基于实验方法设计的项目式学习实践

张涛 李继良 王薇

摘要：以“自制泡泡液”为主题开展初中科学探究的教学活动;学生通过完成认识泡泡液中的三种成分、利用全面实验法探究物质种类对泡泡效果的影响和利用正交试验设计探究泡泡液成分比例对起泡效果的影响三个项目任务，认识了科学探究的过程要素：提出问题、猜想假设、设计实验、进行实验、检验评价、表达交流，学习了全面实验法、单因素轮换法、正交试验设计等科学实验设计方法，体验了科学研究的严谨性和有用性，发展了科学探究的素养，培养了创新精神和实践能力。

关键词：泡泡液;正交试验设计;单因素轮换法;项目式学习

文章编号：1008-0546（2022）06-0084-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.00.019

目前化学实验教学更多是知识、技能层面，例如认识仪器名称、掌握基本操作、学会观察和描述现象、分析实验现象……也有研究侧重科学方法介绍[1]，而运用项目活动设计理念，在实际问题解决中渗透科学方法应用很少引起师生的共同关注。科学方法是人们在认识和改造客观世界的实践活动中总结出来的正确的思维方法和行为方式，在学习和研究中，科学方法被视为产生知识的“知识”[2]。在教学中注重科学方法的教学，可使学生的思路变得更开阔、更敏捷，解决问题的手段也变得更多、更灵活。本课题以“自制泡泡液”为主题展开实验方法设计的项目式学习实践。

一、项目主题内容分析

本项目以学生所喜爱的泡泡液为主题，運用初中重要的全面实验法探究物质种类对泡泡液起泡效果的影响。学生经历制定计划、设计实验、观察与实验、获取事实与证据、表达与交流等科学探究过程。当实验水平变多时，学生能够发现全面实验法和单因素轮换法的局限性，从而提出假设和猜想、设计方案解决实验选点问题，自主探究适用于多因素、多水平的正交试验设计。这个过程能够帮助学生形成真实情境中发现问题、解决问题的思路，领悟科学探究的思想，培养学生进行科学探究所需要的能力，增进对科学探究方法与过程的理解。

二、项目教学目标

（1）通过全面实验法探究物质种类对泡泡液效果的影响，让学生感受全面实验法的科学性和有效性。在解决实验水平增多问题的过程中，感受全面实验法的局限性。从而培养学生用发展的眼光辩证地看待事物的科学态度。

（2）通过阅读资料，初步学习单因素轮换法，分析其优缺点。然后学生利用3x3模型亲自动手粘贴试验点，感受单因素轮换法在选点方面的不合理性。通过小组活动解决选点的问题，学生自主探究正交试验设计，培养发现问题、获取信息和手脑并用解决问题的能力，培养创新意识和实践能力，增进学生对科学研究方法的认识和理解。

（3）通过每一个任务中的小组合作，提升学生与人交流合作的能力，形成尊重别人劳动成果，培养倾听别人意见的习惯。在小组合作中，每个人分工明确，使学生认识到小组的成员在探究尝试中各有所长，知识和技能可以互补，通过这些活动培养学生的协作精神。

三、项目任务及教学流程

见表1。

四、项目实施过程及学生学习成果

以第3课时为例呈现项目活动过程中师生的具体行为表现。

1.发现全面实验法的问题

【情境创设】上一节课我们确定了配制泡泡液的三种物质分别为：洗发水、甘油和茶水。今天我们探究这三种物质的最佳配比。注意，这节课每个实验因素我们设定三个实验水平（见表2）。

【项目任务】请用上一节课的实验法设计今天的实验表格。然后小组讨论如果实验因素再增加一个水平，将需要进行几个实验？目前的实验方法存在什么不足？有何对策？

【学生4人一小组先独立思考，填写学案（实验方案见表3），然后小组讨论和汇报交流】

【学生观点】3因素3水平实验需要做的实验次数是33，即27个。每个因素再增加一个实验水平，需要做的实验次数是43，就是64个。实验次数有点儿多。

【学生观点2】如果实验水平再增加，需要进行的实验数量惊人。如果能够像做调查问卷一样，挑选一部分人作样本进行调查会比较高效、快速。

【学生观点3】如果不把所有实验做一遍，那么选做的实验就要具有代表性。

【教师点评】同学们分析得很好！我们之前所用的实验方法叫做全面实验法，这种方法的科学性和准确性是毋庸置疑的。但是，当实验因素变多、实验水平增加时，实验量成指数倍数增长。因此，如何选择具有代表性的点进行实验是我们要解决的问题。请大家阅读资料1，然后请同学给我们介绍单因素轮换法，并分析一下这种实验方法的优缺点。

2.“手脑并用”认识单因素轮换法和正交试验设计

【学生观点1】单因素轮换法就是先控制三个因素中的两个因素，让另外一个因素发生改变，从中挑出该因素的最佳水平。比如例题先控制B1和C1不变，让A改变，从而比较出A3是A因素的最佳水平。然后控制A3和Ci不变，改变B，对比发现B2最佳。最后确定A3和B2不变，让C改变。最后得出最佳的一个组合应该是：A382C2。

【学生观点2】单因素轮换法的优点是：将27个实验数量减少到9个，而且有一定的科学性。但是如果最佳的选项不在一开始就确定在B1C1中，那么得出来的结果就不是最佳的选择。

【教师介绍模型】为了让大家更清楚地认识单因素轮换法，老师给大家准备了一个3x3的立方体小球模型。我们用垂直的、竖着的三个面从左到右分别表示A1、A2、A3。用水平的三个面从下到上分别表示B1、B2、B3。用垂直的、横着的三个面从前到后分别表示C1、C2、C3。请同学们用便签纸标出刚才我们用单因素轮换法涉及到的实验点。小组活动后讨论你对单因素轮换法有什么新的认识。

【学生小组活动后进行汇报】单因素轮换法的实验点（如图2所示）完全分布在一个角上，而在一个很大的范围内没有选点，选点代表性很差。因此这种实验方法有缺陷，所选的A382C2不一定是27个组合中最好的。

【教师追问，布置新任务】如何从全面实验的点中选择具有典型性、代表性的点，使实验点在实验范围内分布得很均匀，能反映全面情况呢？请同学们将模型中的便签纸撕下来，重新选点然后说说你们是如何选点的。

【学生4人小组活动并进行讨论】

【学生观点1】A、B、C各有三个面，共9个面。在9个面中每个面的实验点应当一样多，也就是每个平面上都恰好有3个实验点。

【学生观点2】我们组先确定了一个点，为了让实验点不重复，该点所在的行、列上都不能再有点。这样每个平面上的三行、三列，总共九个点。这样实验点的分布很均匀（如图3所示）。

【教师介绍正交表】同学们做得非常好！刚才我们找到了能够代表27个实验的“9个代表”。这“9个代表”具体是哪些实验呢？日本统计学家口玄一博士总结出了正交表。请同学们阅读资料2，分析如何设计正交表。

【学生观点】先控制温度为80C，加碱量依次为35Kg、48Kg、55Kg，催化剂种类依次为甲、乙、丙。再控制温度为85C，加碱量依然按照35Kg、48Kg、55Kg的顺序，但是催化剂种类“滚动”变化，变为乙、丙、甲。最后一组，当温度为90C时，加碱量顺序还是不变，催化剂种类再次“滚动”，变为丙、甲、乙。

【学生活动】结合今天的实验，设计正交表（如表6所示）。

3.实验探究寻找泡泡液最佳配比

【布置任务】老师把班里的8个小组分成3队，A队三个组做同样的三个实验。每一组对比出本组三个实验中最佳的一组配比，然后A队内互相交流，看看你们选择的最佳配比是不是一样的。如果不是，队内互相比拼。同样地，B队、C队也讨论出本队的最佳组合。然后，每个队派一个吹泡泡水平最高的同学进行全班展示，全班一起从三队中选出最佳的配比。实验过程中，要注意分工合作：有同学负责吹泡泡;有同学负责计时;有同学负责拍照，观察泡泡的大小;有同学负责填写实验记录单（见表7），注意要有具体的泡泡持续时间。

【学生分组实验】见图4。每一队派代表用吸管吹泡泡展示成果（见图5），全班同学观察现象，派一位同学负责填写实验记录单（见表7）。最终得出本次实验最佳的配比为：洗发水：甘油：水=5：3：4。

五、项目教学反思及改进建议

相对于直接讲授抽象的科学方法，本项目中学生在第2课时应用全面实验法解决问题，从而感受全面实验法的优点。在第3課时中发现全面实验法的不足，又通过阅读单因素置换法的资料了解其缺点，从而感知在实验量巨大时选择典型的、具有代表性的实验点是关键，学生利用3x3的立方体小球模型自主选择具有代表性的实验点，从活动中感悟正交试验法。最后，再通过阅读资料认识正交实验表的设计规律，并应用发现的正交表规律设计本实验的正交表。科学教育是一个能动的过程，应当通过学生自主的探究等活动来实现教育目标[4]。本项目教学设计体现学生的主体作用，教学活动符合学生的心理特点。教师为学生提供充分的科学探究机会，学生在实际应用中发现问题，利用模型明确问题，然后设计方案解决问题。整个过程都是学生小组合作完成的，教师只是活动的组织者和引导者。这样的学习方式能够激发学生的好奇心和求知欲，使学生在探究过程中学习科学方法，培养创新精神和实践能力。

本项目的不足之处在于实验指标定量不精确。虽然泡泡持续时间计量了，但是泡泡的大小难以精确测量。因此，无法采用正交试验设计中的级差分析和方差分析等统计方法对实验结果进行定量评价。

参考文献

[1]郝丽娟.高中化学创新性实验教学案例分析[D].上海：华东师范大学，2011.

[2]王后雄.化学方法论[M].长沙：中南大学出版社，2003.

[3] 刘文卿.实验设计[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4] 中华人民共和国教育部.义务教育初中科学课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012.