朱宗秋

1問題提出

每一個(gè)科學(xué)老師都必須思考一個(gè)問題：什么是“科學(xué)本質(zhì)”.隨著課改深入，越來越多的問題暴露在課堂中：以講代學(xué)，不重視實(shí)驗(yàn)活動設(shè)計(jì)，照本宣科實(shí)驗(yàn)過程;用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)代替探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等.隱藏在這些現(xiàn)象背后更深層次的問題是教師并未理解科學(xué)本質(zhì)，甚至把一些違背科學(xué)思維方式的東西推舉為精彩、成功的科學(xué)課.事實(shí)上科學(xué)知識容易掌握，而掌握科學(xué)思維方法，理解科學(xué)性質(zhì)，比知識的傳授與掌握，要困難的多.縱觀如今的科學(xué)教學(xué)，依然存在以下問題：

1.1重視實(shí)驗(yàn)器材及具體方法改進(jìn)，忽視實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)整體把握

很多圍繞實(shí)驗(yàn)展開的課堂改進(jìn)都是強(qiáng)調(diào)對實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)，增加實(shí)驗(yàn)的演示清晰度等，如我們見過的許多以實(shí)驗(yàn)為主題的教改論文.而對于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的整體設(shè)計(jì)，例如實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)的科學(xué)邏輯，從假設(shè)到假說再到科學(xué)理論所需要的遞進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等重視不足.

1.2實(shí)驗(yàn)過程缺乏嚴(yán)謹(jǐn)，科學(xué)性體現(xiàn)不夠

科學(xué)教師都知道，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)必須控制變量.中小學(xué)一般采取單因子控制方法.教師不僅要幫助學(xué)生具有控制變量的意識，還要幫助學(xué)生具有控制變量的能力.但在許多實(shí)際的教學(xué)中，往往流于空洞的語言描述，并沒有真正引起師生的關(guān)注.再如，實(shí)驗(yàn)必須通過觀察得到結(jié)果，而觀察具有易錯(cuò)性，重復(fù)實(shí)驗(yàn)非常有必要.課堂中，許多教師往往目標(biāo)單一，即進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果.為了節(jié)約時(shí)間，提高所謂課堂“效率”，忽視重復(fù)實(shí)驗(yàn).這實(shí)際上嚴(yán)重削弱了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性.而取消了重復(fù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，往往也是不完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).

1.3實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)功利，未能充分體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)價(jià)值

許多教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，僅是要求學(xué)生學(xué)會使用儀器，掌握儀器的操作技能;再有用它來驗(yàn)證已學(xué)過的知識;或者通過一次兩次的簡單實(shí)驗(yàn)，便要求學(xué)生推導(dǎo)出更多具有普遍意義的科學(xué)結(jié)論，并由此作為契機(jī)，要求學(xué)生掌握該知識點(diǎn)，通過大量練習(xí)，對該知識點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)化和應(yīng)用.這體現(xiàn)的仍是以應(yīng)試為目的科學(xué)教學(xué)觀.實(shí)驗(yàn)活動的重要目的應(yīng)是使學(xué)生學(xué)會和掌握實(shí)驗(yàn)的方法和思想.它應(yīng)該是引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)認(rèn)識過程，進(jìn)行科學(xué)方法教育的重要手段和途徑.

2優(yōu)化策略

在提出優(yōu)化策略之前，我們先要了解什么是科學(xué)性質(zhì).最早對此進(jìn)行研究的是培根.他認(rèn)為“科學(xué)就是推理加經(jīng)驗(yàn)”，一旦被確定的科學(xué)知識就是絕對的真理.但后來的研究者并不認(rèn)同這一點(diǎn).美國實(shí)用主義哲學(xué)家教育家杜威認(rèn)為，科學(xué)本質(zhì)是探究過程或科學(xué)推理的方法.科學(xué)教育家施瓦布也拒絕傳統(tǒng)科學(xué)教學(xué)中的內(nèi)容崇拜，認(rèn)為它將導(dǎo)致“浮夸的結(jié)論”，給學(xué)生強(qiáng)加了一種科學(xué)是“不折不扣與不可更改的真理的虛假印象”.現(xiàn)代科學(xué)哲學(xué)觀則認(rèn)為科學(xué)的過程是證偽的過程，是在尋找錯(cuò)誤的過程中不斷逼近真理的過程，而不能達(dá)到真理.科學(xué)知識在本質(zhì)上是一種猜想的知識，它是大膽的假設(shè).

綜上所述，探究和推理是科學(xué)的核心.科學(xué)課堂最重要的是引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的方法，嚴(yán)密的探究與推理過程，而決非是對已有知識的崇拜.

筆者針對當(dāng)前科學(xué)課堂現(xiàn)狀，提出了以下優(yōu)化策略.

2.1明晰假設(shè)、假說和科學(xué)理論的區(qū)別和過程

假設(shè)和假說是不同的概念.但許多人并未真正理清兩者的關(guān)系.假設(shè)是科學(xué)假說的萌芽，是對所研究的客觀事物的本質(zhì)和規(guī)律提出的一種初步的設(shè)想，并沒有得到進(jìn)一步的升華和完善;而科學(xué)假說則是假設(shè)的驗(yàn)證結(jié)果，已經(jīng)升華為理論形式了.雖有著作把它們解釋的近乎通義，但從哲學(xué)認(rèn)識論和科學(xué)方法論的視角來看，兩者還是有較明顯的區(qū)別.一般而言，科學(xué)理論的建立需要經(jīng)歷以下轉(zhuǎn)化過程：

案例1水電解的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

思考：水循環(huán)是化學(xué)還是物理變化？

猜想：水電解可能是化學(xué)還是物理變化.

假設(shè)：水電解是化學(xué)變化.

第一次電解水實(shí)驗(yàn)：

（1）學(xué)生觀察并記錄.

（2）進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)：用帶火星的木條靠近正極所在的玻璃管.觀察.點(diǎn)燃負(fù)極所在玻璃管的氣體，觀察.

（3）整理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)，進(jìn)行初步分析與歸納.

建立科學(xué)假說：水電解是化學(xué)變化，產(chǎn)生氫氣和氧氣，二者體積比接近2∶1.

第二次電解水實(shí)驗(yàn)：

（1）請四位同學(xué)再次上臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn).記錄.

（2）再請一位同學(xué)檢驗(yàn)左右管中產(chǎn)生的氣質(zhì)性質(zhì).發(fā)現(xiàn)依然為氫氣和氧氣.且產(chǎn)生兩者電極不變.仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者體積比為2∶1.

初步建立科學(xué)理論：水電解是化學(xué)變化，正極產(chǎn)生氧氣，負(fù)極產(chǎn)生氫氣，兩者體積比為2∶1.

在水的電解實(shí)驗(yàn)中，課本只有一次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，學(xué)生也可得出水電解發(fā)生化學(xué)變化產(chǎn)生氫氣和氧氣的結(jié)論.整個(gè)實(shí)驗(yàn)僅有驗(yàn)證已有知識的作用.改良后，則引導(dǎo)學(xué)生明晰了科學(xué)理論建立的一般過程.當(dāng)然這種課堂上驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)過程，距離科學(xué)家得到科學(xué)結(jié)論的研究過程還有較大差距，但在此過程中引導(dǎo)學(xué)生初步明晰了假設(shè)、假說和科學(xué)理論的區(qū)別，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度.

2.2注重銜接，完善從“定性”到“定量”的研究過程

定性的描述與定量化處理都是科學(xué)研究的必要手段.科學(xué)觀察不一定使用定量的方法，但定量是定性的后一階段、高級階段.小學(xué)階段已經(jīng)初步建立了精確測量的概念，精確測量的技術(shù)卻應(yīng)該在初中以后加強(qiáng).引導(dǎo)學(xué)生建立從定性到定量、從粗略到精確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，是初中科學(xué)教師的重要任務(wù).

案例2物體所受浮力大小與其排開體積有關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

定性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：請學(xué)生人手準(zhǔn)備兩個(gè)完全相同的塑料飲料瓶.一個(gè)保持原樣，一個(gè)壓扁.將它們分別壓入水中.如圖2、圖3所示.這兩種情況下，把瓶子壓入水中所需要的力是否相同.

建立假設(shè)：浮力的大小與排開液體的體積有關(guān).

定量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

（1）取一物塊，測出物體在空氣中所受重力

（2）在溢水杯中裝滿水，測出物體在水中所受重力

（3）量筒放在溢水杯下部，測量該物塊排出水的體積.將數(shù)據(jù)記錄到表格中

（4）換另外兩個(gè)物塊，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)過程.并將數(shù)據(jù)結(jié)果記錄到表格中.

實(shí)驗(yàn)記錄表格：

在第一步定性實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過親身感受知道了物體所受浮力應(yīng)與物體浸入到液體里的體積（V排）有關(guān).這時(shí)第二步的設(shè)計(jì)即為明確兩者具體關(guān)系.目標(biāo)明確思路清晰，設(shè)計(jì)起來就容易多了.而一次實(shí)驗(yàn)只能得出一組數(shù)據(jù)，無法說明兩者的關(guān)系，只有經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)后得到多組數(shù)據(jù)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)性質(zhì)自然就從定性過渡到定量了.初中以后，定量實(shí)驗(yàn)越來越重要，教師把握好從定性到定量的過程，不僅可以讓課堂過渡的更加流暢，更重要的是幫助學(xué)生建立科學(xué)思維，明確科學(xué)研究過程.

2.3變量控制應(yīng)具有精準(zhǔn)、明確的可操作性

嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)需要對其操作或者測量下操作性定義，即：科學(xué)的、可觀察的、可測量的、可操作的、可重復(fù)的.

科學(xué)實(shí)驗(yàn)必須注重變量控制.但在具體設(shè)計(jì)過程及操作過程中，許多老師往往一語代過.學(xué)生本來就對實(shí)驗(yàn)不熟悉，動起手來就糊里糊涂，什么情況都會出現(xiàn).如在探究液體蒸發(fā)快慢可能與液體溫度高低有關(guān)時(shí)，教師會強(qiáng)調(diào)：我們僅要改變的是溫度這個(gè)變量，其它的量需要保持不變.請同學(xué)們各滴1滴酒精到玻璃板上，分別攤開的面積要接近相同.但是學(xué)生實(shí)際操作中，他們并不能判斷自己滴的面積是否相同;或者即使面積接近，液滴的高度不同，液滴的量其實(shí)也不相同;且一滴的液量也并不足以得出明確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

案例3影響液體蒸發(fā)快慢的因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的變量控制

（1）液體表面積大小影響液體蒸發(fā)快慢.

取如圖4所示玻片，上固定好一大一小兩個(gè)橡皮圈，同時(shí)滴進(jìn)3滴液體，將其攤勻.記錄兩圈中液體蒸發(fā)速度.

（2）液體溫度高低影響液體蒸發(fā)快慢.

取如圖5所示兩張玻片.上面分別固定相同面積的兩個(gè)橡皮圈.同時(shí)滴進(jìn)3滴液體.將其攤勻.一張自然蒸發(fā)，一張通過酒精燈加熱，觀察并記錄圈中液體的蒸發(fā)速度.

（3）液體表面空氣流動速度影響液體蒸發(fā)快慢（設(shè)計(jì)同上）.

上圖設(shè)計(jì)非常簡單，但也非常巧妙.經(jīng)過這樣清晰明確的控制變量操作，學(xué)生切切實(shí)實(shí)地理解了什么是控制變量，又如何控制變量.故此設(shè)計(jì)雖簡單，但效果很好.對變量控制的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，更加考較執(zhí)教者的心思.

2.4正視重復(fù)實(shí)驗(yàn)的必要性

在前面的實(shí)驗(yàn)中，不止一次地出現(xiàn)了重復(fù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程.在問及為何要重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，多數(shù)學(xué)生會回答：減小誤差，避免偶然性.但實(shí)際上重復(fù)實(shí)驗(yàn)不僅僅是為了避免偶然性或者多次測量取平均值，它最重要的作用是尋找普遍規(guī)律！但凡通過實(shí)驗(yàn)得到的科學(xué)理論，都必須滿足一條重要的科學(xué)性質(zhì)：可重復(fù)性.所以在課堂中必須使學(xué)生明白重復(fù)實(shí)驗(yàn)最終目的：尋找普遍規(guī)律.

新課改教育目標(biāo)的初衷是“全面提高每一個(gè)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是科學(xué)課程的核心理念.”筆者認(rèn)為，對于科學(xué)實(shí)驗(yàn)，最終應(yīng)該立足于實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值，回歸科學(xué)認(rèn)識過程和科學(xué)方法教育.

例如前面所提到的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例，這些設(shè)計(jì)在課堂中會耽誤大量時(shí)間，但學(xué)生學(xué)到知識點(diǎn)很少且難度不大.很多老師會對這樣耗時(shí)多掌握知識點(diǎn)少的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不以為然.但實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的并不僅僅是掌握知識，更重要是幫助學(xué)生掌握科學(xué)研究方法，它具有重要意義：

（1）幫助學(xué)生了解科學(xué)研究的過程：從假設(shè)到假說，再到科學(xué)理論.

（2）幫助學(xué)生順利從定性實(shí)驗(yàn)過渡到定量實(shí)驗(yàn).

（3）幫助學(xué)生明確變量控制應(yīng)具有精準(zhǔn)的可操作性.

（4）幫助學(xué)生強(qiáng)化重復(fù)實(shí)驗(yàn)不僅為了減小誤差，更重要是尋找普遍規(guī)律.

這種科學(xué)研究價(jià)值觀的形成與建立，比僅僅進(jìn)行知識掌握的教學(xué)目的，重要且寶貴的多.但這既需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和心血，又于短時(shí)間內(nèi)的分?jǐn)?shù)的提高并無明顯益，往往會被忽略.實(shí)際上卻極有價(jià)值和意義，且可提高的學(xué)生的科學(xué)興趣與科學(xué)思維方法，理解科學(xué)本質(zhì)，最終對學(xué)生整體科學(xué)素養(yǎng)的提高具有重要意義.身為科學(xué)教師，最需要謹(jǐn)記下面這段話：科學(xué)實(shí)驗(yàn)作為科學(xué)教育的基礎(chǔ)和重要組成部分，它的教學(xué)價(jià)值不應(yīng)當(dāng)僅僅是使學(xué)生學(xué)會使用一些儀器，掌握一些實(shí)驗(yàn)儀器的操作技能，或只是用它來驗(yàn)證已學(xué)過的知識.它應(yīng)該是進(jìn)行科學(xué)方法教育的重要手段和途徑.