摘 要：在基礎(chǔ)教育改革不斷深入的前提下，實驗教學(xué)改革也面臨著新的任務(wù)和挑戰(zhàn)?；诖耍恼聫睦碚摵蛯嵺`方面探討科學(xué)教育中“聯(lián)鎖”實驗的內(nèi)涵、價值、教學(xué)模式及其開發(fā)原則，以切實有效地提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：“聯(lián)鎖”實驗；科學(xué)教育；科學(xué)素養(yǎng)；創(chuàng)新能力

作者簡介：徐敬標(biāo)，南京曉莊學(xué)院教師教育學(xué)院副教授、碩士，主要研究小學(xué)師資培育和科學(xué)教育。（江蘇 南京 211171）

基金項目：本文系江蘇省高等教育教改研究課題“本科層次小學(xué)科學(xué)教師職前培養(yǎng)模式的構(gòu)建”（編號：2015JSJG214）、江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題“本科層次的小學(xué)科學(xué)教師職前培養(yǎng)模式研究”（編號：D/2015/01/121）的研究成果。

中圖分類號：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）30-0037-04

當(dāng)前，科學(xué)課程的基本理念迅速發(fā)展深化，對科學(xué)教師的教育教學(xué)觀念產(chǎn)生了極大的沖擊。以課程標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)志的學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)，集中在四點：一是在科學(xué)內(nèi)容上強調(diào)學(xué)生對事物本身特征與事物間關(guān)系的認(rèn)識，二是在研究主題上強調(diào)與學(xué)生周圍環(huán)境和個人生活的聯(lián)系，三是在方法上強調(diào)科學(xué)實踐的體驗學(xué)習(xí)，四是在評價上強調(diào)實作評價為主的多元方式。這幾點可以說對科學(xué)教師提出了更多、更高的要求，沒有專業(yè)的科學(xué)素養(yǎng)是完不成的。

2017年教育部印發(fā)的小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中，特別把STEM教育列為新課程標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容之一，科學(xué)教師面臨實驗數(shù)量增加、類型綜合、內(nèi)容技術(shù)更新等科學(xué)實踐的挑戰(zhàn)，可以說科學(xué)教師的實驗教學(xué)能力已成為影響科學(xué)課程改革成效的關(guān)鍵因素。如何解決這個問題是擺在教師培養(yǎng)中不可避免的一大現(xiàn)實問題。本文以綜合實驗理論與實踐課程為例，淺談“連鎖”實驗教學(xué)模式在提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力方面的作用。

一、“聯(lián)鎖”實驗的認(rèn)識

1. “聯(lián)鎖”實驗的內(nèi)涵?！奥?lián)鎖”一詞本義為彼此相互聯(lián)系、緊密銜接、堅固地交織在一起。常用在道路交通上，是為了保證行車安全，通過技術(shù)方法，使進(jìn)路、道岔和信號機之間按一定程序、一定條件建立起的既相互聯(lián)系又相互制約的關(guān)系[1]。本文中的“聯(lián)鎖”借用上述定義，專指按一定規(guī)范（程序或條件）建立起的前后之間既相互聯(lián)系又制約的關(guān)系。

實驗是根據(jù)一定目的，運用必要的手段，在人為控制的條件下，觀察研究事物本質(zhì)和規(guī)律的一種實踐活動[2]；是科學(xué)認(rèn)識的基礎(chǔ)，也是判斷認(rèn)識是否具有真理性的標(biāo)準(zhǔn)。在科學(xué)教育中，實驗通常要預(yù)設(shè)“實驗?zāi)康摹薄皩嶒灜h(huán)境”，進(jìn)行“實驗操作”，最終以“實驗報告”的形式發(fā)表“實驗結(jié)果”。基于以上認(rèn)識，科學(xué)教育中的“聯(lián)鎖”實驗可定義為：在科學(xué)教育實踐中，為了提升學(xué)生科學(xué)的綜合實踐能力，通過教學(xué)設(shè)計，按某種規(guī)范（程序或條件）建立起的一組相互聯(lián)系的系列實驗。

2.“聯(lián)鎖”實驗的特征。實驗可以是師生演示的實驗，也可以是學(xué)生設(shè)計的實驗。學(xué)生設(shè)計的實驗是在講過某一部分科學(xué)內(nèi)容之后，在教師的要求與指導(dǎo)下，由學(xué)生分組合作設(shè)計的一組系列實驗。這些實驗必須具有以下特征，方可稱為“聯(lián)鎖”實驗：①綜合性。設(shè)計的實驗在內(nèi)容上具有多科性、跨科性，在技能訓(xùn)練上具有統(tǒng)整性，強調(diào)學(xué)生自行設(shè)計與創(chuàng)意體現(xiàn)，這是“聯(lián)鎖”實驗的理念體現(xiàn)。②問題性。實驗只是一種學(xué)習(xí)形式，一種途徑，其本質(zhì)是一個始于問題、終于問題的過程，即從認(rèn)識問題開始，而后經(jīng)猜測、構(gòu)想、解釋、驗證等環(huán)節(jié)得出結(jié)論，使問題貫穿在整個系列實驗中，這是“聯(lián)鎖”實驗的實質(zhì)要求。③生活性。實驗所用材料講求就地取材與操作簡易，實驗形式講求短小精悍與生動活潑，實驗內(nèi)容講求生活實際與教育實效，這是“聯(lián)鎖”實驗的出發(fā)點。④系列性。設(shè)計的實驗個數(shù)至少兩個以上（含兩個），構(gòu)成有關(guān)系的一組，這種關(guān)系按一定的規(guī)范（或基于材料、或基于內(nèi)容、或基于方法等）聯(lián)系在一起，在訓(xùn)練學(xué)生教學(xué)技能及思維上有進(jìn)階的要求，這是“聯(lián)鎖”實驗的條件約定。

3. 作為科學(xué)教育中“聯(lián)鎖”實驗的要求?？茖W(xué)教育講的是“物”之“理”，教師應(yīng)“藉物彰理”，引導(dǎo)學(xué)生“格物致理”?！奥?lián)鎖”實驗可以幫助學(xué)生融通“物”與“理”，形成科學(xué)概念，理解和鞏固科學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生觀察現(xiàn)象、分析問題、解決問題的能力，獲得比較熟練的實驗技能以及實事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度?！奥?lián)鎖”實驗要求把“學(xué)科學(xué)作為一種過程”，作為學(xué)生學(xué)習(xí)，諸如觀察、推斷和實驗等諸多能力的過程，而且強調(diào)學(xué)科學(xué)的中心環(huán)節(jié)是實踐。在參與體驗時，學(xué)生要能描述物體和事件，能提出問題，能作出解釋，加以檢驗，并且把自己的看法和意思傳達(dá)給別人?？茖W(xué)教育中的“聯(lián)鎖”實驗是一種積極、主動的過程，學(xué)科學(xué)是學(xué)生要自己實踐的事，而不能由別人來代勞，除了有動手的實踐活動，還必須要有動腦的理性體驗。

二、“聯(lián)鎖”實驗的案列研究

1. 以技能過程為主線的“聯(lián)鎖”實驗案例。①實驗主要材料：食鹽、水、紅小豆、白砂糖；②“聯(lián)鎖”實驗：紅小豆冰棒實驗——冰使水開實驗——粗鹽提純實驗。（說明：該“聯(lián)鎖”實驗更適合在夏季做）

實驗一：制作紅小豆冰棒。（準(zhǔn)備工作：教師可以先指導(dǎo)學(xué)生用燒杯煮好紅小豆，放入白砂糖，讓它們自然涼，在這期間指導(dǎo)學(xué)生使用冰箱制冰塊）冰箱制冰過程。如何制冰？——以燒杯做容器為什么易被“凍裂”？如何取冰？——從燒杯中如何將冰順利取出？如何碎冰？——通過何種方法將冰塊做碎？

經(jīng)過討論，大家一致認(rèn)為用小的保鮮袋做制冰容器合適，可以很好地解決以上問題。將煮熟的紅小豆置于干凈的試管底部，同時倒入加了糖的涼開水，插入一干凈的竹簽做冰棍。將試管埋到有碎冰玻璃（或塑料）的水槽中，在碎冰之間倒入粗鹽（也可以用細(xì)鹽），靜置觀察7～8分鐘并回答以下問題：①加入粗鹽后水槽中的碎冰變得堅如石頭，原因何在？②玻璃（或塑料）水槽外面出現(xiàn)冰霜，原因何在？③將內(nèi)部已經(jīng)凝固的試管取出，想一想如何快速取出制好的冰棒？

實驗二：冰使水開。將裝入半瓶水的平底燒瓶置于酒精燈上燒開，用軟木塞蓋緊倒置，將上述玻璃水槽中已經(jīng)部分融化的碎冰置于其上，進(jìn)行觀察并回答以下問題：①平底燒瓶在加熱過程中為什么可以不用石棉網(wǎng)？②用試管夾夾取燒瓶，為什么要小心？③燒瓶中水再次沸騰的原因是什么？

實驗三：粗鹽提純。將上述水槽中已完全融化的鹽水進(jìn)行粗鹽提純，并回答以下問題：①過濾——過濾的目的是什么？需要哪些儀器？操作時要注意哪些問題（一貼、二低、三靠）？②蒸發(fā)——蒸發(fā)的目的是什么？需要哪些儀器？操作時的注意事項有哪些？（說明：實驗三得到的產(chǎn)品——粗鹽，以備下次重復(fù)使用，進(jìn)行實驗用料循環(huán)）

上述三個“聯(lián)鎖”實驗，以常見的物品——食鹽和水為聯(lián)系主線，前一個實驗是后一個實驗的過程基礎(chǔ)，很好地將物態(tài)變化等科學(xué)知識及各項實驗技能貫穿其中。使學(xué)生認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)、獲取日常生活中必須具備的科學(xué)知識和思維能力，凸顯“聯(lián)鎖”實驗中問題、證據(jù)、解釋、評價和表達(dá)等技能環(huán)節(jié)的重要性。

2. 以科學(xué)概念為主線的“聯(lián)鎖”實驗案例。①科學(xué)概念：二氧化碳?xì)怏w的性質(zhì)；②“聯(lián)鎖”實驗：點燃兩支長度不同的蠟燭（相差5cm以上），將其固定在桌面上。如果用大小不等的玻璃燒杯（或者其他透明的容器）將兩支蠟燭罩在里面，會有何種現(xiàn)象？

實驗一：用小一點的燒杯罩?。怪?，封閉）。提問：哪一支蠟燭先滅？猜測：理由？觀察：以小組為單位進(jìn)行操作實驗。解釋：原因？

實驗二：用大的燒杯罩?。怪茫忾]）。程序和實驗一相同，猜測理由，結(jié)果又如何？如何解釋？

實驗三：將實驗二中的倒置大燒杯杯沿用高約1cm或2cm的三個橡皮墊起來。重復(fù)實驗二步驟，情況又是如何？

針對以上三個“聯(lián)鎖”實驗，請回答：火場逃生時，為什么低伏身體貼近地面有利于逃生？上面三個實驗是以CO2的性質(zhì)為聯(lián)系主線進(jìn)行設(shè)計的，該類“聯(lián)鎖”實驗只改變前一個實驗一個變因，后一個是前一個的延伸，完成一個系列，明確實驗結(jié)果。采用的學(xué)習(xí)策略是POE（預(yù)測——觀察——解釋），POE基本的程序是：首先設(shè)計某一情境讓學(xué)生預(yù)測會有何結(jié)果或現(xiàn)象發(fā)生，要求學(xué)生寫下自己的預(yù)測并說明理由，接著通過實際操作讓學(xué)生觀察有何結(jié)果或現(xiàn)象發(fā)生，記錄觀察結(jié)果，如果與預(yù)測的不一樣，讓學(xué)生解釋原因或理由。POE教學(xué)策略增強了學(xué)習(xí)活動的指向性與目的性，有助于學(xué)生在原有的知識結(jié)構(gòu)上進(jìn)行概念建構(gòu)。

3. 以固定器材為主線的“聯(lián)鎖”實驗案例。①實驗固定器材：平口玻璃杯、能夠蓋住玻璃杯口的薄塑料片、紗網(wǎng)；②“聯(lián)鎖”實驗：覆杯實驗。

覆杯實驗一：將杯子里裝滿水，用塑料片把杯口蓋嚴(yán)，按住塑料片，把杯子倒過來或處于傾斜位置，放手后，塑料片不會掉下來，杯子里的水也不會流出來，為什么？

覆杯實驗二：玻璃杯內(nèi)只有半杯水，甚至只有一點點水鋪在杯底，蓋上薄塑料片，再將杯子翻過來，塑料片會落下來嗎？為什么？如果杯子處于傾斜位置，又如何？

覆杯實驗三：以紗網(wǎng)（玻璃窗用的）蓋住杯口，杯子中的水不會流出來的原因是什么？而略微傾斜后，杯子中的水為什么又會流出來？

這是與大氣壓力有關(guān)的三個簡易“聯(lián)鎖”實驗，其特征以固定常見器材為主線，雖然涉及的科學(xué)概念較多，但每個后續(xù)實驗只改變前一個實驗的一個變因，使用的是矛盾沖突學(xué)習(xí)策略，該策略通過讓學(xué)生觀察現(xiàn)象、動手實驗操作等實踐活動來展示矛盾事件，引發(fā)認(rèn)知矛盾。

三、“聯(lián)鎖”實驗的價值

梅里爾指出：學(xué)習(xí)者解決了一系列經(jīng)過比較、澄清的問題，才能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)。[3]“聯(lián)鎖”實驗給學(xué)生提供了一個不受時間、空間和材料限制的，有挑戰(zhàn)性、有吸引力的環(huán)境。該種實驗在取材上，以學(xué)生身邊的材料、生活中的實驗、身邊的實驗為主，增強學(xué)生的生活體驗和經(jīng)驗；在內(nèi)容設(shè)計與選擇上，選取的實驗比較生動有趣，實驗器材易于準(zhǔn)備，易于學(xué)生制作，現(xiàn)象明顯，易推廣。

從本體論看，通過“聯(lián)鎖”實驗使學(xué)生內(nèi)心形成一系列相互關(guān)聯(lián)的體驗，在系列的學(xué)習(xí)親歷和不斷的學(xué)習(xí)反思中，有效地提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的知識意義、情感體驗、生命感受與能力品性。從認(rèn)識論看，“聯(lián)鎖”實驗將學(xué)習(xí)歷程、過程、動作、情感等串聯(lián)起來，是一種跟學(xué)習(xí)活動密切關(guān)聯(lián)的經(jīng)歷，是在反復(fù)的學(xué)習(xí)親歷中“得到情感體驗、人格提升、個性張揚，生命活力得以煥發(fā)，生命價值得以提升的過程?！盵4]從發(fā)生學(xué)看，“聯(lián)鎖”實驗中的學(xué)生體驗發(fā)生依承于歷構(gòu)層、預(yù)構(gòu)層、臨構(gòu)層的相互作用與有機統(tǒng)一。[5]美國心理學(xué)家Noel Tichy提出：對于一個人來說，最理想的狀態(tài)是處于“學(xué)習(xí)區(qū)”（指對自己來說有一定挑戰(zhàn)，因而感到不適，但是不至于太難受的區(qū)域）。“聯(lián)鎖”實驗就是給學(xué)生提供學(xué)習(xí)具有適當(dāng)挑戰(zhàn)性的平臺，一個非常好的“學(xué)習(xí)區(qū)”。

1.“聯(lián)鎖”實驗有助于學(xué)生進(jìn)行科學(xué)知識與專業(yè)技能的學(xué)習(xí)?！奥?lián)鎖”實驗關(guān)注的是學(xué)生的經(jīng)驗是否會產(chǎn)生有意義的改變，是否獲得成長等根本問題，在以上實驗中涉及的基本過程技能有觀察、應(yīng)用時間與空間的關(guān)系、分類、應(yīng)用數(shù)字、測量、傳達(dá)、預(yù)測、推理等項，涉及的綜合過程技能有提出猜測、使用變量、實驗、建立模型、根據(jù)觀察定義術(shù)語等。學(xué)生在有意義的“聯(lián)鎖”的過程中，能運用科學(xué)研究的程序和方法主動建構(gòu)科學(xué)知識，體驗和感悟科學(xué)研究基本過程，學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)研究的基本技能及專業(yè)技能。

2.“聯(lián)鎖”實驗有助于學(xué)生理性批判精神的塑造。在現(xiàn)行科學(xué)課教學(xué)中，較少將論證與科學(xué)解釋取向探究教學(xué)的案例落實于課堂中，科學(xué)教育多年來一直被詬病的原因之一是學(xué)生經(jīng)常只學(xué)到片段的知識，缺乏科學(xué)推理、解釋資料的能力；原因之二是評價學(xué)生適應(yīng)未來生活的發(fā)展能力——辨識科學(xué)問題、科學(xué)地解釋現(xiàn)象、運用科學(xué)證據(jù)等不易有客觀的評量被忽略了。在列舉的“聯(lián)鎖”實驗中，科學(xué)解釋的建構(gòu)是很重要的一環(huán)，它是指對自然世界中發(fā)生的事件或現(xiàn)象如何及為何發(fā)生做出說明，內(nèi)容包括主張、證據(jù)及推理三部分，在這些環(huán)節(jié)中，學(xué)生的理性批判精神很容易得到塑造。

3.“聯(lián)鎖”實驗有助于學(xué)生創(chuàng)意思維能力的提高?！奥?lián)鎖”實驗活動是一個復(fù)雜的過程，其中的信息流程如下：

創(chuàng)意思維能力的培養(yǎng)基于主動變換認(rèn)識世界（事物、問題）的角度，在“聯(lián)鎖”實驗中讓學(xué)生進(jìn)行實驗設(shè)計，可以鍛煉學(xué)生的動手能力，然后通過一系列問題的研討來構(gòu)建整個課程，以處理問題、探討問題、解決問題的形式來進(jìn)行學(xué)習(xí)，最終實現(xiàn)創(chuàng)意思維的提高。

4.“聯(lián)鎖”實驗有助于學(xué)生社會責(zé)任意識與情感的培育?！奥?lián)鎖”實驗要求以生活情境鋪設(shè)臺階，通過實驗情景自然化、實驗內(nèi)容生活化、實驗活動日?；?，破除實驗的神秘性，在日常生活適應(yīng)中找到學(xué)習(xí)科學(xué)的平衡點，關(guān)注生態(tài)、關(guān)注與科技有關(guān)的社會性議題（SSI）、關(guān)注科學(xué)社群、關(guān)注科學(xué)家形象等，正確對待科學(xué)本質(zhì)、正確對待科學(xué)學(xué)習(xí)、正確對待科學(xué)事業(yè)，提升自身的社會責(zé)任意識和對教育專業(yè)的情誼。

四、“聯(lián)鎖”實驗設(shè)計的原則

1. 寬泛與簡易性原則。寬泛要求研究主題中各種科學(xué)知識都要有所涉獵，簡易要求實驗的成本低，即取材方便、操作簡易，不需要精密的實驗設(shè)備，更不需要繁瑣的操作過程。

2. 趣味與生活性原則。趣味講求借用“非”實驗物品開展“一物多用、多物一用”時，要有“趣”，有“味”，設(shè)計的實驗要有進(jìn)階性，生活性是“聯(lián)鎖”實驗的基礎(chǔ)，利用日常生活用品做實驗不受實驗室的限制，在家里也可以做，使學(xué)生感到親切。

3. 融合與自創(chuàng)性原則。融合講求“聯(lián)鎖”，“聯(lián)鎖”就要融會貫通，自創(chuàng)要求自己動手、自己動腦，在“做”中教，在“做”學(xué)，賦予學(xué)習(xí)以“自創(chuàng)性”快樂。

4. 過程與體驗性原則?！奥?lián)鎖”實驗強調(diào)過程技能的訓(xùn)練，強調(diào)學(xué)生參與實踐，充分發(fā)揮“聯(lián)鎖”效應(yīng)，在系列實驗中對話、探討、整合，進(jìn)行深刻反思和體悟，提高遷移能力。

綜上所述，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是科學(xué)教育的宗旨，我們在大處著眼的同時還需要從小處著手，這就要求教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會去實作。通過“聯(lián)鎖”實驗的開展，可以有效解決為什么“實作”，如何“實作”，怎么“實作”，“實作”的成效高不高等問題，只有這樣，才能有效達(dá)到“安其學(xué)而親其師，樂其友而信其道”的境地。

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責(zé)任編輯 朱澤玲