优化科学实验，提高课堂教学的有效性

蒋亚丽

摘 要：实验是科学学科的突出特点，实验开展的成功性将直接影响课堂教学的有效性。根据科学教材编写的特点及学生的实际学情，提出优化科学实验，提高科学课堂教学有效性的论点，分别从优化科学实验，帮助学生构建科学概念、理解学习难点、培养探究素养三个层次阐述优化科学实验对推动科学课堂教学有效性的积极作用。

关键词：优化;科学实验;有效性

一、问题的提出与现状分析

实验是科学课堂教学的重要手段，也是科学课堂教学的重要内容。教材中为学生安排了许多的演示实验、学生实验，一方面通过这些实验帮助学生学习科学知识，提高探究素养，另一方面也是提高课堂有效性的重要保障。然而在实际的科学教学中并不是每个实验都能达到编者的设计意图。主要原因有以下两个方面：

第一：部分实验设计可操作性难度较大。例如，在探究影响摩擦力大小因素中，操作要求手拉弹簧测力计沿水平方向匀速直线拉动，这样才能保证木块所受的拉力等于摩擦力。但在实际的操作中学生很难做到水平匀速直线运动。因此，按此实验操作不仅浪费课堂时间，而且也得不到正确的结论。

第二：部分实验设计超出学生的最近发展区。例如：在认识摩擦力方向教学中，对学生的抽象思维能力要求较高，而教材只给出了一张人走路时脚底受摩擦力的方向的图片。又如，理解“风”的形成，书本也只有一张图片，缺少可操作性的实验让学生体验。由于七年级学生处于形象思维向抽象思维过渡的阶段，仅靠书本中几幅静态图片让学生理解相应的科学知识确实超出了学生的最近发展区。

由于以上原因导致教材中部分实验不能充分发挥应有的作用，因此一线的教师必须对这些实验进行适当的优化，以提高科学课堂教学的有效性。

二、优化科学实验的实施策略

（一）优化科学实验，帮助学生构建科学概念

1.借助优化实验帮助学生建构正确的科学概念

例如认识“风”的形成原因。虽然“风”很常见，可真要学生说明白，很多学生又支支吾吾说不明白。其实是由于空气不可见，教材中又缺少能让学生体验的实验，因此不少学生对“风”的形成原因还是存在疑惑。为此，结合学生的疑惑设计了如下的优化实验。

让学生利用所给的蜡烛、玻璃管、橡皮塞、玻璃板和大塑料管进行小组实验探究。很快学生将装置组装好，并把橡皮塞塞入玻璃管口，接着将蜡烛点燃，再把装置罩在蜡烛上，观察到蜡烛火焰稳定（如图1）。一段时间后将橡皮塞打开，学生惊讶地看到蜡烛火焰向左偏转，兴奋地叫道：“有风了，有风了……”（如图2）借此向学生提问为什么蜡烛火焰形状会发生改变。学生很快地答道：“空气从右往左运动形成了‘风使火焰向左摆动。”继续追问：“那么现在你们能再解释一下为什么会形成‘风吗？”学生一下子又哑口无言了，接着让学生继续做一个对照实验。用一支没有点燃的蜡烛重复上述实验，并感受是否有“风”形成。学生很快联想到用热对流原理解释：蜡烛点燃，温度升高，空气上升，左边管内形成一个低压区。右边管口附近处空气温度不变，气压不变，与左边管内相比形成一个相对高压区。当橡皮塞打开时，空气从右侧（高压区）流向装置内（低压区），从而形成了“风”（如图3）。至此学生心中的疑惑解开，并建立了“风”的正确概念。

通过优化后的模拟实验，将风的形成过程转化为看得见的实验现象。学生亲身体验，不仅感受了风的形成，而且较好地理解了抽象的概念，提高了课堂教学的有效性。

2.借助优化实验纠正学生对科学概念的错误认识

九年级“研究杠杆平衡”这一实验（如图4）：钩码始终竖直向下与杠杆保持垂直。实验能得到F1L1=F2L2这一规律，但是会使学生对杠杆力臂概念产生误解。经过该实验，部分学生将力臂的概念从支点到力作用线的距离错误地等同于支点到力作用点的距离。为此在课堂中给学生设计了图5的改进实验，将杠杆支点定在各同心圆的圆心处，相邻的两个圆半径相差10 cm。在完成科学课本“研究杠杆平衡”这一实验后，增加“研究杠杆力臂”的实验。步骤如下：（1）调节杠杆平衡。（2）在杠杆右侧力臂30 cm处挂上2个50 g的钩码，左侧在同样力臂处用弹簧测力计竖直向下拉（即沿30 cm半径的圆的切线方向向下拉），待杠杆再次平衡，读出拉力大小。将弹簧测力计拉力的方向改变，待杠杆平衡，发现读数也改变。（3）弹簧测力计拉力的方向改为沿20 cm半径的圆的切线方向和沿10 cm半径的圆的切线方向，记录此时测力计的读数。根据F1L1=F2L2，计算此时动力臂数值。（4）比较实验中得出的动力臂大小，寻找规律（见下表）

通过对比学生发现计算所得力臂大小与实际测得的大小相等，从而得到动力臂大小恰好与拉力方向所切圆的半径相等（如图6）。通过优化后的实验能帮助学生区分支点到力作用线的距离与支点到力作用点的距离是不同的，使学生更好地理解力臂概念。

科学概念教学通常是一堂课的首要教学环节，学生对概念认识的深度将对后期学习产生重要影响。通过优化实验将抽象的概念形象化不仅可以帮助学生构建正确的概念，而且有助于提高课堂教学的有效性，也为学生后期学习奠定基础。

（二）优化科学实验，帮助学生突破学习难点

科学课堂教学有不少的难点需要突破，有些难点教材给了大篇幅的文字、图片及可操作的实验，多途径帮助学生理解难点。然而也有一些难点教材给了较少的文字及图片，或所给的实验操作性不强，所以学生仅凭这些很难理解难点。在此需要教师优化实验，帮助学生消除疑惑，从而提高课堂教学的有效性。

1.借助优化实验帮助学生认识难点过程

例如探究人体呼吸运动过程。教材中对这块内容只有一个模拟实验（如图7），学生通过此模拟实验能理解吸气和呼气过程中胸腔体积的变化，却无法认识引起胸腔体积变化的原因。为此，设计了改进实验，用塑料片模拟胸骨，塑料条模拟肋骨，弹性绳模拟肋间肌。模拟吸气过程：用力向上推動模型，发现模拟肋间肌的弹性线的长度变化，体现肌肉的收缩与舒张，发现肋间外肌的线长度在变短，肋间内肌的线长度在变长，因此说明肋间外肌是收缩，肋间内肌是舒张。同时看到肋骨在向上、向外运动，还可以观察到整个肋骨容纳的体积范围在增大，说明胸腔内部体积增大。通过优化实验使学生清楚地看到吸气过程由于肋间外肌收缩，肋间内肌舒张肋骨向上、向外移动导致腔内体积变大，气压减小，则外界空气压入体内。（模拟呼气过程：用力向下推动模型出现相反的现象）

平时在本节课中关于呼吸时肋间肌的收缩、舒张以及肋骨运动情况，教师普遍都是直接传授，由于学生看不到变化过程，对此难点只能死记硬背，时间一久学生记忆效果甚微。因此，这个模型比较好地解决了这个问题，通过移动模型，以测量弹性线在运动中的长短变化来模拟肌肉的收缩和舒张情况，同时可以观察肋骨的移动过程并感受胸腔体积的变化。把学生难以观察的难点过程充分展现出来，从而有助于学生认识并掌握这个难点过程，提高课堂教学的有效性。

2.借助优化实验帮助学生理解学习难点

例如摩擦力难点问题研究。在摩擦力的学习中首先要让学生感受摩擦力的存在及方向，而学生在判断摩擦力方向时常常会遇到问题。虽然教师多次强调摩擦力的方向和物体运动方向或运动趋势相反，但由于书本仅提供一张人走路的图片，因此学生还是很难理解。笔者由刷牙时牙刷的弯曲形态联想到：在学生的脚下绑上两把毛刷，让学生踩着毛刷走路。通过真实的体验及观察毛刷上毛的弯曲方向，学生就能判断走路时两脚摩擦力的方向。类似的方法还能帮助学生理解自行车匀速行进及滑行状态时的摩擦力方向（如图9）。用海绵制作成轮子，根据车子行进时海绵的弯曲方向来间接指示摩擦力的方向，更加直观地让学生看到并感受到摩擦力的方向，有助于学生的理解。

根据科学教材的特点及学生的学习状况制作该套教具，将课本静态的图片及文字转换为动态、直观的实验现象。通过直观感受形成抽象思维，从而帮助学生解答疑惑。

摩擦力中难点问题还有“探究滑动摩擦力的大小与什么因素有关”。笔者提前布置给学生，让学生充分想象可能存在的因素。学生可能会猜到与壓力大小、接触面粗糙程度有关。课堂上积极引导学生探究：能否用实验来判断我们的猜想？然后把学生分成4人一组，在课桌上放上大量的实验器材，让他们自己设计实验并动手实践。

大多学生都按（图10）教材中的方法进行了实验尝试，在体验活动中发现很多学生虽然知道弹簧测力计拉木块时要求沿水平方向匀速运动，但在实际操作中他们发现了问题：手拉木块很难保持匀速直线运动及运动中的弹簧测力计不便读数。因此针对这两个问题引导学生继续利用所给器材进行改进（如图11）。将运动中的测力计改为固定在墙上，同时将原来拉木块改为拉动木板，使木块相对木板运动，待测力计示数稳定后读数。由二力平衡可知此时木块所受摩擦力等于弹簧测力计的拉力。优化后的实验操作要求降低（只要拉动木板即可，不需要保持匀速运动），这样学生就能很好地完成实验并得到正确的结论，从而提高课堂教学的有效性。

类似的例子还有许多，通过教师灵活地优化实验，化难为易，为提高课堂教学有效性并帮助学生学好科学做好铺垫。

（三）优化科学实验，创设科学史情境，培养学生的科学探究素养

探究素养主要体现在两方面：一方面是学生实际情景中运用科学知识、方法解决实际问题所体现出的探究能力，另一方面是在探究过程中所体现出的探究精神。探究素养的培养离不开情境，课堂教学中借助科学发现史创设真实的探究情境将有助于培养学生的探究素养，提高课堂教学的有效性。

例如大气压教学中教材也安排了较丰富的实验，笔者进行适当的优化，使实验依据科学发现史逐个呈现，让学生粗略体验大气压的发现过程。

教学片段一：聚焦问题

教师：生活中有“水往高处流”的例子吗？

生1：吸牛奶、抽水机。

教师：其实早在公元前两百多年，聪明的人类就发明了一种最原始的活塞式水泵，其结构图参考如下（图12）。先请同学来感受一下水往高处流的“抽水机”，并提出你想解决的问题。

生2演示实验，并提出问题“水为什么会往上运动？”

学生3的猜想：水是被上面的真空吸上去的。

学生4的猜想：水是被一股力推上去的。

设计意图：通过出示瀑布的照片，引出水往低处流的话题。接着提问“水往高处流”的例子有吗？然后进行演示实验：“活塞式抽水机”的实物模型，让学生体验其工作的过程，引出对“水是被什么提上来的？”这一问题的猜想。问题的设计指向大气压强的发现史，科学家首先引发的是对当时工业“活塞式抽水机”原理的思考，因此本节课的第一个环节，聚焦生活中常见的抽水机，让学生在体验抽水机的工作时，引发一系列的思考，从而建立最朴素的、源于自身的猜想。

教学片段二：示证发现

亚里士多德的观点：世界上不允许真空的存在。事实果真如此吗？

教师：同学3的猜想，与当时著名的科学家亚里士多德不谋而合，他也认为水上升的原因是水的上方是真空的，而大自然似乎不允许真空的存在。如果亚里士多德的观点是正确的，请问如何让烧杯中的水流到这根一米长的玻璃管里面？

生1：抽掉玻璃管上方的空气。

教师演示：用洗耳球将玻璃管上方的空气抽掉，红墨水慢慢上升，直至玻璃管的最顶端。如果玻璃管足够长，红墨水还能继续上升吗？

生2：能。

教师：让我们来看看当时的人们，他们收集到的证据。

证据：视频（水泵抽水，水只能被抽到约十米高。）

教师：现在你还觉得上述的猜想正确吗？为什么？

生3：不正确，因为依据亚里士多德的猜想，那水可以被抽到无限高处。预期实验现象与事实不符合，所以不正确。

教师：那当你收集的证据不支持你的猜想的时候，你应该采取怎样的措施？

生4：推翻原来的猜想，建立新的猜想。

设计意图：通过几个简单实验的组合，为学生重现科学家探究的过程，让学生在历史背景中了解大气压强的发现以及演变过程。

教学片段三：获取结论

经典实验重现：“托里拆利实验”

教师：托里拆利选用了水银作为实验的材料而不是水，你觉得有何优势？

生1：ρ水银>ρ水，那么液柱的高度低。

教师：那你觉得“使水银柱不下落的外力是什么？”

生2：是来自外界的一种力，这种力是大氣产生的。

教师总结并板书：大气产生的压力简称大气压。大气压的大小和什么因素有关呢？（阅读科学家帕斯卡的有关事迹）

生3：气压的变化与天气变化有关。

教师：为什么水银柱不能充满整个管子？

生4：大气压强是有一定大小的。

教师：大气压强究竟有多大呢？

演示实验：教师将2个半球合拢后接着轻轻一拉，半球就被拉开了。提问：为什么大气压没有把它们压住呢？

学生5：因为里面也有大气压。

教师：那我们把里面的空气抽完再尝试一下。

请两个学生配合完成半球的抽气实验，然后再用力往两边拉，发现很难拉开。借此实验笔者介绍历史上的马德堡半球实验的由来。

探究素养不仅是科学考试的重要内容，更是学生科学素养的核心内容，在科学课堂教学中积极联系科学发展史开展优化实验，将有助于提升学生的探究素养，提高课堂教学的有效性。

三、成效

课堂是学生学习的主阵地，课堂教学的有效性主要体现在学生对科学知识的认知、理解和掌握程度以及探究素养的培养方面。优化实验是依据学科的特点，从教材和学生的实际学情出发，着眼于解决学生的问题。经过近三年的实践也取得了一定的成效，本届学生对科学知识掌握较往届学生更扎实，学习的难点问题也能更好地解决，科学探究素养也得到较好的培养。多年的实践证实优化科学实验是提高课堂教学有效性的一条正确道路。笔者认为一线教师应充分利用科学注重实验的学科特性，积极优化实验，使每个实验为提高课堂有效性发挥最大的作用。

随着教学改革的不断推进，教学技术的不断更新，创新精神的不断融入，科学实验的优化还会有更大的发展空间。不断地创新优化实验，提高科学课堂教学的有效性将会成为每位一线教师永不停止的追求。

参考文献：

[1]陈亮.初中科学自主学习设计[M].北京：光明日报出版社，2017.

[2]郑青岳.初中科学典型课例优化设计[M].杭州：浙江教育出版社，2017.

[3]余文森.核心素养导向的课堂教学[M].上海：上海教育出版社，2018.

编辑 冯志强