初中科学课本实验优化与再开发的策略研究

杨火江

摘 要：师生共同参与，通过对教材从实验情景、材料、装置、条件、步骤、设计过程六个方面进行优化与再开发研究，能发展学生科学素养，提高学生探究能力，特别是实验设计能力，促进学生高阶思维的形成和发展;同时也增强了教师实验教学能力，提升了课堂教学效果。

关键词：初中科学;实验优化;实验再开发

一、问题缘起

发展科学的素养离不开科学的学习过程。科学之核心是探究，教育的重要目标是促进学生的发展，科学课程应当体现这两者的结合，凸显科学探究的学习方式。教师应给学生提供充分的探究机会，让学生通过手和脑并用的探究活动，体验探究过程的挫折和趣味，学习科学方法，发展科学探究所需要的能力并促进对科学探究的理解。

现行浙教版初中科学教材设计的许多实验主要是通过学生活动和学生分组实验，帮助学生形成一定的科学素养;中考也十分重视基于教材实验对学生进行考查。然而，目前的初中科学实验教学存在很多困难。因此，教师如果能对教材中的科学实验做出有益的再开发，并持续创新科学实验，将会促进初中科学实验教育教学的发展，增强科学课的教学效果，从而促使学生的科学探究活动更加深入，有效提升学生的核心素养。

二、近四年杭州科学学业考试中教材实验考查情况及思考

对近几年的中考试题卷进行分析，每年中考都有一部分试题是由教材中的实验经过修改、嫁接、变形、拓展延伸而来，比例很高。下面是本人对杭州近4年中考教材实验改编题的题号和数量进行的统计：

考查内容和要求如下：

（一）考查实验的基本过程

近四年的中考题考查了实验的基本过程，包括实验目标、器材、设计、操作、测量、分析以及结论等环节。

1.提出科学问题。从实验现象的观察中提出问题。

2.表达与交流。对观察到的事物作出有层次、科学性的描述。

3.制订计划，设计实验。

（1）实验中如何测量一个变量（“做什么”和“怎么做”）。

（2）对所研究问题中的各种变量进行确认和分类，用控制变量法来设计实验。

4.表達与交流：运用文字、符号、表图、模型、公式等解释并描述探究的过程及结果。

（二）考查实验思想方法

考查学生对实验思想的认识及如何根据实验目的而进行相关实验设计能力;考查实验综合能力，包括控制变量、转化等方法以及运用和分析能力。

（三）考查实验操作的严谨和规范

对探究过程和事实获取方式、方法、过程作出合适评价，能说明非常规结果和数据的不可靠，或解释是否充分支持结论。

（四）考查知识生成过程的检测

将证据与科学知识建立联系，得出符合证据的解释。

（五）对教材实验专题研究的思考

奥苏伯尔：“影响学习的唯一最重要因素就是学生已经知道了哪些，要探索明了这一点，并因此进行教学。”我们在教材实验专题研究中必须厘清书本的学生实验、教材活动（演示实验）、探究活动，分析学生的掌握情况，在重点和学生迷惑处实施实验的优化和再开发教学。

1.实验教学中要积极引领学生注重实验过程与方法，科学合理地分析实验记录结果，得出科学结论。

2.在做实验的过程中，按照书本规范操作的同时，尽可能让学生分析出不规范操作可能出现的结果，以及该实验还能否得出其他可能的结论。

三、初中科学教材实验优化与再开发的策略研讨

（一）我校教师优化与再开发“教材实验”的策略图

1.专家引领，提高备课组提炼教材“实验优化与再开发”能力

2.考查学习，完善教材实验优化与再开发机制

（二）科学教材实验优化与再开发的案例策略研究

对现行浙教版初中科学教材设计的所有实验进行研究，我们团队在一年内对每一个实验进行再开发，着重从以下六个方面案例研究进行突破：

1.实验装置优化与再开发，让探究顺畅有效

实验是学科学的最有效手段，实验装置是学生进行实验探究的“载体”。教材中有些实验装置的设计，粗看没有什么问题，可一进入课堂，到了实际操作阶段，情况就不一样了。课堂中，由于实验装置本身的原因，导致探究活动不能有序进行的情况时有发生。好多实验装置要么操作起来不方便，要么实验现象不明。因此，教师对相关的实验装置做出有益的改进或创新很有必要。一个合适的实验装置可以使课堂的探究活动更顺畅有效。

例一：设置实验对照排除干扰

浙教版教材七年级上册第4章P128（图4-11实验），教材想通过铅柱粘合实验来说明分子间存在引力。但学生提出：可能是大气压力把它紧紧压在一起。怎么解释？

针对上述问题，师生一起改进了实验装置：在两铅块下再挂一个截面积与铅块相同的针筒。实验时，在针筒下逐渐增挂砝码，当针筒脱落时，上方的铅块还紧紧吸在一起。改进后的对比实验说明：向上托的大气压力无法支撑钩码重力时，两铅块接触面间的分子引力还能克服铅块自身重力，紧紧粘合在一起。

例二：改变加热位置防止对流影响

浙教版教材七年级上册第4章P140（图4-34实验），教材中研究水的比热比砂石大的实验，学生在做的过程中发现：刚开始右边盛水的烧杯中温度计示数上升比左边砂石中的快，一段时间后，砂石中的温度计示数快速超过水中的温度计示数。此现象并非设计者希望的：一直是砂石中的温度上升快。究其原因是水会发生对流，刚开始时热交换充分，水温度上升较快。

如何解决此问题？最先学生考虑把水换成其他固体，如木屑、金属颗粒等。经实验检验发现木屑密度太小、同质量体积太大、金属因导热性远大于砂石等问题，由于干扰太大而放弃，学生找到完全相同的酒精灯太难，改用同功率电热源加热解决了此问题。我们最终的改进是：把烧杯换成大号试管，相同功率的电热丝缠绕在试管外中部，分别放入等质量40克的砂石和水，让试管倾斜约与水平线成60°角，温度计插入砂石和水各自的最中间并固定，同时接通电源，在砂石和水的中上部位加热，最大程度地避免了水对流造成的影响。多次试验，成功率100%，电热丝功率以40-60W最适宜。

学生通过参与实验装置优化与再开发活动，提高了从多角度分析问题的能力、换位思考的能力、辩证看待问题的能力以及解决问题的能力。

2.实验情景优化与再开发，让探究贴近生活

生活处处有科学，初中科学课程的开展自然少不了不同生活情景材料的参与，若想让科学真正进入学生的内心，就必须将生活中的科学情景合理地运用到初中科学实验教学中，这就要求教师善于观察，善于运用，通过认真的观察和用心的钻研，发挥出生活情景的最大用途，让生活服务于科学。

例三：溶液配制析误差

浙教版教材八年级上册第1章P30（图1-45实验），在学生轻松愉快地完成教材活动后，教师创设新情境：在实验操作环节中，哪些因素会引起配比的溶液质量分数偏大或偏小？

学生通过重新审视实验过程总结出以下因素：①游码未调零就调节平衡螺母（偏小）;②左码右物（偏小）;③指针左（右）偏（偏大或小）;④转移时纸张上有残留（偏小）;⑤量取液体俯（仰）视（偏大或小）;⑥量筒转移液体时洒出（偏大）;⑦溶液配好后有液体洒出（不变）等。同时，学生指出：步骤4中量筒把水直接倒入烧杯中是不规范操作，应沿烧杯内壁流下，否则会因水分溅出引起配比的溶液质量分数偏大。

教师在课堂上习惯于“教实验”，学生就只会照样画葫芦，“动手”操作一遍实验，不会理解为什么要如此规范操作。如果教师能专注于“用实验教”，结合生活中情景，分析其中的因果，学生经过身临其境的体验，感悟颇深。

例四：受力改变找原因

浮力实验情景拓展：冰块用细线拴住，挂在弹簧秤下，慢慢地浸入酒精中，在逐渐融化过程中观察弹簧秤和台秤示数变化。用所学的力学知识来解释现象。

学生亲历体验后，能有效突破自己的认识障碍、理解障碍，应用浮力、相互作用力、平衡力等知识进行受力分析、解释复杂现象变得轻而易举。

使学生了解一些他们周围的自然现象，使他们意识到科学与自己和社會发展的紧密关系，学好知识，提升素养。倡导学生主动介入实验情景优化与再开发，让学生乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力，提高思维品质。

3.实验材料优化与再开发，让探究激发乐趣

在实验材料优化与开发过程中有利于帮助学生感悟科学探究思想，提高观察调查、模型建立、实验数据信息分析等探究能力。

例五：材料试验觅新途

浙教版七年级上册第2章P50（图2-19实验），教材中观察叶片的结构实验存在的不足：菠菜叶较容易萎蔫失水，早上买来的菠菜第三节课做实验时就蔫了，叶子卷成卷，不好切。如果用水将菠菜浸泡起来，叶子容易变脆，切片多数不完整，导致上下表皮缺失。

改进材料：教师发动学生去试验身边易接触到的植物来替代菠菜叶。学生通过广泛试验发现可用绿萝叶替代，此种叶很易切出完整的横切片，而且不怕蔫，即使放上几天依然能切出满意的切片。

例六：废物利用惜资源

如下图利用身边的废弃塑料瓶，利用各种组合实验装置可以研究分子运动、洗气、除杂等各类化学实验。快速验证自己的设想，猜测是否可行。

在我们的日常生活中，每天都在产生着大量的废弃物，例如塑料瓶、破旧的乒乓球、旧书、旧报纸等，教师可以将生活中的废旧材料引入初中科学的教学中，助力初中科学课堂实验复习教学的开展，同时，也顺带培养了学生爱护环境、节约资源的优良习惯。

善于利用身边的物品加以改进，最大限度地发挥其在科学教学中的作用，增加学生学习科学的兴趣，提高发现问题、解决难题的能力，有利于创造性思维的形成和发展。

4.实验条件优化与再开发，让探究衍生变式

实验的环境条件因素包括温度、湿度、浓度、密度、酸碱度、纯净度、压力、气压、粉尘、噪声、震动等，它们的改变，对实验现象和结果都会产生很大的影响。通过对实验条件的优化与再开发，让学生体验到控制实验变量的重要性，学会控制变量的方法和操作精度。

例七：不迷信权威，心存质疑

A.浙教版教材九年级上册第4章P146（探究实验），研究温度对酶催化作用的影响实验，2019年版本已经做了改进——先水浴再混合，排除了因升温降温对实验结果的干扰。找出2014版本的实验进行对比，让学生思考：教材为什么要做如此改变？

学生通过充分讨论认为：因升温或降温过程中经历了酶的最适合温度，而酶具有高效性，可能在较短时间里把淀粉分解了，达不到预期效果，甚至得出错误结论。

B.在学习浙教版教材九年级上册第1章P18（图1-24实验）“碱的性质”的时候，学生对照了新旧两版科学书，发现用FeCl3和Ca（OH）2溶液研究碱的性质的实验有所不同：旧版本是“在试管中加入3毫升FeCl3溶液，然后滴加Ca（OH）2溶液”，新版是“在试管中加入3毫升Ca（OH）2溶液，然后滴加FeCl3溶液”。这两种方法有差别吗？学生进行了探究。

学生按照旧版的步骤进行实验，发现并没有沉淀生成。因此小张作出了以下猜想：（1）氯化铁溶液变质了;（2）氯化铁溶液成酸性。然后通过已学的化学知识验证了猜想2被证实是正确的。通过查阅资料得知：氯化铁溶液确实是呈酸性，当FeCl3和Ca（OH）2反应生成的Fe（OH）3被酸性物质反应，直至酸性物质反应完才会出现红褐色沉淀。学生按新教材的实验方法进行了实验，发现很快看到了红褐色的絮状沉淀。

学生经过对教材实验条件优化，自信心爆棚：“圣神”的教材也是一个不断完善、不断修正的过程，实验是科学研究的重要方法。学生的思维不再被禁锢，有利于学生发散性思维、批判性思维的形成。

例八：变量控制学会推敲

浙教版教材八年级下册第3章P104（图3-71实验），证明动物需要呼吸的实验，学生发现似乎有两个变量：是否呼吸、是否有昆虫。经过广泛讨论并与种子的呼吸作用实验比较，一致认为B试管内应放入等量等种类的死昆虫。

教材中的有些实验方案的实验条件设计还不是很完善，对变量的控制还有待推敲，为此，我们引导学生对教材中的实验进行大胆的质疑、改进和创新，使其逻辑与思维更缜密、深入、高阶。

5.实验步骤优化与再开发，让探究经历丰富

“我听过了，忘记了;我看见了，记得了;我做过了，理解了。”蒙台梭利说的这句话，突显了“做”的重要性，深刻地揭示了“丰富孩子的探究经历非常重要”。其实，教材上设计的有些实验，如果仅在课堂内完成就会大大削弱探究的效果，可如果教师一味地包办只会剥夺孩子亲历探究的机会。

例九：打破常规不唯本

集体备课研讨时，一位老师感叹经典的阿基米德原理实验（浙教版八年级上册第1章P12〈图1-17，1-18实验〉）让自己上砸了：本来引导学生猜测浮力的大小与排开水的多少（重力）有关。然而，学生不按套路猜测，猜浮力大小与排开水的体积和水的密度有关。接下来的实验设计就走了样。然而，组内另一位老师也碰到类似情况，但他巧妙应对反成亮点。

当学生猜测与排开水的体积和水的密度有关时，顺着学生的猜测设计实验步骤、表格，进行实验获取证据，肯定了学生猜想是正确的。然后引导学生设计实验验证与排开水的多少（重力）有关，也肯定此猜想是正确的。最后抛出问题：排开水的重力与排开水的体积和水的密度有关吗？学生居然顺利完成了F浮=G排液=ρgV排液的推导。

我们就应该打破常规，不唯本，将教材上安排的实验步骤做一些调整，让学生发现实验步骤的不同，对于实验现象、结论以及实验误差有着很大的影响，丰富了学生探究的经历。培养创新意识，敢于依据客观事实提出自己的观点，能听取与分析不同的意见，能够根据科学事实修改自己的观点，初步养成擅长与人交流、分享与合作的习惯，提升评价、批判、协作的能力。

6.实验设计过程优化与再开发，让探究严谨规范

如果不引导学生进行实验设计，学生根本不知道题目中的实验设计需要哪些实验器材，各实验器材之间该怎么连接，如何控制变量，需要测量出哪些物理量，再通过哪些数据的分析得出结论等等。

教材中有部分探究性实验在设计上存在着一些不足，探究时容易出现这样或那样的问题：有的实验不易收集数据，有的实验操作困难，致使探究活动的效果不尽如人意。对于此类实验，我们就有必要对其方案进行改进或创新，以使探究活动更顺畅。使学生学会观察、实验、转换、等效替代和控制变量法等，并熟练掌握。

例十：转换设计现奇效

浙教版教材七年级下册第3章P114（图3-75实验），在做探究摩擦力的相关因素等实验时，弹簧秤抖动的问题一直困扰着师生。因用手拉弹簧秤时无法做到完全匀速直线运动，所以弹簧秤的抖动无法避免，对实验数据的采集带来困难。

我们利用运动的相对性，改用抽底部木板的等效替代法，很好地解决了问题。

在初中科学探究活动中虽然应该重过程，不过久而久之，学生的探究兴趣就会弱化。因此，我们也应考虑到让学生在探究过程中既能感受“发现的喜悦”，又能拥有“成功体验”。一个成功的实验可以减少许多繁琐的阐述，往往能起到“万语千言道不清，一做实验便明显”的奇效。

教材实验优化与再开发的優点并不能一一列举。科学教师有义务去发掘和设计更多的、有趣的实验来进行示范或提供给学生操作，努力追求令人满意的教学效果，让学生在有趣的科学探究过程中求知和求索，使学生的高阶思维能力得到升华。

四、成效与反思

我们通过对科学实验设计、科学实验改进、科学方法论等有关理论的学习，积累详细的资料，并找到理论依据，为后期进行研究打好基础;通过开展科学“教材实验再开发”的展示教育教学实践活动，提高了教师对教材中学生活动设计意图的理解，在平时授课时对尺度的把握更到位。

善于调动和启发学生积极参与课堂学习和讨论，实现学生学习科学由被动接受向主动探究的转变。整节课堂教学中学生始终保持浓厚的兴趣，主动参与课堂教学中去，主动探究科学现象，主动构建科学知识。注重学生的主体地位，培养学生的主动意识。学生参与实验再开发研究，极大地激发了学生学习科学的兴趣，树立了科学的世界观，认识到科学是无止境的，要自己不断地去探索、去发现，创造性地解决新问题。在中考后，从学生当中反馈到的信息：实验题是他自己的拿手“菜”。

参考文献：

[1]刘伟勤.论科学领域下提高学生核心素养的科学教学研究[J].新校园（阅读），2016（2）：59.

[2]徐利红，邵丽芳.创新科学实验促进探究学习[J].小学科学（教师版），2015（9）.

编辑 谢尾合