基于科学实验原理构建的实验教学有效设计

基于科学实验原理构建的实验教学有效设计

江红会陈星

浙江省台州市椒江五中318000

摘要：科学是一门以实验为基础的学科。通过实验，能把科学概念由抽象变具体，能对科学知识迁移应用，能将科学思想有效渗透。基于原理理解的实验教学，建立在对科学本质认识的基础上，旨在培养学生实验操作、设计能力，拓展学生知识整合能力，提高学生解决问题、分析问题的能力，有效地发展学生的科学素养。

关键词：科学实验原理实验教学

实验是科学的基础，实验教学能落实学生的基本技能，体现科学研究的方法，培养学生的高阶思维。平常课堂实验教学侧重于对实验仪器结构、特点、适用范围的介绍，侧重于对学生实验操作技能的反复记忆与多次操作强化。这样的实验教学不仅低效，也忽视了对实验原理、仪器设计、实验方法的渗透。长此以往会导致学生只关注实验的步骤与结果，不能很好地渗透科学方法与科学思想，影响初中生科学素养的发展。科学真理来源于实验，要从实验教学设计入手，聚焦初中科学素养的培养。

一、实验教学的现状

1.淡化了测量本质

实验是科学探究的基本方法，初中科学实验教学主要分两类：一类为测量性实验；另一类为探究性实验。实验测量教学主要有直接测量与间接测量，探究性实验教学主要有观察现象型和数据分析型。测量性实验离不开仪器的使用，学生通过测量可定量感知环境，获取大量的实验数据。这些数据也可为探究性实验提供依据，从而得出科学规律。日常教学与课后练习中，往往强调数据读取的正确性，而淡化了对测量本质的认知。最后导致学生只关注测量的结果，而忽视了测量本质，进而对读取数据存在误差的必然性、估计值的意义以及工具精密度的判断存在疑惑。

2.忽视了仪器内在原理

为了能正确读数，减小过失误差，教学过程中往往对实验仪器的正确使用多次强化，而忽视了对实验仪器设计及制作原理的认知。这些恰恰决定了仪器的使用要求与适用范围，也决定了最后读数的精确度。如果课堂上能引导学生模拟仪器设计与改进过程，既能落实科学本质教育，又能将知识与能力发展渗透于课堂教学，实现教学本质和科学本质的统一。

3.内隐了实验方法

新课程教育注重培养学生科学素养，强化科学方法的感知与运用。但实际教学只关注科学内容的进度，过多侧重知识的了解，却内隐了科学方法，从而造成学生“一页障目”，难以全面体会科学本质。因此，实验教学应适当外显科学方法，引导学生从具体的生活情境迁移到科学知识，再拓展到科学本质教学所内隐的科学方法，有效促进初中生科学素养的发展。

二、基于实验原理构建的实验教学设计

1.基于测量本质理解的实验教学设计

浙教版七上第一章《科学入门》就安排了《科学测量》，在本课设计导课过程中，以耳熟能详的“小马过河”故事为例，引出测量就是把待测量同某一标准量进行比较的过程。测量让物体属性有了量化的结果，而标准量不同，测量结果也就不同。用故事情境引起学生思考，体会建立统一度量单位的必要性，从而引入长度的单位。通过与1m标准量比较，发现测量值在一个较大的区间，而这个区间不能很精确地读出大小，误差较大。那就需要再引入其它更小的标准量。引入较小的标准量后，发现测量值在一个较小区间，通过多次引入较小标准量（如图1），学生可发现并不能确定某个待测量的真实值，所得测量值总是在一个区间，因此学生能感知到误差的存在。利用精密测量仪和多次测量求平均值能缩小测量值的区间，提高数据的精确度。通过这节课的教学设计，学生能体会测量需要比较，当比较的差异需要量化时，要引入标准量，为了交流方便，需统一参照标准。而为了减小误差，就产生了一系列的测量单位，这也为其他直接测量的实验教学做好了铺垫。

图1.科学测量中的原理理解

2.基于实验仪器内在原理理解的实验教学设计

在测量型实验中，有些仪器设计具有相似的外形特征，比如量筒、温度计、密度计……这样的设计是偶然的还是必然的？笔者以“细而长”的量筒设计为突破口，先建构量筒的设计原理，再推导温度计的设计原理，最后改良自制密度计，完成了知识迁移与思维提升。

（1）关于量筒设计原理的建构。在浙教版七上第一章《科学入门》中，安排了实验室仪器的认知，旨在让学生走进实验室，学习实验的安全操作规则，知道实验是科学研究的基础。本章内容既有仪器的定性认知，也有仪器的定量测量，比如要求学生掌握量筒的使用。在本节课的教学设计中，以学生设计实验比较不同海绵的吸水性为导入，学生建议把海绵吸的水挤入同一型号烧杯，发现烧杯中液面高低落差不明显；又有学生建议把水倒入试管，后者水位的高低落差立刻显现出来（如图2）。紧接着引导学生构建出量筒的设计原理。

图3.温度计设计原理的推

（3）关于自制密度计的改进。浙教版八上第一章《水和水的溶液》中，安排学生学习《水的浮力》。在浮力应用学习中，学生要了解密度计的使用原理与结构特点，相关习题经常要考查学生对于密度计原理的理解。

如资料显示：牛奶中掺水量越多，牛奶密度越小。小丽想通过测定密度来比较两种品质的优劣，她自制了一个可测液体密度的“浮标”——在竹筷子下面缠绕一些铁丝，如图4所示。①分别将“浮标”浸入A、B两种牛奶，待静止后，筷子上与液面相平的位置分别标记为A和B，如图乙所示。比较标线A和B的上下位置，可知A、B牛奶的密度为ρA______ρB，由此可知A、B牛奶品质的优劣。②在实际测量过程中，发现“浮标”杆上的两条标记线靠得很近，为了更易区分，请你提出一条改进“浮标”的建议：______。

如何增加简易密度计相邻两刻度值间的距离？其实就是提高密度计精确度。根据密度计的制作原理，用密度计测不同液体时，浮力大小保持不变，但V排液是不同的。只要在密度计合理使用范围内，密度计前后测两种液体密度，两次测量排液的体积之差是相同的，因此增加简易密度计相邻两刻度值间的距离，只要减小横截面积，从而增大h长度。通过简易密度计改良，让学生完成了知识迁移，领悟了科学知识的内在统一性，并提高了分析与解决实际问题的能力。在感知并参与设计测量仪器的过程中，学生成为该仪器的规则制定者，从而对实验操作非常熟悉，对于测量仪器的原理理解与仪器改进能增进一层。

3.基于科学方法内化的实验教学设计

科学实验富含各种科学方法，科学方法不仅是实验手段，更是科学思想。学生如能熟练掌握，就可在实验设计与解题时融会贯通、灵活运用，进而达到举一反三的效果。在初中阶段但凡提及科学方法，学生都会毫不犹豫地说出“控制变量法”。但过于强调单一方法在一定程度上会弱化对科学方法的认识，造成一定的思维局限。

科学探究过程中，对于抽象的概念、规律和一些不易直接观察测量或复杂的科学现象，通常需运用“科学转换法”将它表现出来。力的存在很抽象，学习用“转换法”可让抽象的力“显”出来。借助于物体的形变程度可以将力的作用效果表现出来，手压玻璃瓶时的瓶子微小的形变又将如何展现？触类旁通，如果将温度计、量筒等精确度设计的原理迁移到此，问题就迎刃而解了。

实验是科学发现的先导，在科学课程中设立实验教学是学习与发展的需要。“听了会忘了，看了能记住，做了就理解了。”科学实验效果直接影响到学生对实验设计与操作的理解，影响到学生分析解决问题能力的培养。因此，明确初中阶段实验教学的内涵，积极探索有效的实验教学方法，有利于培养学生的科学探究能力，有利于激发学生的创新意识，有利于提升初中生的科学素养。同时，科学是一门综合学科，教师不仅要强调学科内容的综合，还要注意科学原理和科学知识的统一，并统筹科学探究的过程和方法，最后完成科学知识的迁移与科学思维的提升。

参考文献

[1]陈敏华物理量的测量及物理学的本质[J].教学参考，2015,（12)，67-69。

[2]陈浩“转化法”的学习与应用[J].初中生世界，2012，（11)，4-6。

[3]朱震绯立足度量单位感悟度量本质[J].福建教育，2015,（11)，43-45。