楊封友 何明媚

一、提煉實(shí)驗(yàn)思想

達(dá)爾文曾說:“最有價(jià)值的知識(shí)是方法的知識(shí)”。科學(xué)大師深刻的設(shè)計(jì)思想、精巧的實(shí)驗(yàn)方法,一直是人類認(rèn)識(shí)未知世界的銳利武器和寶貴財(cái)富。科學(xué)史上每一次的重大發(fā)現(xiàn),往往伴隨著實(shí)驗(yàn)思想的重大突破。就像“物體振動(dòng)產(chǎn)生聲音、影響電阻大小的因素”等平常的實(shí)驗(yàn)中都蘊(yùn)涵著轉(zhuǎn)換、類比等永恒的實(shí)驗(yàn)思想,揀起這些灑落的珍珠讓學(xué)生去觸摸也應(yīng)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的追求。提煉實(shí)驗(yàn)思想,可隱含于實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)過程,也可顯現(xiàn)于對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的評(píng)價(jià)。

例如,在“力的作用效果”教學(xué)中,學(xué)生通過擠壓氣球、掰斷粉筆、捏橡皮泥等實(shí)驗(yàn),知道了“力能使物體發(fā)生形變”,此時(shí)出示錐形瓶,問道:“用手指捏錐形瓶外壁,錐形瓶有沒有發(fā)生形變呢?”,“看不出”、“應(yīng)該有吧”,學(xué)生難以確定。教師啟發(fā)道:“錐形瓶的形變很細(xì)微,很難直接看出,我們有哪些辦法使它的形變清晰可見?”冷場(chǎng)一會(huì)兒后,一位學(xué)生說:“在瓶中倒?jié)M水,若錐形瓶受擠壓發(fā)生形變,水會(huì)溢出來。”受此啟發(fā),在討論中最后形成方案:將錐形瓶裝滿水、密封,再插入一根很細(xì)的玻璃管,用手指擠壓瓶壁,玻璃管內(nèi)水柱可能會(huì)上升。演示后,師生一起總結(jié):利用水的流動(dòng)性,借助內(nèi)徑很細(xì)的玻璃管,將瓶壁的微小形變轉(zhuǎn)化并放大為水柱的明顯升降。在這一教學(xué)過程中,通過對(duì)有沒有形變的猜測(cè)、使形變由不易察覺轉(zhuǎn)換為顯而易見的討論,學(xué)生自然而然地體會(huì)到了“轉(zhuǎn)換”的思想和“放大”的方法。

又如,在教學(xué)“光合作用的過程”時(shí),讓學(xué)生直接對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià):為什么要將一片葉子的一半遮住?而不將全部遮光的葉片與另一未遮光的葉片進(jìn)行比較呢?通過評(píng)價(jià)與討論,學(xué)生發(fā)現(xiàn)了這樣做的好處:選擇同一片葉片可以使除了有無光照這一因素不同之外,其余的情況都是相同的,避免因條件的差異而引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差。在這一過程中,學(xué)生雖沒有說到“控制變量法”,但事實(shí)上已利用了變量控制思想,并能粗略地感知通過對(duì)變量的控制可以使實(shí)驗(yàn)朝著研究的方向發(fā)展。看來,我們可以引導(dǎo)學(xué)生直接對(duì)現(xiàn)成的方案進(jìn)行評(píng)價(jià),在評(píng)價(jià)中體悟?qū)嶒?yàn)的思想方法。

當(dāng)然,我們也可通過實(shí)驗(yàn)科學(xué)史的介紹、科學(xué)大師們精妙實(shí)驗(yàn)的再現(xiàn)等多種方法,讓學(xué)生感知實(shí)驗(yàn)的思想與方法,領(lǐng)悟永恒的科學(xué)精髓,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能的提升。值得注意的是,在進(jìn)行思想方法培育時(shí),我們要努力在實(shí)踐中“滲透”,少做方法的“說教”。

二、質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)方案

質(zhì)疑行為是經(jīng)過獨(dú)立性思考、批判性分析的思維結(jié)晶,質(zhì)疑精神正一步步承載并推動(dòng)著社會(huì)的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)方案是對(duì)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)預(yù)設(shè),往往包含著確立一定的理論假設(shè)、選取相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)器材、擬定具體的操作步驟等過程。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí),從方案的設(shè)計(jì)過程出發(fā),從方案的科學(xué)性、可行性等角度入手,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行質(zhì)疑,有利于學(xué)生養(yǎng)成“不迷信書本、不盲從權(quán)威”的品質(zhì)。質(zhì)疑時(shí)間既可在方案設(shè)計(jì)時(shí),也可在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行后,視具體情況而定。

例如,在“質(zhì)量守恒定律”的教學(xué)時(shí),為測(cè)出反應(yīng)前后的質(zhì)量,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置,當(dāng)師生一起設(shè)計(jì)出了如教材所示的實(shí)驗(yàn)裝置后(見下圖),由于設(shè)計(jì)過程中的習(xí)慣性質(zhì)疑,教師也讓學(xué)生對(duì)方案的可行性進(jìn)行最后的討論,一些學(xué)生提出了質(zhì)疑:1、用細(xì)鐵絲去引燃白磷,若塞橡皮塞的動(dòng)作不夠迅速,由于白磷燃燒會(huì)使氣體膨脹,一部分氣體會(huì)跑出瓶外,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的不準(zhǔn)確;2、錐形瓶中空氣的質(zhì)量是很少的,白磷、瓶中氧氣兩者反應(yīng)的質(zhì)量可能會(huì)少于天平的感量,其結(jié)果不能讓人信服。經(jīng)過又一番討論,學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案又進(jìn)行了優(yōu)化:為避免氣體泄露,建議不用細(xì)鐵絲引燃,改為將錐形瓶放在石棉網(wǎng)上加熱點(diǎn)燃;為感知量的微小變化,建議使用更精密的天平。

又如,在探究“影響酶催化作用的因素”時(shí),教材中的方案為:內(nèi)裝2毫升1%淀粉溶液的試管分別置于60、10和37℃左右的水中,5分鐘后分別注入1毫升新鮮的淀粉酶溶液,再過5分鐘后各滴入1滴碘液,然后觀察顏色變化情況。依照教材方案實(shí)驗(yàn)后,讓學(xué)生圍繞“方案是否科學(xué)”進(jìn)行討論,有學(xué)生質(zhì)疑:由于在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中都用同一種淀粉液,實(shí)際上已經(jīng)預(yù)先設(shè)定了PH值,其得出的在37℃時(shí)酶的活性最好只能說是在某一個(gè)PH值時(shí)是這樣的,卻不能說在任何PH值下都是37℃時(shí)的酶的活性最好。面對(duì)這一意外而合理的質(zhì)疑,我鼓勵(lì)大家重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。經(jīng)過討論,學(xué)生設(shè)計(jì)了如下表所示的實(shí)驗(yàn)方案。該方案體現(xiàn)了溫度和PH值的相互關(guān)系,可以看出他們能全面地看待影響某一事物的多種因素。

也許,學(xué)生的質(zhì)疑可能比較膚淺,設(shè)計(jì)不一定完美,但只要我們持之以恒地加以引導(dǎo)和鼓勵(lì),也會(huì)有利于質(zhì)疑習(xí)慣的養(yǎng)成、批判性思維的培育、科學(xué)素養(yǎng)的提升。當(dāng)然,要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)質(zhì)疑,教師首先要善質(zhì)疑、會(huì)質(zhì)疑、懂質(zhì)疑。

三、研究實(shí)驗(yàn)技術(shù)

技術(shù)是人類文化史上較早出現(xiàn)的一種文化活動(dòng),能為科學(xué)的發(fā)展提供有力的支撐。每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù),看似普通,細(xì)而推之,往往又是精巧而獨(dú)特的,追溯、演繹技術(shù)的誕生過程,還會(huì)發(fā)現(xiàn)其中蘊(yùn)含著豐富的教育資源。如伽俐略的“斜面”,看似信手拈來,其實(shí)獨(dú)具匠心;以此達(dá)到“沖淡重力、放大時(shí)間”的目的,從而克服了當(dāng)時(shí)測(cè)量工具精度不高的局限,取得了一系列富有前瞻性的成果;托里拆利用一端封閉的玻璃管和水銀測(cè)出了大氣壓強(qiáng);借助彈起的乒乓球觀察音叉的振動(dòng)……在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,讓學(xué)生體會(huì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的奧妙、蘊(yùn)含的人文精神,利于全面提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與創(chuàng)造能力。

又如,在教學(xué)“影響電阻大小的因素”時(shí),先讓學(xué)生猜測(cè)、設(shè)計(jì)方案,與學(xué)生一起按教材利用不同規(guī)格的電阻絲進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得知導(dǎo)體的電阻大小與材料、長(zhǎng)度、橫截面積等因素有關(guān)。在此基礎(chǔ)上,出示一根細(xì)鐵絲和幾個(gè)帶導(dǎo)線的金屬夾,讓學(xué)生討論“只用一根細(xì)鐵絲能否驗(yàn)證導(dǎo)體長(zhǎng)度對(duì)導(dǎo)體電阻的影響”;大家很快想到了辦法:將金屬夾夾在細(xì)鐵絲的兩端,移動(dòng)金屬夾改變接入電路的細(xì)鐵絲長(zhǎng)度;此時(shí)教師追問:“能否用一根細(xì)鐵絲驗(yàn)證導(dǎo)體橫截面積對(duì)電阻的影響”;經(jīng)過短暫的冷場(chǎng)后,有個(gè)別學(xué)生提出:將細(xì)鐵絲彎折成兩股,比較在相同長(zhǎng)度下,一股細(xì)鐵絲與兩股細(xì)鐵絲的電流大小的關(guān)系,即通過改變股數(shù)實(shí)現(xiàn)橫截面積的變化。

在上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,通過對(duì)影響電阻大小因素的器材替換的探討與演示,以不同的實(shí)驗(yàn)器材達(dá)到了相同甚至是更好的效果,為理解滑動(dòng)變阻器原理作了自然的鋪墊,拓寬了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思維,延伸了學(xué)習(xí)的領(lǐng)域。可見,對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难芯颗c提升,可謂益處頗豐。當(dāng)然,如何適度地組織學(xué)生進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)、操作實(shí)踐,我們需根據(jù)學(xué)生水平、實(shí)驗(yàn)技術(shù)難度等因素加以確定。

四、拓展實(shí)驗(yàn)問題

好奇是人之天性,問題是科學(xué)的源泉。陶行知先生曾說:“發(fā)明千千萬萬,起點(diǎn)是一問?！睈垡蛩固挂仓赋?“提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更為重要,因?yàn)榻鉀Q問題也許僅是數(shù)學(xué)上的或?qū)嶒?yàn)上的技能而已,而提出新的問題、新的可能性、從新的角度去看舊的問題,卻需要?jiǎng)?chuàng)造性的想象力,而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步。”因此,在實(shí)驗(yàn)過程中,當(dāng)學(xué)生驗(yàn)證了他們的猜想或解決了心中的疑惑后,如果此時(shí)將問題延續(xù)或引導(dǎo)學(xué)生提出更廣、更深的問題,對(duì)學(xué)生積極主動(dòng)地探索未知世界,發(fā)展思維、鍛煉能力可能會(huì)有更大的幫助。

例如,在進(jìn)行“聲音的傳播”教學(xué)時(shí),當(dāng)學(xué)生體驗(yàn)了自制“土電話”能傳聲后,讓學(xué)生針對(duì)影響傳聲效果的因素,提出可進(jìn)一步研究的問題。學(xué)生在相互啟發(fā)下,不斷地提出了新的問題:線的長(zhǎng)短有沒有影響?線的材質(zhì)有無關(guān)系?線的粗細(xì)會(huì)不會(huì)影響?線的股線是否有關(guān)?紙杯的大小是否有關(guān)?……在不同角度的問題出現(xiàn)后,再讓學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行分類,布置課后研究任務(wù)。

又如,在探究“為什么在路面撒鹽可以阻止水結(jié)成冰”的活動(dòng)中,學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了其中的奧秘,不少學(xué)生就大膽設(shè)想:如果往水里加糖會(huì)不會(huì)有同樣的效果?加酒精又會(huì)如何?還有沒有比鹽更好更經(jīng)濟(jì)的材料呢?學(xué)生很樂意也很主動(dòng)地投入到他們感興趣的研究之中。

再如,一些實(shí)驗(yàn)的失敗之處或存在缺陷的實(shí)驗(yàn)過程也可以成為拓展實(shí)驗(yàn)問題的有利契機(jī),教師不必次次將實(shí)驗(yàn)做得完美無缺,有時(shí)可故意出現(xiàn)一些“錯(cuò)誤”,給學(xué)生的問題激發(fā)留一些空間。如“鐵絲在氧氣中燃燒”實(shí)驗(yàn),瓶底故意沒有鋪一層細(xì)沙或?qū)胍恍┧?導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,集氣瓶底被炸裂;在“氫氣還原氧化銅”的實(shí)驗(yàn)中,在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),先停止通氫氣,過一會(huì)再移酒精燈,結(jié)果生產(chǎn)的紅色銅又變成了黑色的氧化銅。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,可以針對(duì)實(shí)驗(yàn)器材、操作步驟、異?，F(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等要素,引導(dǎo)學(xué)生提出進(jìn)一步研究的問題。值得注意的是,要讓學(xué)生延續(xù)問題,不斷發(fā)展提出問題能力,教師除了提供各種促使問題得以延續(xù)的機(jī)會(huì)外,還要注意保護(hù)學(xué)生的問題意識(shí),不論問題的質(zhì)量如何,教師都要積極地善待、鼓勵(lì)學(xué)生,讓他們能持續(xù)地保持著對(duì)探究的好奇心。

總之,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,通過提煉實(shí)驗(yàn)思想、質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)方案、研究實(shí)驗(yàn)技術(shù)、拓展實(shí)驗(yàn)問題,在一定程度上能挖掘?qū)嶒?yàn)功能,提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效益,為學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的全面發(fā)展提供幫助。值得注意的是,在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升時(shí),我們要力求有的放矢、切合實(shí)際,切忌面面俱到、隨意提升;此外,課前還需充分預(yù)設(shè)、系統(tǒng)規(guī)劃。■