張濤 李繼良 王薇

摘要：以“自制泡泡液”為主題開(kāi)展初中科學(xué)探究的教學(xué)活動(dòng);學(xué)生通過(guò)完成認(rèn)識(shí)泡泡液中的三種成分、利用全面實(shí)驗(yàn)法探究物質(zhì)種類對(duì)泡泡效果的影響和利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)探究泡泡液成分比例對(duì)起泡效果的影響三個(gè)項(xiàng)目任務(wù)，認(rèn)識(shí)了科學(xué)探究的過(guò)程要素：提出問(wèn)題、猜想假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、檢驗(yàn)評(píng)價(jià)、表達(dá)交流，學(xué)習(xí)了全面實(shí)驗(yàn)法、單因素輪換法、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，體驗(yàn)了科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性和有用性，發(fā)展了科學(xué)探究的素養(yǎng)，培養(yǎng)了創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：泡泡液;正交試驗(yàn)設(shè)計(jì);單因素輪換法;項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

文章編號(hào)：1008-0546（2022）06-0084-05

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.00.019

目前化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更多是知識(shí)、技能層面，例如認(rèn)識(shí)儀器名稱、掌握基本操作、學(xué)會(huì)觀察和描述現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象……也有研究側(cè)重科學(xué)方法介紹[1]，而運(yùn)用項(xiàng)目活動(dòng)設(shè)計(jì)理念，在實(shí)際問(wèn)題解決中滲透科學(xué)方法應(yīng)用很少引起師生的共同關(guān)注?？茖W(xué)方法是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)和改造客觀世界的實(shí)踐活動(dòng)中總結(jié)出來(lái)的正確的思維方法和行為方式，在學(xué)習(xí)和研究中，科學(xué)方法被視為產(chǎn)生知識(shí)的“知識(shí)”[2]。在教學(xué)中注重科學(xué)方法的教學(xué)，可使學(xué)生的思路變得更開(kāi)闊、更敏捷，解決問(wèn)題的手段也變得更多、更靈活。本課題以“自制泡泡液”為主題展開(kāi)實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐。

一、項(xiàng)目主題內(nèi)容分析

本項(xiàng)目以學(xué)生所喜愛(ài)的泡泡液為主題，運(yùn)用初中重要的全面實(shí)驗(yàn)法探究物質(zhì)種類對(duì)泡泡液起泡效果的影響。學(xué)生經(jīng)歷制定計(jì)劃、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、觀察與實(shí)驗(yàn)、獲取事實(shí)與證據(jù)、表達(dá)與交流等科學(xué)探究過(guò)程。當(dāng)實(shí)驗(yàn)水平變多時(shí)，學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)全面實(shí)驗(yàn)法和單因素輪換法的局限性，從而提出假設(shè)和猜想、設(shè)計(jì)方案解決實(shí)驗(yàn)選點(diǎn)問(wèn)題，自主探究適用于多因素、多水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。這個(gè)過(guò)程能夠幫助學(xué)生形成真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的思路，領(lǐng)悟科學(xué)探究的思想，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究所需要的能力，增進(jìn)對(duì)科學(xué)探究方法與過(guò)程的理解。

二、項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)全面實(shí)驗(yàn)法探究物質(zhì)種類對(duì)泡泡液效果的影響，讓學(xué)生感受全面實(shí)驗(yàn)法的科學(xué)性和有效性。在解決實(shí)驗(yàn)水平增多問(wèn)題的過(guò)程中，感受全面實(shí)驗(yàn)法的局限性。從而培養(yǎng)學(xué)生用發(fā)展的眼光辯證地看待事物的科學(xué)態(tài)度。

（2）通過(guò)閱讀資料，初步學(xué)習(xí)單因素輪換法，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。然后學(xué)生利用3x3模型親自動(dòng)手粘貼試驗(yàn)點(diǎn)，感受單因素輪換法在選點(diǎn)方面的不合理性。通過(guò)小組活動(dòng)解決選點(diǎn)的問(wèn)題，學(xué)生自主探究正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、獲取信息和手腦并用解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，增進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)研究方法的認(rèn)識(shí)和理解。

（3）通過(guò)每一個(gè)任務(wù)中的小組合作，提升學(xué)生與人交流合作的能力，形成尊重別人勞動(dòng)成果，培養(yǎng)傾聽(tīng)別人意見(jiàn)的習(xí)慣。在小組合作中，每個(gè)人分工明確，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到小組的成員在探究嘗試中各有所長(zhǎng)，知識(shí)和技能可以互補(bǔ)，通過(guò)這些活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作精神。

三、項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程

見(jiàn)表1。

四、項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程及學(xué)生學(xué)習(xí)成果

以第3課時(shí)為例呈現(xiàn)項(xiàng)目活動(dòng)過(guò)程中師生的具體行為表現(xiàn)。

1.發(fā)現(xiàn)全面實(shí)驗(yàn)法的問(wèn)題

【情境創(chuàng)設(shè)】上一節(jié)課我們確定了配制泡泡液的三種物質(zhì)分別為：洗發(fā)水、甘油和茶水。今天我們探究這三種物質(zhì)的最佳配比。注意，這節(jié)課每個(gè)實(shí)驗(yàn)因素我們?cè)O(shè)定三個(gè)實(shí)驗(yàn)水平（見(jiàn)表2）。

【項(xiàng)目任務(wù)】請(qǐng)用上一節(jié)課的實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)今天的實(shí)驗(yàn)表格。然后小組討論如果實(shí)驗(yàn)因素再增加一個(gè)水平，將需要進(jìn)行幾個(gè)實(shí)驗(yàn)？目前的實(shí)驗(yàn)方法存在什么不足？有何對(duì)策？

【學(xué)生4人一小組先獨(dú)立思考，填寫學(xué)案（實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表3），然后小組討論和匯報(bào)交流】

【學(xué)生觀點(diǎn)】3因素3水平實(shí)驗(yàn)需要做的實(shí)驗(yàn)次數(shù)是33，即27個(gè)。每個(gè)因素再增加一個(gè)實(shí)驗(yàn)水平，需要做的實(shí)驗(yàn)次數(shù)是43，就是64個(gè)。實(shí)驗(yàn)次數(shù)有點(diǎn)兒多。

【學(xué)生觀點(diǎn)2】如果實(shí)驗(yàn)水平再增加，需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)量驚人。如果能夠像做調(diào)查問(wèn)卷一樣，挑選一部分人作樣本進(jìn)行調(diào)查會(huì)比較高效、快速。

【學(xué)生觀點(diǎn)3】如果不把所有實(shí)驗(yàn)做一遍，那么選做的實(shí)驗(yàn)就要具有代表性。

【教師點(diǎn)評(píng)】同學(xué)們分析得很好！我們之前所用的實(shí)驗(yàn)方法叫做全面實(shí)驗(yàn)法，這種方法的科學(xué)性和準(zhǔn)確性是毋庸置疑的。但是，當(dāng)實(shí)驗(yàn)因素變多、實(shí)驗(yàn)水平增加時(shí)，實(shí)驗(yàn)量成指數(shù)倍數(shù)增長(zhǎng)。因此，如何選擇具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是我們要解決的問(wèn)題。請(qǐng)大家閱讀資料1，然后請(qǐng)同學(xué)給我們介紹單因素輪換法，并分析一下這種實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.“手腦并用”認(rèn)識(shí)單因素輪換法和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

【學(xué)生觀點(diǎn)1】單因素輪換法就是先控制三個(gè)因素中的兩個(gè)因素，讓另外一個(gè)因素發(fā)生改變，從中挑出該因素的最佳水平。比如例題先控制B1和C1不變，讓A改變，從而比較出A3是A因素的最佳水平。然后控制A3和Ci不變，改變B，對(duì)比發(fā)現(xiàn)B2最佳。最后確定A3和B2不變，讓C改變。最后得出最佳的一個(gè)組合應(yīng)該是：A382C2。

【學(xué)生觀點(diǎn)2】單因素輪換法的優(yōu)點(diǎn)是：將27個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)量減少到9個(gè)，而且有一定的科學(xué)性。但是如果最佳的選項(xiàng)不在一開(kāi)始就確定在B1C1中，那么得出來(lái)的結(jié)果就不是最佳的選擇。

【教師介紹模型】為了讓大家更清楚地認(rèn)識(shí)單因素輪換法，老師給大家準(zhǔn)備了一個(gè)3x3的立方體小球模型。我們用垂直的、豎著的三個(gè)面從左到右分別表示A1、A2、A3。用水平的三個(gè)面從下到上分別表示B1、B2、B3。用垂直的、橫著的三個(gè)面從前到后分別表示C1、C2、C3。請(qǐng)同學(xué)們用便簽紙標(biāo)出剛才我們用單因素輪換法涉及到的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。小組活動(dòng)后討論你對(duì)單因素輪換法有什么新的認(rèn)識(shí)。

【學(xué)生小組活動(dòng)后進(jìn)行匯報(bào)】單因素輪換法的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)（如圖2所示）完全分布在一個(gè)角上，而在一個(gè)很大的范圍內(nèi)沒(méi)有選點(diǎn)，選點(diǎn)代表性很差。因此這種實(shí)驗(yàn)方法有缺陷，所選的A382C2不一定是27個(gè)組合中最好的。

【教師追問(wèn)，布置新任務(wù)】如何從全面實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)中選擇具有典型性、代表性的點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)分布得很均勻，能反映全面情況呢？請(qǐng)同學(xué)們將模型中的便簽紙撕下來(lái)，重新選點(diǎn)然后說(shuō)說(shuō)你們是如何選點(diǎn)的。

【學(xué)生4人小組活動(dòng)并進(jìn)行討論】

【學(xué)生觀點(diǎn)1】A、B、C各有三個(gè)面，共9個(gè)面。在9個(gè)面中每個(gè)面的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)一樣多，也就是每個(gè)平面上都恰好有3個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

【學(xué)生觀點(diǎn)2】我們組先確定了一個(gè)點(diǎn)，為了讓實(shí)驗(yàn)點(diǎn)不重復(fù)，該點(diǎn)所在的行、列上都不能再有點(diǎn)。這樣每個(gè)平面上的三行、三列，總共九個(gè)點(diǎn)。這樣實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的分布很均勻（如圖3所示）。

【教師介紹正交表】同學(xué)們做得非常好！剛才我們找到了能夠代表27個(gè)實(shí)驗(yàn)的“9個(gè)代表”。這“9個(gè)代表”具體是哪些實(shí)驗(yàn)?zāi)?？日本統(tǒng)計(jì)學(xué)家口玄一博士總結(jié)出了正交表。請(qǐng)同學(xué)們閱讀資料2，分析如何設(shè)計(jì)正交表。

【學(xué)生觀點(diǎn)】先控制溫度為80C，加堿量依次為35Kg、48Kg、55Kg，催化劑種類依次為甲、乙、丙。再控制溫度為85C，加堿量依然按照35Kg、48Kg、55Kg的順序，但是催化劑種類“滾動(dòng)”變化，變?yōu)橐?、丙、甲。最后一組，當(dāng)溫度為90C時(shí)，加堿量順序還是不變，催化劑種類再次“滾動(dòng)”，變?yōu)楸⒓?、乙?/p>

【學(xué)生活動(dòng)】結(jié)合今天的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)正交表（如表6所示）。

3.實(shí)驗(yàn)探究尋找泡泡液最佳配比

【布置任務(wù)】老師把班里的8個(gè)小組分成3隊(duì)，A隊(duì)三個(gè)組做同樣的三個(gè)實(shí)驗(yàn)。每一組對(duì)比出本組三個(gè)實(shí)驗(yàn)中最佳的一組配比，然后A隊(duì)內(nèi)互相交流，看看你們選擇的最佳配比是不是一樣的。如果不是，隊(duì)內(nèi)互相比拼。同樣地，B隊(duì)、C隊(duì)也討論出本隊(duì)的最佳組合。然后，每個(gè)隊(duì)派一個(gè)吹泡泡水平最高的同學(xué)進(jìn)行全班展示，全班一起從三隊(duì)中選出最佳的配比。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要注意分工合作：有同學(xué)負(fù)責(zé)吹泡泡;有同學(xué)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí);有同學(xué)負(fù)責(zé)拍照，觀察泡泡的大小;有同學(xué)負(fù)責(zé)填寫實(shí)驗(yàn)記錄單（見(jiàn)表7），注意要有具體的泡泡持續(xù)時(shí)間。

【學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)】見(jiàn)圖4。每一隊(duì)派代表用吸管吹泡泡展示成果（見(jiàn)圖5），全班同學(xué)觀察現(xiàn)象，派一位同學(xué)負(fù)責(zé)填寫實(shí)驗(yàn)記錄單（見(jiàn)表7）。最終得出本次實(shí)驗(yàn)最佳的配比為：洗發(fā)水：甘油：水=5：3：4。

五、項(xiàng)目教學(xué)反思及改進(jìn)建議

相對(duì)于直接講授抽象的科學(xué)方法，本項(xiàng)目中學(xué)生在第2課時(shí)應(yīng)用全面實(shí)驗(yàn)法解決問(wèn)題，從而感受全面實(shí)驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)。在第3課時(shí)中發(fā)現(xiàn)全面實(shí)驗(yàn)法的不足，又通過(guò)閱讀單因素置換法的資料了解其缺點(diǎn)，從而感知在實(shí)驗(yàn)量巨大時(shí)選擇典型的、具有代表性的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)是關(guān)鍵，學(xué)生利用3x3的立方體小球模型自主選擇具有代表性的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，從活動(dòng)中感悟正交試驗(yàn)法。最后，再通過(guò)閱讀資料認(rèn)識(shí)正交實(shí)驗(yàn)表的設(shè)計(jì)規(guī)律，并應(yīng)用發(fā)現(xiàn)的正交表規(guī)律設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的正交表?？茖W(xué)教育是一個(gè)能動(dòng)的過(guò)程，應(yīng)當(dāng)通過(guò)學(xué)生自主的探究等活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)教育目標(biāo)[4]。本項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)體現(xiàn)學(xué)生的主體作用，教學(xué)活動(dòng)符合學(xué)生的心理特點(diǎn)。教師為學(xué)生提供充分的科學(xué)探究機(jī)會(huì)，學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，利用模型明確問(wèn)題，然后設(shè)計(jì)方案解決問(wèn)題。整個(gè)過(guò)程都是學(xué)生小組合作完成的，教師只是活動(dòng)的組織者和引導(dǎo)者。這樣的學(xué)習(xí)方式能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，使學(xué)生在探究過(guò)程中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

本項(xiàng)目的不足之處在于實(shí)驗(yàn)指標(biāo)定量不精確。雖然泡泡持續(xù)時(shí)間計(jì)量了，但是泡泡的大小難以精確測(cè)量。因此，無(wú)法采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的級(jí)差分析和方差分析等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

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