成合作、分享、积极进取等良好的个性品质，以及热爱科学，对自然、社会、他人的关爱与责任感。同时也提高学生的学习欲望，促进学生问题解决能力的提高。
2.思考。关注学科成绩的传统观念制约着社会、家长，担心搞实验设计和操作会影响其学习。由于实验的实践性、开放性与“课堂授课制"之间存在着很大的矛盾，教师基本上都是上一堂课，时间和精力上也不允许。加上现在学生参加校外学科知识辅导时间众多，也没有很多时间和精力钻研实验，很大程度上压抑了学生的积极性。而实验设计操作恰恰是提升学生综合素质的重要途径之一，需要社会、家庭、老师、学生的共同参与、协作、关注。同时我们殷切期望社会能够创建生活化实验设计操作的良好氛围，营造一个良好的可持续发展环境。
【参考文献】
[1]蔡亚萍．中学化学实验设计与教学论[M]．浙江教育出版社，2005．
[2]邬继军.学生实验设计能力培养初探[J].现代教育科学，2009，（6）.
[3]谢晓红.科学设计实验，打造高效课堂[J]．中学生数理化，2012，(2)．