指向科学核心素养的初中科学实验教学设计与实践

孔力奋

【摘 要】 初中科学是一门实验性和理论性都很强的学科，科学实验是科学研究的重要手段，也是科学学习的重要方法。本文针对初中科学教学中实验的教学设计，实现实验教学底部框架设计，教学实施策略，教学效果达成等，实现学生思维的高阶发展，以提升学生的科学核心素养。

【关键词】 初中科学  实验教学  高阶认知

一、研究缘起

（一）研究背景

科学实验是科学研究的一种最有效的形式，通过人为控制变量，放大相关的科学现象和过程，让学生获得指向明确，现象生动、案例典型的实例，并经过分析、归纳等方法抽象出科学本质。在实验探究过程中，对于研究者提出了更高层次的高阶思维的要求，如创新能力、问题解决的能力、决策能力和批判性能力等。

本人对杭州市中考三年对于科学实验的考察做了统计，如下表：

从表中可以看出，科学实验占比重，逐年递增，从内容看比较分散，囊括了初中三年的诸多知识。深度分析，还是形散神不散的体现，以科学知识为载体，考察科学思维，在2019、2020年的32题有了突破，涉及生活实际应用，给出实际应用信息，考查学生科学知识在科学技术中的应用，科学素养指向明确。

（二）教学困境

1. 实验无创新 科学原理不落实

科学实验常见问题：（1） 实验不易成功;（2） 现象不易观察;（3） 实验超课时长;（4） 教科书上的实验，都已经做了详细的设计和说明，使学生失去了科学探究的大部分过程。常见问题不解决，致使实验看似已经开展，对于学习主体而言，得不到预设的教学目标，学生思维无发展。

2. 实验无指向 科学思想无突破

教师在教学中往往根据教材安排来进行实验教学，结果是探究实验做成了验证实验，将生动结论变成了一种预设知识。验证实验了变成多媒体实验甚至是黑板实验，学生失去了直接的感官刺激，失去了科学探究的过程教学。同时缺乏科学大概念引领，实验显得杂乱;没有高阶思维指向，实验课显得无章，失去了科学实验的精髓。

3. 实验缺反馈 科学应用无实现

实验教学无反馈，通过实验教学我们教学者的教学目的不仅仅是得到预设的结论，更多的是让学生通过科学实验，了解科学探究的过程，学习科学探究的方法，学会用科学的思维去解决实际问题。但是在现实课堂中，教师对于实验反馈不够重视，或者问题设计简单重复，低价思维为主，很少体现高阶思维，致使学生所学得不到落实。

二、指向科学素养的实验策略

科学教育的目标是培养学生的科学核心素养，科学核心素养的分析视角有很多，概括起来可以分为科学本质、科学思维、核心知识、思想观念、态度责任五个方面。在科学教学中如何从科学本质的核心来认识科学实验，如何从认识规律的角度来设计实验，如何从思想发展的视角来进行实验教学，特提出以下策略：

（一）高阶指向，底层设计

1. 以学生认知为起点

明确学生的已有认知，是课堂实验的设计的起点。教师需要通过问卷、询问、中小学科学课本对比等方式，识别学生已有知识储备。初中生从形象思维向逻辑思维转化，但初中学生的逻辑思维受前概念影响过大，习惯从生活经验出发，直接进行推理规律，忽视科学本质。因此，为了促进学生的认知水平由低阶认知向高阶认知的转化，要善于利用学生的经验支持，提出科学假设，铺设科学实验，引导学生对于“新旧认知”的碰撞，以达到科学实验探究目的，因此学生的认知是实验教学的教学起点。

2. 以科学大概念为引领

科学教材的编写以科学大概念为顶层引领，教师在进行课堂实验教学设计中，树立科学大概念的思想。先进行单元主题的设计，清楚单元的核心内容，明确教学内容的构成，理清各要素之间的关系。先整体后局部再整体的问题设计原则，于更高的高度来处理具体的教学问题。对照认知目标分类表，细化实验设计，大概念为小概念指引，小概念为大概念服务的思想，解决好科学实验中的科学方法的应用，科学思想的渗透，为促进学生高阶认知制定具体方法。

3. 以科学高阶思想为指向

高阶思维，在布鲁姆认识教学分类目标中表达为分析、评价和创造。在设计科学实验教学时，应以高阶认知为设计导向，根据前期的分析，对科学实验教学化设计，使之适合课堂教学。在教学设计时，从以下几个方面做出高阶指向：

① 实验的目标设计：以知识为载体，以高阶思维发展为指向，理清教学内容，思考在教授内容的同时可以提升学生哪些能力。

② 情境设计：创设情境的本质，第一种是学生从来没有接触过的新情境，从而激发学生科学探究的兴趣及求知欲。第二种是与学生前概念发生强烈冲突的情境，通过学生的分析、评价、创造，从而改变学生根深蒂固的观念。

③ 活动设计：活动设计时，注重实验的深度和广度及可控程度，即要让学生有适当的开放度，又是可控可操作的。

④ 反馈设计：反馈设计通过科学实验的教学，能否对学生的认知能力有所帮助，能够提升哪些认知能力，通过什么方式提升，如何体现等问题。

（二）技术利用，显性设计

1. 调速实验，明察秋毫

科学学习中的现象观察，是科学发展的基础。在实验教学中，有的实验由于发生时间短或者实验时间长，学生无法在课堂中有客观的观察。单凭教师的讲，无法让学生信服，影响了学生构建模型的形象体验。可以通过现有视频手段，调慢或者调快实验过程，使实验现象更加明显，学生在观察中可以明察秋毫。可以让学生增加感知，实现概念认知功能即对其他研究对象的认知发展功能;有利于学生的学生知识的迁移，构建认知结构推动高阶思维的发展。

2. 对比实验，一目了然

对比实验指设置两个或两个以上的实验组，通过对结果的比较分析，来探究各种因素与实验对象的关系，这样的实验称为对比实验。在实验教学中，通过比实验的实施，培养学生对于控制变量法的理解，并提升实际问题的分析能力。对比实验的优点还有现象更加明显，这里所指的对比实验，最主要的能构建出同時段的对比实验，对于前后对比的实验，对于学生而言，这类前后对比的实验，现象不够明显，学生不容易捕捉关键信息，应做平行展示，使现象一目了然。

3. 数字实验，清晰可见

课堂实验设计常常还会遇到传统实验仪器无法准确、直观地表示出实验现象的情况发生。致使学生认知的过程缺乏形象具体的认识主体，导致大脑在处理信息时出现了错误的判断。所以我们在实验设计方向的选择上，需要将形象直观视为基本要求，用定量实验来替代定性实验，用数字化实验来替代模拟实验。可以多了解一些现代科技所带来的一些应用，比如传感器的实际应用。方便学生對于实验现象作出准确的判断

（三）反馈巧设，深度设计

课堂实验中，实验反馈是其重要一环，科学反馈的形式是多样的，可以是试题反馈、生活用品分析、生活实际设计，科学最终的目的是改造我们的生活。好的课堂反馈，有利于教师发现学生认知问题，及时调整教学方法;有利于学生的认知巩固与迁移，构建认知结构推动高阶思维的发展。

1. 明原理，分析强

实验原理是科学实验设计的基础，依据实验原理可以实施不同的实验方法来达到实验目的。因此在实验反馈中，教师应该依据具体实验，利用辨别、区分、集中、选择、整合、分解、概述、构造等行为动词，来提升学生的分析能力，设计适合的问题，并对反馈答案进行群体讨论，普遍问题集中解决、个别问题组内解决的方式。帮助学生巩固所学，引领学生知识的迁移，逐步构建出高阶的认知结构，推动高阶思维的发展。

2. 设错误，评价深

对于学生容易犯错的易错点，可以预设错误，引导学生犯错，创设实验自然情境，顺应出错误;带领学生思错，追述本源，辨析错误的根源;反思纠错：重构思维，理清正解。通过问题重构科学探究的思维过程，引发科学的求知欲，让学生体验问题解决过程的科学思维和科学方法，突破思维难点。

3. 画设计，创造活

科学探究是逐步进步的过程，对于仪器的选择、变量的统一等，并不是一步而就。因此我们在设计实验中必须尊重学生的认知过程，让学生参与我们的实验课堂，参与实验的创新与操作，基于实验课堂的时间与器材限制，在条件不允许时，通过“思维实验”为有效补充，可以通过学生的“画”来进行有效突破，产生问题、解决问题;产生新问题、解决新问题这样螺旋上升的反馈问题设计来培养学生的提问能力、解决问题能力和知识迁移能力。

三、教学展望与建议

实验是科学的源头。正如美国实验物理学家丁肇中说：“所有的自然科学都是实验科学。再好的理论如果与实验不相符，那么理论就不存在。实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻实验。”本文寄望于以学生认知发展特点为基础，明确已有认知结构;以科学大观念为顶层引领，以单元主题设计导向;以具体教学内容为载体，做好实验教学分析;以高阶认知为指向，推动科学实验的教学。通过实验目标的设立，实验过程的突破，实验成效的反馈，以真正达到螺旋上升、层层递进、促进学生的高阶认知的发展的教学目标，培养学生的科学核心素养。在实际的教学过程中，随着技术的进步和思想的解放，实验教学更是应该动态发展。

参考文献

[1] 王耀村.初中科学教学案例专题研究[M].杭州：浙江大学出版社，2001，10.

[2] 刘东辉.基于学生认知基础的科学教学[M].杭州：宁波出版社.2013，11.

[3] 郑青岳.科学教育讲演录[M].杭州：浙江教育出版社，2015，11.