科学教育中“联锁”实验的研究

徐敬标

《义务教育小学科学课程标准》倡导小学科学课教学在科学内容上要强调学生对事物本身特征与事物之间关系的认识，在研究主题上要强调与学生周围环境和个人生活的联系，在方法上要强调科学实践的体验学习，在评价上要强调以实际操作评价为主的多元方式，并且把STEM教育列为重要内容之一。这意味着科学教师将面临实验数量增加、类型综合、内容技术更新等科学实践的挑战。如何解决这些问题？我们对小学科学课程如何设计并实施“联锁”实验进行了研究，期望摸索出一种比较成熟的教学模式。

对“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而又制约的关系。本文中的“联锁”借用上述定义，专指按一定规范建立起的前后之间既相互联系又相互制约的关系。

实验是根据一定的目的，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，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，为了提升学生的科学综合实践能力，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

在实验教学中，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，经过猜测、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，实验内容讲求与生活实际相联系，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，在训练学生学习技能及思维上有“进阶”的要求，这是“联锁”实验的条件约定。

3.“联锁”实验的要求

科学教育讲的是“物”之“理”，教师应“籍物彰理”，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；使学生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，作出解释，加以检验，并且能把自己的看法传达给别人。

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，不能由别人代劳。除了有“动手”的实践活动外，还必须有“动脑”的理性体验。

“联锁”实验的案例研究

1.以技能过程为主线的“联锁”实验案例

实验主要材料：食盐、水、红小豆、白砂糖。

“联锁”实验：红小豆冰棒实验—冰使水开实验—粗盐提纯实验（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，让它们自然凉后备用，在这期间指导学生使用冰箱制冰块。

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破碎？

经过讨论，大家一致认为用小的保鲜袋作制冰容器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，同时倒入加了白砂糖的凉开水，插入一根干净的竹签作冰棍。将试管埋到有碎冰的玻璃（或塑料）水槽中，在碎冰间隙中倒入粗盐（也可以用细盐），静置观察7—8分钟后回答以下问题：

加入粗盐后水槽中的碎冰变得坚如石头，原因何在？

玻璃（或塑料）水槽外面出现冰霜，原因何在？

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将水烧开，用软木塞盖紧倒置，将上述玻璃水槽中的已经部分融化的碎冰置于其上，观察并回答以下问题：

平底烧瓶在加热过程中为什么可以不用石棉网？

用试管夹夹取烧瓶，为什么要小心？

燒瓶中的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提纯，并回答以下问题：

过滤的目的是什么？需要哪些仪器？操作时要注意哪些问题？

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？

实验三得到的产物——粗盐，可下次重复使用，使实验材料循环。

上面三个“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。这样的实验，可以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

科学概念：二氧化碳气体的性质。

“联锁”实验：点燃两支长度不同的蜡烛（相差5 cm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，会有什么现象？

实验一：用小一点的烧杯罩住点燃的两支长度不同的蜡烛。

问题：哪一支蜡烛先熄灭？

猜测：可能是什么原因？

观察：以小组为单位进行操作实验。

解释：对观察到的现象进行合理的解释。

实验二：用大的烧杯罩住点燃的两支长度不同的蜡烛，程序和实验一相同。

实验三：将实验二中的倒置大烧杯杯沿用高约1 cm或2 cm的三个橡皮垫起来，重复实验二的步骤，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？

上面三个实验是以二氧化碳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的一个变量，后一个是前一个的延伸，形成一个系列。采用的学习策略是POE（预测—观察—解释），POE基本的程序是：首先设计某一情景让学生进行预测会有什么现象发生，要求他们写下自己的预测并说明理由；接着通过实际操作让学生记录观察结果，如果与预测的不一样，让他们解释原因。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

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。

“联锁”实验：覆杯实验。

覆杯實验一：将杯子装满水，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，又会如何？

覆杯实验三：用纱网（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？将杯子略微倾斜后，杯子中的水为什么又会流出来？

这是与大气压有关的三个简易“联锁”实验，其特征是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量，以培养学生对于单一变量的科学解释能力，使用的是矛盾冲突学习策略。矛盾冲突学习策略是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，引发认知冲突。

“联锁”实验的价值

学习者解决了一系列经过比较、澄清的问题时，才能够促进学习。“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、有吸引力的探究环境。这种实验在取材上，以学生身边的材料、生活中的实验为主，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。

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”实验能够给学生提供具有适当挑战性的学习平台，使他们处于“学习区”。

1.“联锁”实验有助于学生科学知识与专业技能的学习

“联锁”实验关注学生的经验是否产生有意义的改变、是否获得最大的成长等根本问题。在以上列举的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，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”过程中，能运用科学研究的程序和方法主动地建构科学知识，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和专业技能。

2.“联锁”实验有助于学生理性批判精神的塑造

科学教育多年来常被诟病的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，学生辨识科学问题、科学地解释现象、运用科学证据等不易有客观的评测要素往往被忽略。在以上列举的“联锁”实验中，科学解释的建构是很重要的一环，其实质是指对自然世界中发生的事件或现象如何及为何发生作出说明，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”实验是一个复杂的过程，其中的信息流程如图1所示。

创意思维能力首先来源于主动变换认识世界的角度，在“联锁”实验中，可以让学生进行实验设计，合理挑战或发展已有科学知识的能力；通过“联锁”实验中一系列问题的研讨来构建整个课程，以处理问题、探讨问题、解决问题的形态进行学习活动；运用小组合作、班级讨论、个人负责等方式发展创意思维。

4.“联锁”实验有助于学生社会责任意识与情感的培育

“联锁”实验要求用学生的生活情境铺设台阶，实验情景自然化、实验内容生活化、实验活动日常化，在日常生活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、关注科学社群、关注科学家形象等，正确对待科学本质、科学学习和科学事业，提升自身的社会责任意识。

“联锁”实验设计的原则

1.宽泛性与简易性原则

宽泛性要求在研究过程中各种科学知识主题都要有所涉猎；简易性要求实验的成本低，即取材方便、操作简易，不需要精密的实验设备，更不需要烦琐的操作过程。

2.趣味性与生活性原则

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

3.融合性与自创性原则

融合性讲求“联锁”，“联锁”就要融会贯通；自创性要求学生自己动手、动脑，在“做”中学，赋予学习“自创性”快乐。

4.过程性与体验性原则

“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。

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”、“实作”的成效高不高等问题，以期达到“安其学而亲其师，乐其友而信其道”的境地。

本文系江苏省高等教育教改研究课题“本科层次小学科学教师职前培养模式的构建”（2015JSJG214）及江苏省教育科学“十二五”规划课题“本科层次的小学科学教师职前培养模式研究”（D/2015/01/121）的研究成果。

南京晓庄学院教师教育学院

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