科学教育中“联锁”实验研究新探

当前，科学课程的基本理念迅速发展深化，对科学教师的教育教学观念产生了极大的冲击。以课程标准为标志的学生科学学习，集中在四点：一是在科学内容上强调学生对事物本身特征与事物间关系的认识，二是在研究主题上强调与学生周围环境和个人生活的联系，三是在方法上强调科学实践的体验学习，四是在评价上强调实作评价为主的多元方式。这几点可以说对科学教师提出了更多、更高的要求，没有专业的科学素养是完不成的。

2017年教育部印发的小学科学课程标准中，特别把STEM教育列为新课程标准的重要内容之一，科学教师面临实验数量增加、类型综合、内容技术更新等科学实践的挑战，可以说科学教师的实验教学能力已成为影响科学课程改革成效的关键因素。如何解决这个问题是摆在教师培养中不可避免的一大现实问题。本文以综合实验理论与实践课程为例，浅谈“连锁”实验教学模式在提高学生的科学素养和创新能力方面的作用。

一、“联锁”实验的认识

1.“联锁”实验的内涵。“联锁”一词本义为彼此相互联系、紧密衔接、坚固地交织在一起。常用在道路交通上，是为了保证行车安全，通过技术方法，使进路、道岔和信号机之间按一定程序、一定条件建立起的既相互联系又相互制约的关系[1]。本文中的“联锁”借用上述定义，专指按一定规范（程序或条件）建立起的前后之间既相互联系又制约的关系。

实验是根据一定目的，运用必要的手段，在人为控制的条件下，观察研究事物本质和规律的一种实践活动[2]；是科学认识的基础，也是判断认识是否具有真理性的标准。在科学教育中，实验通常要预设“实验目的”“实验环境”，进行“实验操作”，最终以“实验报告”的形式发表“实验结果”。基于以上认识，科学教育中的“联锁”实验可定义为：在科学教育实践中，为了提升学生科学的综合实践能力，通过教学设计，按某种规范（程序或条件）建立起的一组相互联系的系列实验。

2.“联锁”实验的特征。实验可以是师生演示的实验，也可以是学生设计的实验。学生设计的实验是在讲过某一部分科学内容之后，在教师的要求与指导下，由学生分组合作设计的一组系列实验。这些实验必须具有以下特征，方可称为“联锁”实验：①综合性。设计的实验在内容上具有多科性、跨科性，在技能训练上具有统整性，强调学生自行设计与创意体现，这是“联锁”实验的理念体现。②问题性。实验只是一种学习形式，一种途径，其本质是一个始于问题、终于问题的过程，即从认识问题开始，而后经猜测、构想、解释、验证等环节得出结论，使问题贯穿在整个系列实验中，这是“联锁”实验的实质要求。③生活性。实验所用材料讲求就地取材与操作简易，实验形式讲求短小精悍与生动活泼，实验内容讲求生活实际与教育实效，这是“联锁”实验的出发点。④系列性。设计的实验个数至少两个以上（含两个），构成有关系的一组，这种关系按一定的规范（或基于材料、或基于内容、或基于方法等）联系在一起，在训练学生教学技能及思维上有进阶的要求，这是“联锁”实验的条件约定。

3.作为科学教育中“联锁”实验的要求。科学教育讲的是“物”之“理”，教师应“藉物彰理”，引导学生“格物致理”。“联锁”实验可以帮助学生融通“物”与“理”，形成科学概念，理解和巩固科学知识，培养学生观察现象、分析问题、解决问题的能力，获得比较熟练的实验技能以及实事求是、严肃认真的科学态度。“联锁”实验要求把“学科学作为一种过程”，作为学生学习，诸如观察、推断和实验等诸多能力的过程，而且强调学科学的中心环节是实践。在参与体验时，学生要能描述物体和事件，能提出问题，能作出解释，加以检验，并且把自己的看法和意思传达给别人。科学教育中的“联锁”实验是一种积极、主动的过程，学科学是学生要自己实践的事，而不能由别人来代劳，除了有动手的实践活动，还必须要有动脑的理性体验。

二、“联锁”实验的案列研究

1.以技能过程为主线的“联锁”实验案例。①实验主要材料：食盐、水、红小豆、白砂糖；②“联锁”实验：红小豆冰棒实验——冰使水开实验——粗盐提纯实验。（说明：该“联锁”实验更适合在夏季做）

实验一：制作红小豆冰棒。（准备工作：教师可以先指导学生用烧杯煮好红小豆，放入白砂糖，让它们自然凉，在这期间指导学生使用冰箱制冰块）冰箱制冰过程。如何制冰？——以烧杯做容器为什么易被“冻裂”？如何取冰？——从烧杯中如何将冰顺利取出？如何碎冰？——通过何种方法将冰块做碎？

经过讨论，大家一致认为用小的保鲜袋做制冰容器合适，可以很好地解决以上问题。将煮熟的红小豆置于干净的试管底部，同时倒入加了糖的凉开水，插入一干净的竹签做冰棍。将试管埋到有碎冰玻璃（或塑料）的水槽中，在碎冰之间倒入粗盐（也可以用细盐），静置观察7～8分钟并回答以下问题：①加入粗盐后水槽中的碎冰变得坚如石头，原因何在？②玻璃（或塑料）水槽外面出现冰霜，原因何在？③将内部已经凝固的试管取出，想一想如何快速取出制好的冰棒？

实验二：冰使水开。将装入半瓶水的平底烧瓶置于酒精灯上烧开，用软木塞盖紧倒置，将上述玻璃水槽中已经部分融化的碎冰置于其上，进行观察并回答以下问题：①平底烧瓶在加热过程中为什么可以不用石棉网？②用试管夹夹取烧瓶，为什么要小心？③烧瓶中水再次沸腾的原因是什么？

实验三：粗盐提纯。将上述水槽中已完全融化的盐水进行粗盐提纯，并回答以下问题：①过滤——过滤的目的是什么？需要哪些仪器？操作时要注意哪些问题（一贴、二低、三靠）？②蒸发——蒸发的目的是什么？需要哪些仪器？操作时的注意事项有哪些？（说明：实验三得到的产品——粗盐，以备下次重复使用，进行实验用料循环）

上述三个“联锁”实验，以常见的物品——食盐和水为联系主线，前一个实验是后一个实验的过程基础，很好地将物态变化等科学知识及各项实验技能贯穿其中。使学生认识科学的本质、获取日常生活中必须具备的科学知识和思维能力，凸显“联锁”实验中问题、证据、解释、评价和表达等技能环节的重要性。

2.以科学概念为主线的“联锁”实验案例。①科学概念：二氧化碳气体的性质；②“联锁”实验：点燃两支长度不同的蜡烛（相差5cm以上），将其固定在桌面上。如果用大小不等的玻璃烧杯（或者其他透明的容器）将两支蜡烛罩在里面，会有何种现象？

实验一：用小一点的烧杯罩住（烧杯倒置，封闭）。提问：哪一支蜡烛先灭？猜测：理由？观察：以小组为单位进行操作实验。解释：原因？

实验二：用大的烧杯罩住（烧杯倒置，封闭）。程序和实验一相同，猜测理由，结果又如何？如何解释？

实验三：将实验二中的倒置大烧杯杯沿用高约1cm或2cm的三个橡皮垫起来。重复实验二步骤，情况又是如何？

针对以上三个“联锁”实验，请回答：火场逃生时，为什么低伏身体贴近地面有利于逃生？上面三个实验是以CO2的性质为联系主线进行设计的，该类“联锁”实验只改变前一个实验一个变因，后一个是前一个的延伸，完成一个系列，明确实验结果。采用的学习策略是POE（预测——观察——解释），POE基本的程序是：首先设计某一情境让学生预测会有何结果或现象发生，要求学生写下自己的预测并说明理由，接着通过实际操作让学生观察有何结果或现象发生，记录观察结果，如果与预测的不一样，让学生解释原因或理由。POE教学策略增强了学习活动的指向性与目的性，有助于学生在原有的知识结构上进行概念建构。

3.以固定器材为主线的“联锁”实验案例。①实验固定器材：平口玻璃杯、能够盖住玻璃杯口的薄塑料片、纱网；②“联锁”实验：覆杯实验。

覆杯实验一：将杯子里装满水，用塑料片把杯口盖严，按住塑料片，把杯子倒过来或处于倾斜位置，放手后，塑料片不会掉下来，杯子里的水也不会流出来，为什么？

覆杯实验二：玻璃杯内只有半杯水，甚至只有一点点水铺在杯底，盖上薄塑料片，再将杯子翻过来，塑料片会落下来吗？为什么？如果杯子处于倾斜位置，又如何？

覆杯实验三：以纱网（玻璃窗用的）盖住杯口，杯子中的水不会流出来的原因是什么？而略微倾斜后，杯子中的水为什么又会流出来？

这是与大气压力有关的三个简易“联锁”实验，其特征以固定常见器材为主线，虽然涉及的科学概念较多，但每个后续实验只改变前一个实验的一个变因，使用的是矛盾冲突学习策略，该策略通过让学生观察现象、动手实验操作等实践活动来展示矛盾事件，引发认知矛盾。

三、“联锁”实验的价值

梅里尔指出：学习者解决了一系列经过比较、澄清的问题，才能够促进学习。[3]“联锁”实验给学生提供了一个不受时间、空间和材料限制的，有挑战性、有吸引力的环境。该种实验在取材上，以学生身边的材料、生活中的实验、身边的实验为主，增强学生的生活体验和经验；在内容设计与选择上，选取的实验比较生动有趣，实验器材易于准备，易于学生制作，现象明显，易推广。

从本体论看，通过“联锁”实验使学生内心形成一系列相互关联的体验，在系列的学习亲历和不断的学习反思中，有效地提升了学生学习的知识意义、情感体验、生命感受与能力品性。从认识论看，“联锁”实验将学习历程、过程、动作、情感等串联起来，是一种跟学习活动密切关联的经历，是在反复的学习亲历中“得到情感体验、人格提升、个性张扬，生命活力得以焕发，生命价值得以提升的过程。”[4]从发生学看，“联锁”实验中的学生体验发生依承于历构层、预构层、临构层的相互作用与有机统一。[5]美国心理学家Noel Tichy提出：对于一个人来说，最理想的状态是处于“学习区”（指对自己来说有一定挑战，因而感到不适，但是不至于太难受的区域）。“联锁”实验就是给学生提供学习具有适当挑战性的平台，一个非常好的“学习区”。

1.“联锁”实验有助于学生进行科学知识与专业技能的学习。“联锁”实验关注的是学生的经验是否会产生有意义的改变，是否获得成长等根本问题，在以上实验中涉及的基本过程技能有观察、应用时间与空间的关系、分类、应用数字、测量、传达、预测、推理等项，涉及的综合过程技能有提出猜测、使用变量、实验、建立模型、根据观察定义术语等。学生在有意义的“联锁”的过程中，能运用科学研究的程序和方法主动建构科学知识，体验和感悟科学研究基本过程，学习和掌握科学研究的基本技能及专业技能。

2.“联锁”实验有助于学生理性批判精神的塑造。在现行科学课教学中，较少将论证与科学解释取向探究教学的案例落实于课堂中，科学教育多年来一直被诟病的原因之一是学生经常只学到片段的知识，缺乏科学推理、解释资料的能力；原因之二是评价学生适应未来生活的发展能力——辨识科学问题、科学地解释现象、运用科学证据等不易有客观的评量被忽略了。在列举的“联锁”实验中，科学解释的建构是很重要的一环，它是指对自然世界中发生的事件或现象如何及为何发生做出说明，内容包括主张、证据及推理三部分，在这些环节中，学生的理性批判精神很容易得到塑造。

3.“联锁”实验有助于学生创意思维能力的提高。“联锁”实验活动是一个复杂的过程，其中的信息流程如下：

科学教育中“联锁”实验中的信息流程

创意思维能力的培养基于主动变换认识世界（事物、问题）的角度，在“联锁”实验中让学生进行实验设计，可以锻炼学生的动手能力，然后通过一系列问题的研讨来构建整个课程，以处理问题、探讨问题、解决问题的形式来进行学习，最终实现创意思维的提高。

4.“联锁”实验有助于学生社会责任意识与情感的培育。“联锁”实验要求以生活情境铺设台阶，通过实验情景自然化、实验内容生活化、实验活动日常化，破除实验的神秘性，在日常生活适应中找到学习科学的平衡点，关注生态、关注与科技有关的社会性议题（SSI）、关注科学社群、关注科学家形象等，正确对待科学本质、正确对待科学学习、正确对待科学事业，提升自身的社会责任意识和对教育专业的情谊。

四、“联锁”实验设计的原则

1.宽泛与简易性原则。宽泛要求研究主题中各种科学知识都要有所涉猎，简易要求实验的成本低，即取材方便、操作简易，不需要精密的实验设备，更不需要繁琐的操作过程。

2.趣味与生活性原则。趣味讲求借用“非”实验物品开展“一物多用、多物一用”时，要有“趣”，有“味”，设计的实验要有进阶性，生活性是“联锁”实验的基础，利用日常生活用品做实验不受实验室的限制，在家里也可以做，使学生感到亲切。

3.融合与自创性原则。融合讲求“联锁”，“联锁”就要融会贯通，自创要求自己动手、自己动脑，在“做”中教，在“做”学，赋予学习以“自创性”快乐。

4.过程与体验性原则。“联锁”实验强调过程技能的训练，强调学生参与实践，充分发挥“联锁”效应，在系列实验中对话、探讨、整合，进行深刻反思和体悟，提高迁移能力。

综上所述，提高学生的科学素养是科学教育的宗旨，我们在大处着眼的同时还需要从小处着手，这就要求教师引导学生学会去实作。通过“联锁”实验的开展，可以有效解决为什么“实作”，如何“实作”，怎么“实作”，“实作”的成效高不高等问题，只有这样，才能有效达到“安其学而亲其师，乐其友而信其道”的境地。