论文部分内容阅读
科学探究是新课程学习的主要方法，进行科学探究的方式是多种多样的。但是从整个探究的过程来看，实验设计是实验过程的依据，是实验数据处理的前提，也是提高探究质量的一个重要保证。所以，培养学生的实验设计能力显得十分的必要。笔者通过实践探究，提出对学生“实验设计能力培养”的“三步操作”策略。
第一步曲：给学生积淀实验设计的基本规律和方法
1.通过欣赏的方法让学生了解实验设计的基本方法
在初中科学7～9年级教材中有许多典型的对比实验，这是一种宝贵的资源，我们完全可以将这些资源进行二度开发，攫取出适合初一学生水平的材料，在教师引导下让学生去认识蕴含在这些实验设计中的一般的、基本的方法，并思考它们为什么这样设计，从而得到启发。
例如：在九年级下册有一个“青霉素作用”的实验，我们可以将它作为欣赏的材料，并通过它使学生了解实验设计的基本方法。
青霉素是由一位名叫弗来明的英国微生物学家发现的。他在1928年发现，当青霉菌属的真菌与细菌同时在同一培养皿中生长时，细菌的生长会受抑制。其后，他发现这种现象是由一种真菌产生的化合物——青霉素所造成的。直至20世纪40年代，科学家才能成功地把青霉素分离和提纯。这种抗生素能有效地对抗多种细菌，因此，直至现在仍被广泛应用于治疗细菌性疾病。
活动：
（1）把几滴土壤细菌培养液加在培养皿中含营养物质的琼脂上，涂抹均匀，把一些小圆纸片浸在不同浓度的青霉素中，另外2片浸在蒸馏水中作为对照，然后放在琼脂表面，如图1所示。把培养皿放在30℃～32℃的恒温箱内24小时。
■
（2）图1显示了实验结果，仔细观察，浸有不同浓度青霉素的圆纸片周围的清晰区无细菌，清晰区面积与青霉素浓度成正比。
（3）出现以上实验结果的原因是：青霉素能杀死细菌，浓度越高效果越好。
实验结论：浸有蒸馏水的圆纸块周围没有清晰区，浸有不同浓度青霉素的圆纸片有清晰区，清晰区没有细菌生长，这是因为圆纸块上的青霉素以环形扩散到外面的琼脂，杀死或抑制细菌生长，清晰区的周围长满了细菌，清晰区面积与青霉素浓度成正比。清晰区面积越大，显示青霉素越能有效地对抗细菌。
借助这个材料，我们可以让学生思考一系列问题：①为什么培养皿中要放含营养物质的琼脂？为什么要涂抹均匀？②为什么把一些小圆纸片浸在不同浓度的青霉素中？为什么另外2片浸在蒸馏水中？③为什么把培养皿放在30℃～32℃的恒温箱内24小时？④浸有蒸馏水的圆纸块和浸有不同浓度青霉素的圆纸片对比能说明什么问题？浸有不同浓度青霉素的圆纸片之间对比能说明什么问题？
2.让学生在教师支撑下进行实验设计演练
毕竟实验设计是一个繁琐的过程，材料的确定、器材的选用、变量的控制和对照组的建立、测定方法的确定、数据收集表格的建立等。即使学生了解了基本的方法，也很难能够独立地设计一个完整的实验，此时我们还是要采取教师帮、扶、牵手的方法，帮助学生理出一条思路，在整体提示的基础上采用“演练”的方式，让学生根据教师的指导，独立地分步完成实验，加深他们对各个实验环节的理解。
第二步曲：让学生亲历与掌握实验设计的一般程序
1.让学生亲历相对独立的设计过程
让学生自己亲身经历比较独立的设计，就是要求教师只对探究实验的某些环节作简单的点拨，学生根据探究实验所要研究的问题，选择出恰当的实验原理和器材进行探究实验。重点是让学生把解决问题的方式，思考答案的线索和过程完整地呈现出来。这些设计难免存在不完善之处，教师的另一个重任是引导他们逐步完善解决问题的方法。
例如：七年级上册有一个探究活动：“是什么将蝴蝶吸引到花上来的？”
假设一：可能是花的颜色
假设二：可能是花的气味
假设三：可能是花的形状
学生对假设一的研究方案，往往是选择两种不同颜色的鲜花来做实验。观察蝴蝶落在哪种花上，以此作为证据，检验假设一是否成立。
这样是实验设计显然是错误：因为这个设计中忽略了对其它条件的有效控制（如气味）；因为自然界中，两种颜色不同的鲜花往往气味不同,大小也可能不同。
这时，教师可以引导学生进行以下的思考：①明确研究的对象是什么（颜色）；②纯化实验条件，控制好相关变量（如何控制气味，形状因素）；③优先采用低成本实验，选用器材力求简单易行；④力求实验步骤简化；⑤思考如何减少误差（多只蝴蝶多次实验）。
方案修改：在“是什么将蝴蝶吸引到花上来的？”中对“是花的颜色将蝴蝶吸引到花上来的”这一探究实验的设计如下：①用不同颜色的纸，剪成两朵大小形状相同的纸花（控制变量，低成本）；②取多只蝴蝶，观察记录蝴蝶落在两种纸花上的次数（减少误差）；③交换两朵花的位置，重复实验，记录数据（减少误差）；④分析数据，检验假设。
这个探究实验的设计，教师对于“是什么将蝴蝶吸引到花上来的？”的问题解答，先是让学生尽可能多地设计方案，然后经过分析，告诉学生抓住一点，重点突破。学生经过这样的实验方案的设计的体验，对于以后的实验设计就有了感性到理性的认识。
2.能理解固有的实验设计方案并进行评价
我们不难理解评价的作用：检查情况、发现问题、找出差距、明确方向、促进发展。所以，教学中对固有实验设计方案评价的专题练习，将進一步积淀巩固实验设计的核心能力：①设置对照实验，它是实验设计要证明问题的核心；②严格控制实验条件、努力减少误差；③要考虑增加重复次数，反复验证结果。
例如，在生物的适应性教学的新课学习后让学生分析本练习。虽然这个实验设计并不是学生自己设计，但是可以预见，学生如果没有对实验设计方法的理解，很难完成这个题目要求。因为其中蕴含的问题完全渗透了实验设计的关键因素，对于学生动脑的要求不少于学生的独立设计。此类固有实验设计方案的评价理解，将有助于学生设计能力的培养。
第三步曲：要学生比较熟练地运用实验设计的一般方法 1.引导学生学会对课本实验的评价改进
基于“打破常规，创新发展”的思想，在理解教材的基础上拓展教材，教师要积极引导学生转变思维方式，从方案原理、仪器装置、试剂选择、操作步骤、实验条件、实验异常现象等几个环节，深入挖掘课本实验中的思维点。通过对几种不同方案的比较，让学生了解实验方案设计的基本思路和评价实验方案设计的基本原则，进而把这种方法与原则运用到实践中，为独立设计评价实验方案赋予了一种普遍意义。
例如：科学八年级下册有一个“氧气在空气中占有多大的比例呢？”的探究实验：
活动：
（1）按图所示的装置，先在集气瓶里加入少量水，再把剩余的容积记号划成5等份。
（2）点燃燃烧匙内的红磷，立即塞紧瓶塞，观察现象 。
（3）火焰熄灭后，振荡集气瓶，打开导管上的夹子，出现什么现象________，瓶內水位变化；消耗的气体跟剩下的气体比约为 ，实验说明： 。
围绕这个实验的原理，教师可以引导学生从几个方面进行评价：仪器装置可以替换吗？试剂如何选择?操作步骤可以改变吗？实验条件重要吗？为什么会出现实验异常现象？方案还可以如何设计？
①红磷可否用别的物质代替呢？如果实验室只有碳和硫磺，没有红磷，可以如何操作排除生成物中有气体的干扰？（若所用液体不是水，而是NaOH溶液，用碳、硫作反应物在理论上是可行的，因为生成的气体CO2、SO2能与NaOH溶液反应而被吸收。）
②红磷在集气瓶外点燃，空气受热外逸，会对实验的准确性有影响，怎么改进可以将红磷在集气瓶内点燃。（在待测空气体积固定后再引燃白磷，可以用放大镜聚光，也可以用电热丝加热等）
③红磷燃烧后，冷却速度太慢，如果过早打开止水夹，未冷却至室温就打开止水夹，进入瓶内的水的体积减少，可以如何克服？（可以在瓶外淋水，加快冷却）
④能不能不用止水夹，也能达到实验的效果？（将集气瓶内的导管伸入液面以下，形成液封）
2.在教师管理下突出学生的个体实践研究
基于学生主体发展的理念，让学生“留心处处皆学问”。从书本知识和实践运用的结合点（STS）上发现值得研究的问题，并在教师的组织管理下，以科技制作、家庭实验或小课题的形式，让学生运用已经形成的实验能力，进行相对独立的操作。
作为初中学生，根据他们的现有水平，要让他们完全独立地筛选出主题并完美的研究，这样的目标仍然过高，所以笔者还是强调教师的引导和管理作用，实践的重点也应该是让学生充分获得过程的体验。
曲后曲：实践体会
1.学生实验设计能力的有效发展应该是阶梯型的，不应该是单一平台型的。教师帮助学生形成实验设计能力的有效过程也应该是螺旋上升的，经历具体指导性的实验设计→一般方法指导的实验设计→学生自主的实验设计的过程；不应该是单一的指导性的实验设计。
2.挖掘教材中的实验设计理论知识。著名教育学家布鲁姆认为决定教学效果有三个主要因素：认知的前提能力(基础知识)、情感的前提特性(参加学习的动机情感)、教学的质。
3.对探究实验诸环节设计和操作的有效训练，是学生探究实验能力发展的关键。为了使学生更好地掌握实验设计的方法，提高运用知识解决问题的能力，我们一定要本着一种“STS”的思想，挖掘教材资源的载体功能，以书本实验为背景，通过课堂实验、学生实验、课后练习、家庭实验等多种形式，相互贯穿，有效训练，让学生在亲身体验中得到能力的提高。
第一步曲：给学生积淀实验设计的基本规律和方法
1.通过欣赏的方法让学生了解实验设计的基本方法
在初中科学7～9年级教材中有许多典型的对比实验，这是一种宝贵的资源，我们完全可以将这些资源进行二度开发，攫取出适合初一学生水平的材料，在教师引导下让学生去认识蕴含在这些实验设计中的一般的、基本的方法，并思考它们为什么这样设计，从而得到启发。
例如：在九年级下册有一个“青霉素作用”的实验，我们可以将它作为欣赏的材料，并通过它使学生了解实验设计的基本方法。
青霉素是由一位名叫弗来明的英国微生物学家发现的。他在1928年发现，当青霉菌属的真菌与细菌同时在同一培养皿中生长时，细菌的生长会受抑制。其后，他发现这种现象是由一种真菌产生的化合物——青霉素所造成的。直至20世纪40年代，科学家才能成功地把青霉素分离和提纯。这种抗生素能有效地对抗多种细菌，因此，直至现在仍被广泛应用于治疗细菌性疾病。
活动：
（1）把几滴土壤细菌培养液加在培养皿中含营养物质的琼脂上，涂抹均匀，把一些小圆纸片浸在不同浓度的青霉素中，另外2片浸在蒸馏水中作为对照，然后放在琼脂表面，如图1所示。把培养皿放在30℃～32℃的恒温箱内24小时。
■
（2）图1显示了实验结果，仔细观察，浸有不同浓度青霉素的圆纸片周围的清晰区无细菌，清晰区面积与青霉素浓度成正比。
（3）出现以上实验结果的原因是：青霉素能杀死细菌，浓度越高效果越好。
实验结论：浸有蒸馏水的圆纸块周围没有清晰区，浸有不同浓度青霉素的圆纸片有清晰区，清晰区没有细菌生长，这是因为圆纸块上的青霉素以环形扩散到外面的琼脂，杀死或抑制细菌生长，清晰区的周围长满了细菌，清晰区面积与青霉素浓度成正比。清晰区面积越大，显示青霉素越能有效地对抗细菌。
借助这个材料，我们可以让学生思考一系列问题：①为什么培养皿中要放含营养物质的琼脂？为什么要涂抹均匀？②为什么把一些小圆纸片浸在不同浓度的青霉素中？为什么另外2片浸在蒸馏水中？③为什么把培养皿放在30℃～32℃的恒温箱内24小时？④浸有蒸馏水的圆纸块和浸有不同浓度青霉素的圆纸片对比能说明什么问题？浸有不同浓度青霉素的圆纸片之间对比能说明什么问题？
2.让学生在教师支撑下进行实验设计演练
毕竟实验设计是一个繁琐的过程，材料的确定、器材的选用、变量的控制和对照组的建立、测定方法的确定、数据收集表格的建立等。即使学生了解了基本的方法，也很难能够独立地设计一个完整的实验，此时我们还是要采取教师帮、扶、牵手的方法，帮助学生理出一条思路，在整体提示的基础上采用“演练”的方式，让学生根据教师的指导，独立地分步完成实验，加深他们对各个实验环节的理解。
第二步曲：让学生亲历与掌握实验设计的一般程序
1.让学生亲历相对独立的设计过程
让学生自己亲身经历比较独立的设计，就是要求教师只对探究实验的某些环节作简单的点拨，学生根据探究实验所要研究的问题，选择出恰当的实验原理和器材进行探究实验。重点是让学生把解决问题的方式，思考答案的线索和过程完整地呈现出来。这些设计难免存在不完善之处，教师的另一个重任是引导他们逐步完善解决问题的方法。
例如：七年级上册有一个探究活动：“是什么将蝴蝶吸引到花上来的？”
假设一：可能是花的颜色
假设二：可能是花的气味
假设三：可能是花的形状
学生对假设一的研究方案，往往是选择两种不同颜色的鲜花来做实验。观察蝴蝶落在哪种花上，以此作为证据，检验假设一是否成立。
这样是实验设计显然是错误：因为这个设计中忽略了对其它条件的有效控制（如气味）；因为自然界中，两种颜色不同的鲜花往往气味不同,大小也可能不同。
这时，教师可以引导学生进行以下的思考：①明确研究的对象是什么（颜色）；②纯化实验条件，控制好相关变量（如何控制气味，形状因素）；③优先采用低成本实验，选用器材力求简单易行；④力求实验步骤简化；⑤思考如何减少误差（多只蝴蝶多次实验）。
方案修改：在“是什么将蝴蝶吸引到花上来的？”中对“是花的颜色将蝴蝶吸引到花上来的”这一探究实验的设计如下：①用不同颜色的纸，剪成两朵大小形状相同的纸花（控制变量，低成本）；②取多只蝴蝶，观察记录蝴蝶落在两种纸花上的次数（减少误差）；③交换两朵花的位置，重复实验，记录数据（减少误差）；④分析数据，检验假设。
这个探究实验的设计，教师对于“是什么将蝴蝶吸引到花上来的？”的问题解答，先是让学生尽可能多地设计方案，然后经过分析，告诉学生抓住一点，重点突破。学生经过这样的实验方案的设计的体验，对于以后的实验设计就有了感性到理性的认识。
2.能理解固有的实验设计方案并进行评价
我们不难理解评价的作用：检查情况、发现问题、找出差距、明确方向、促进发展。所以，教学中对固有实验设计方案评价的专题练习，将進一步积淀巩固实验设计的核心能力：①设置对照实验，它是实验设计要证明问题的核心；②严格控制实验条件、努力减少误差；③要考虑增加重复次数，反复验证结果。
例如，在生物的适应性教学的新课学习后让学生分析本练习。虽然这个实验设计并不是学生自己设计，但是可以预见，学生如果没有对实验设计方法的理解，很难完成这个题目要求。因为其中蕴含的问题完全渗透了实验设计的关键因素，对于学生动脑的要求不少于学生的独立设计。此类固有实验设计方案的评价理解，将有助于学生设计能力的培养。
第三步曲：要学生比较熟练地运用实验设计的一般方法 1.引导学生学会对课本实验的评价改进
基于“打破常规，创新发展”的思想，在理解教材的基础上拓展教材，教师要积极引导学生转变思维方式，从方案原理、仪器装置、试剂选择、操作步骤、实验条件、实验异常现象等几个环节，深入挖掘课本实验中的思维点。通过对几种不同方案的比较，让学生了解实验方案设计的基本思路和评价实验方案设计的基本原则，进而把这种方法与原则运用到实践中，为独立设计评价实验方案赋予了一种普遍意义。
例如：科学八年级下册有一个“氧气在空气中占有多大的比例呢？”的探究实验：
活动：
（1）按图所示的装置，先在集气瓶里加入少量水，再把剩余的容积记号划成5等份。
（2）点燃燃烧匙内的红磷，立即塞紧瓶塞，观察现象 。
（3）火焰熄灭后，振荡集气瓶，打开导管上的夹子，出现什么现象________，瓶內水位变化；消耗的气体跟剩下的气体比约为 ，实验说明： 。
围绕这个实验的原理，教师可以引导学生从几个方面进行评价：仪器装置可以替换吗？试剂如何选择?操作步骤可以改变吗？实验条件重要吗？为什么会出现实验异常现象？方案还可以如何设计？
①红磷可否用别的物质代替呢？如果实验室只有碳和硫磺，没有红磷，可以如何操作排除生成物中有气体的干扰？（若所用液体不是水，而是NaOH溶液，用碳、硫作反应物在理论上是可行的，因为生成的气体CO2、SO2能与NaOH溶液反应而被吸收。）
②红磷在集气瓶外点燃，空气受热外逸，会对实验的准确性有影响，怎么改进可以将红磷在集气瓶内点燃。（在待测空气体积固定后再引燃白磷，可以用放大镜聚光，也可以用电热丝加热等）
③红磷燃烧后，冷却速度太慢，如果过早打开止水夹，未冷却至室温就打开止水夹，进入瓶内的水的体积减少，可以如何克服？（可以在瓶外淋水，加快冷却）
④能不能不用止水夹，也能达到实验的效果？（将集气瓶内的导管伸入液面以下，形成液封）
2.在教师管理下突出学生的个体实践研究
基于学生主体发展的理念，让学生“留心处处皆学问”。从书本知识和实践运用的结合点（STS）上发现值得研究的问题，并在教师的组织管理下，以科技制作、家庭实验或小课题的形式，让学生运用已经形成的实验能力，进行相对独立的操作。
作为初中学生，根据他们的现有水平，要让他们完全独立地筛选出主题并完美的研究，这样的目标仍然过高，所以笔者还是强调教师的引导和管理作用，实践的重点也应该是让学生充分获得过程的体验。
曲后曲：实践体会
1.学生实验设计能力的有效发展应该是阶梯型的，不应该是单一平台型的。教师帮助学生形成实验设计能力的有效过程也应该是螺旋上升的，经历具体指导性的实验设计→一般方法指导的实验设计→学生自主的实验设计的过程；不应该是单一的指导性的实验设计。
2.挖掘教材中的实验设计理论知识。著名教育学家布鲁姆认为决定教学效果有三个主要因素：认知的前提能力(基础知识)、情感的前提特性(参加学习的动机情感)、教学的质。
3.对探究实验诸环节设计和操作的有效训练，是学生探究实验能力发展的关键。为了使学生更好地掌握实验设计的方法，提高运用知识解决问题的能力，我们一定要本着一种“STS”的思想，挖掘教材资源的载体功能，以书本实验为背景，通过课堂实验、学生实验、课后练习、家庭实验等多种形式，相互贯穿，有效训练，让学生在亲身体验中得到能力的提高。