小学自然教学中提升学生实验设计能力的策略

◎ 沈 岚

在小学自然的教学中，实验是学习科学知识和技能的重要方式之一，也是学生解决实际问题的有效方式之一。实验设计能力是指学生能在分析问题的基础上，提出猜想与假设，并设计实验方案、验证猜想与假设，形成解决问题的能力。《义务教育小学科学课程标准（2017年版）》对设计实验的要求是这样描述的：能基于所学的知识制订比较完整的探究计划；初步具备实验设计的能力和控制变量的意识，并能设计单一变量的实验方案。无论从实验设计本身来讲，或是课标的要求，以及对学生科学素养的养成，培养学生实验设计能力都是非常重要的，因为培养学生实验设计能力是提高教学质量、培养创新能力、提升科学素养的重要途径。教师需要掌握提高学生实验设计能力的有效策略，激发学生实验设计的兴趣，提高实验设计能力。笔者与教研组全体成员针对日常实验教学中存在的主要问题进行了分析，并针对这些问题的解决策略进行了实践研究。

一、日常实验教学中存在的主要问题

在日常课堂教学中，教师往往把实验能力的培养等同于单一的实验操作技能的培养，学生独立进行实验设计机会较少，实验设计能力的培养缺乏一定的系统性，因此普遍存在实验设计能力不强这一问题，具体表现在以下三个方面。

（一）实验设计成了“快设计”

实验设计包括提出问题、作出猜想与假设、制订计划、实施计划、得出结论、表达与交流等方面，过程长、环节多。为了在课内获得知识结论，完成课堂流程，教师往往要求学生在较短时间内完成设计，设计流于形式。学生既没有充分的思考、交流与讨论的时间，又没有修改与完善方案的机会。

（二）实验设计成了“假设计”

虽然教师已经意识到科学的课堂是由一个个活动、一个个实验组织起来的，但是在活动设计的过程中缺乏实验的目标意识，以及对学生高阶思维能力的培养意识，往往出现为实验而实验的现象。有时做实验只是为了提起学生的兴趣，带动课堂的气氛，只要学生动起来就可以了。有的教师认为实验的设计看上去并不热闹、组织起来又费力，因而常常用其他更简单、易行的方式来代替，这样一来，自然难以提高学生的实验设计能力。

（三） 实验设计成了“白设计”

实验设计是探究活动的一个组成部分，为实验证据搜集和问题解释等活动做好准备。但是在部分课堂中，教师由于无法完全预设学生的设计，或因为事前准备不够充分，即使有些学生的实验设计有探究价值，但是不在教师预设范围内，且无法落实到课前预设的实验操作中，最后往往采用教师之前已经准备好的实验设计。长此以往，学生会认为自己的设计是无用的，就会对实验设计产生厌倦、害怕甚至对抗的心理。

二、问题解决策略的实践研究——以“侵蚀”一课为例

学生实验设计能力是提高教学质量、培养创新能力、提升科学素养的重要途径。教师需要掌握提高学生实验设计能力的有效策略，激发学生设计实验的兴趣，提高实验设计能力。

（一）课例的选择

在小学自然的四大学习领域中，“地球与宇宙”领域下有一个主题是“地球上的岩石”。在学生认识了岩石的组成、性质和种类后，教师引申出学生感兴趣的探究内容，包含：①改变地貌的自然现象——风化、侵蚀与沉积；②各种不同的地形地貌。“侵蚀”就是这一主题单元中的一课，探究内容是关于各种侵蚀现象。笔者主要从学生感兴趣的身边熟悉的地形切入问题，驱动学生去探究“风化形成的小碎石去哪里了？”这一问题。根据课标对小学中高年级的要求，学生通过搜集、交流自然界发生侵蚀的案例，了解自然因素对地表形态变化的影响。在前两节课的基础上，学生需要通过对案例的观察和分析，自己发现现象中的问题，并有依据地提出两个及两个以上可验证的假设，再以小组为单位，自主设计实验方案、分工并进行模拟实验，通过分析实验现象和数据，归纳总结影响侵蚀程度的因素。学生在搜集资料和模拟实验的基础上，认识侵蚀所带来的危害，设计减少侵蚀的方案，增强保护土壤的责任心和使命感。

（二）实践的收获

如何让学生能充分有效地进行实验设计，并落实设计内容，从而帮助学生掌握设计的方法，提升设计能力？笔者通过课堂观察、案例分析后，逐渐总结与提炼出关于实验设计能力的培养策略。

1.创设问题情境——激发学生设计实验的需求

黄河是中国的母亲河，它给学生较深刻的印象就是河水呈黄色。而黄河水浑浊的原因是水中携带了大量的泥沙，而这些泥沙的产生是由侵蚀造成的。历史上，黄河发生过多次改道，给当地的居民带来了灾难。自然界中这一真实问题与教学内容高度契合，因此在执教“侵蚀”一课时，笔者选择了这一真实问题作为课堂的问题情境。

本节课以黄河流经黄土高原前后的两张对比图导入，学生通过对比观察黄河水产生的变化，调动已学的有关侵蚀的知识解释黄河水前后发生变化的原因。笔者考虑到学生对黄土高原还是比较陌生的，因此增加了一些关于黄土高原的图片和资料，如黄土高原土质疏松、降雨量多等。学生综合分析造成黄土高原水土流失（侵蚀）的主要原因，即疏松的土壤受到雨水的冲刷侵蚀后随雨水流进黄河。

在黄土高原真实情境的驱动下，学生兴趣被激发，主动地对问题进行分析。由于情境的铺垫，学生能调动与情境相关的知识，并用所掌握的知识解释情境，从真实情境中发现问题——如何减少黄土高原的侵蚀现象？从而产生了解决问题的需求。由于是学生自己发现并提出的问题，因此产生了强烈的想要解决问题的意愿。在课堂观察记录中，几乎所有的学生都表达了需要通过模拟真实情境进行实验的愿望，为之后的实验设计打造了良好的课堂氛围。

2.提供假设依据——连接课堂与现实的通道

提出假设是实验设计的关键步骤，假设能促进学生进一步思考问题解决的方案。假设是在分析问题的基础上，针对问题解决的方案提出的猜想，而假设的提出需要一定的知识、事实和经验作为分析与推理的依据。

例如，本节课的问题是如何减少黄土高原地区的水土流失，要解决这个问题，学生需要了解造成侵蚀的因素有哪些，而影响侵蚀程度的因素是什么，等等。为了建立提出假设的基础，笔者组织学生先后学习了侵蚀的概念，造成侵蚀的因素（流水、风和冰川等）以及影响侵蚀程度的因素（土壤的类型、沉积物颗粒的大小、流水的强度、是否有植被等）。通过一系列的活动和视频，笔者帮助学生理解上述因素是如何影响侵蚀程度的。经过前期的学习积累，学生获得了有关侵蚀的知识和事实的储备。通过分析与推理，学生能针对问题提出解决方案，比如有学生提出通过种植植物能够有效减少侵蚀，有学生提出用石头或者网覆盖住土壤，还有学生提出把海水引流到黄土高原以改变土壤的性质，等等。

在实施本节课教学时，笔者还发现有些学生能结合自己的生活经验提出假设，比如有学生提出用水泥修筑河堤，这一假设源于日常的生活经验。而学生的生活经验也是作出假设的重要依据之一。因此，知识、事实和经验是连接现实与课堂的通道，可以让学生在设计中多一些真实可行，少一点天马行空。

3.搭建活动支架——提升设计的合理性和有效性

为了帮助学生更好地开展实验设计活动，笔者设计了相应的实验记录表。记录表包括问题阐述、方案、材料、预测、观察记录和得出结论，以及最后的评一评，并且在每一部分都有相应的提示，以帮助学生快速理解实验设计环节，并参与实验设计活动。

笔者第一次执教“如何减少黄土高原地区的侵蚀问题？”时，为学生提供的记录表有两个部分：一部分是关于方案的选择和设计及材料的选择；另一部分是关于验证过程的记录表，包含预测、观察记录、得出结论和评一评。其中，预测部分又分为两条：一是预测流经“黄土高原”之后水里的泥土含量是多还是少；二是预测“黄土高原”上剩余的土量是多还是少。在观察记录部分为空白表格，笔者希望学生能自主填写观察到的现象。而结论部分除了判断小组方案是否成功，还需说出理由，如果不成功，需提出改进意见。笔者实施起来发现此表格的信息量较多，而且部分有重复，因此学生没有足够的时间完成此表格。于是在第二次的教学中，笔者对学生记录表格进行改进，在保留前半部分的前提下，将表格的第二部分与第一部分合并，再确定一个观察点：流经“黄土高原”后的水里的泥沙含量，然后学生完成预测、观察和结论，并且将这一部分的内容全部设计为以勾选方式完成。表格的呈现形式更加简单明了，更能体现完整的实验探究过程。

4.落实实验设计——在完整的实验过程中促进学生实验设计能力的提升

本节课从提出问题、作出假设、设计实验方案、搜集证据、分析交流这一完整实验探究过程出发，引导学生完成各个环节相应的活动。通过对观察点的讨论，学生在教师引导下搜集实验现象，并根据实验现象的观察，得出结论。而当学生有了初步的结论时，笔者引导学生发现同一方案小组中不同的学生得出的结论有冲突，并思考其中的原因，进而提出如何统一这个标准，目的在于引出对比实验，在此过程中锻炼学生的对比实验思维能力。最后，在评一评环节中，学生对其他组方案进行评价，通过对各组方案的反思和对比，进一步提升实验设计的能力。

为了帮助学生把自己的实验设计落实到实验操作中，笔者在课前做了充分的准备，比如模拟黄土高原的实验盒，帮助学生还原真实情境；准备多种类的、充足的模拟材料，让学生的每一个实验设计都可以实现，尽可能地保护学生的设计动力。

5.评价实验方案——促进学生的实验反思能力

第一次试教“如何减少黄土高原地区的侵蚀问题？”时，笔者主要关注学生对方案的提出及方案有效性的验证，关注学生是否经历了完整的实验探究过程。由于时间的限制，笔者没有进行其他活动。试教后，笔者发现学生缺乏对方案的反思，经过仔细思考之后，决定设置“评一评”的环节，从材料的选择、搭建方式和改进建议等方面，让学生对其他组的方案进行评价。

通过课堂观察，笔者发现各组之间互相参观，不仅可以对比各组之间的实验设计，还能发现不同的设计方案。在参观中，学生为其他组写下自己的看法，并回答他人的提问，这样的交流反馈也为学生提供了互相评价的平台，促进学生的评价思维发展。在评价其他小组方案的过程中，学生能够反思自己小组方案的有效性和不足之处，认识到同一问题可以有不同的解决方式，进而反思问题解决的过程，促进实验能力的提升。

三、对优化问题解决策略的进一步思考

（一）提供充分设计的时空，发展学生的分析思维

本节课中大部分的时间安排提供给了学生进行实验设计的活动。每一个环节或结合真实情境寻找方法，或提供支架帮助设计，或是讨论交流激发思考。学生看似在做不同的活动，但是每一个活动都是为实验设计而服务的，活动充分而不会感觉单一枯燥。从实验目的的提出、对比条件的选择、变量的控制和材料的选择，都是学生通过分析综合思考而来的。在设计过程中，由于对真实情境有足够的认知，从而能分析得出影响侵蚀程度的条件，成为支撑设计所需的必要条件。提供的设计表格又能作为设计的支架，帮助学生理清实验路径，令原本复杂的实验设计过程变得清晰明确，学生的分析思维也在设计过程中得到了锻炼。

一节课的时间是有限的，如何分配探究的时空是一门学问。在科学课堂中，如何为学生的自主学习、发展科学思维提供充分的时空，是笔者今后优化问题解决策略的一个突破口。

（二）开展对实验设计的评价，发展学生的评价思维

在学生相互评价之前，笔者对学生进行了简单引导，但是一部分学生评价的重点仅是关注方案是否有效，给出好或不好的评价，还有一部分学生关注到材料的数量上。笔者思考原因，可能是在有限的时间内学生想要参观更多的小组方案，基于直观观察而得出是否有效的判断。另外，笔者没有安排学生对本组设计方案及实验过程进行介绍，导致参观的学生没有全面了解设计意图和实验过程，可能也是影响学生评价的因素之一。如果增加参观时的小组自我介绍环节，学生为了介绍清楚自己的设计和实验，肯定会重新完整地思考自己的实验设计目标与方案，也是进行了一次自我评价。因此，如何阐述评价要求和安排评价的流程，引导学生在对各组方案充分观察的基础上，选择一个小组给予评价，是笔者今后优化问题解决策略的另一个突破口。

培养学生实验设计能力的手段和方法很多，如果将学生的思维能力、合作能力与操作能力作为切入点，那么在一定程度上可以提升学生的实验设计能力。