科学教学专业教学实践中指导设计趣味科学实验的研究

曹雪玲 朱为菊 冯志国 程睿菁 张新星

琼台师范学院理学院 海南海口 570100

在科技快速发展的现代社会，各个国家之间的竞争日趋白热化。其实，不同国家之间的竞争，归根结底还是国家综合实力的比拼[1]，而核心的比拼就是科学技术的不断创新、创新性人才的培养和国家公民科学素质水平的不断提高[2]。西方发达国家对趣味科学实验的研究较早，并对其开展也十分重视，比如展示实验，就是德国首先实行的。在发达的欧美国家，中学阶段教师特别重视趣味科学实验，学校会有专门的教室进行趣味科学实验[3]。在课内设计大量的趣味科学实验，配有相应的教材和教具。我国趣味科学实验室设备还不够完善，为了我国社会进步和经济发展[4]，须尽快提高我国国民的核心科学素质[5]。趣味科学实验可以激发学生学习的积极性和自主性，学生进行科学实验时，学会发现有价值的问题，并学会解决问题的思路和方法[6-7]；经历科学探究的过程，掌握科学探究的方法和思想，使他们的科学素养得到培养和提高[8]；实验过程，还可以提升学生的沟通能力和高团队合作意识。

1 课程介绍

本课程是针对师范院校教育科学系学生、毕业后主要从事中小学自然科学课程的讲授。学生已经具备化学、物理、生物、食品、地理、天文等六大课程系列理论知识，在此基础上指导学生研发趣味科学实验，开发的科学实验所有材料均采用无毒环保的食品级材料；趣味性与知识性结合，能更好地提高学生的创新能力、动手能力、独立思考能力和解决问题能力。科学教育系大学生具有创新性和科学性的思维，才会更好地在中小学的科学教学实践中发挥更大的作用，为祖国培养新时代科技人才服务。通过本课程的学习，将科学的趣味实验的设计理念及方法传授给科学教育系的大学生。

2 课程设计

2.1 基础科学理论知识学习

科学实验的设计是基于扎实的科学知识基础上的，因而科学教育专业设置了化学、物理、生物、食品、地理、天文等理论课程，使学生掌握科学理论知识。学习中小学学生心理活动特征，了解中小学教学中的关键环节，各学科融会贯通，在此基础上加以引导，设计和开发具有科学性和创新性的趣味实验。

2.2趣味科学实验设计的背景

目前，我国愈发重视新型创新人才的培养，随着综合教育、素质教育的理念不断深入，新的教育模式和教育理念的出现反映出学生的动手能力和创新能力方面还有待提高。培养综合能力的最好阶段就是青少年时期，让其养成动脑、动手的良好习惯。中小学课堂对激发学生学习兴趣、增强动手能力的趣味课程的需求逐步上升，趣味科学实验对于青少年学生具有天然的吸引力。而教育部提出将科学课程融入学校教学中，发挥趣味科学实验的优势，使我国青少年从小就接触科学、学习科学、培养科学意识。因而，培养自然科学教育教师的科学实验设计能力势在必行。目前国内外科学实验存在以下主要问题。

2.2.1 实验的安全性

专业的科学实验会涉及化学试剂、物理电路等危险因素，以及不适合青少年使用的实验设备，所以家长和教师都担心开展科学实验会有潜在的危险存在，针对青少年的特点，专业的科学实验需要既满足科学知识的学习，又要考虑安全性，因此在设计实验时巧妙地避开危险因素。

2.2.2 实验教授方式枯燥

自然科学知识是指人类在生活实践中对自然界存在的自然规律的理论性总结。如果只是单纯的理论讲解这些知识，学生们听不懂，也理解不了，就会枯燥无味，更提不起青少年学习的热情，达不到学习的效果。科学知识是从实践中而来，也需要实验来验证和展示。

2.2.3 实验方案单一知识性差

实验设计过程需要考虑很多客观的因素，包括实验条件、学习者的自身特点等，针对青少年的趣味科学实验既要具有知识性又要有趣味性，学生有兴趣参与其中，才能达到学习的目的。设计和实施趣味科学实验的教师因知识基础和创新理念的匮乏，也会导致科学实验方案单一、知识性差等问题。

2.2.4 条件限制

科学实验需要在特定的科学实验室中进行，而中小学校却很少配有专业的科学实验室，这就需要从安全的角度出发，设计安全环保的科学实验，突破环境的限制，力争在普通的教室或是室外操场就可以开展实验。

2.3 趣味科学实验的设计

需要引导学生开发的科学实验应具备以下条件。

2.3.1 所有材料均采用无毒环保的食品级材料

尽量采用生活中简单易得的实验材料，优先选择食品级材料，如白醋代表酸性物质，小苏打代表碱性物质等，实验器材选择不易破碎的器皿代替玻璃实验器皿。以设计家用灭火器为例，先把小苏打放入矿泉水瓶中，再加入白醋，白醋与小苏打在矿泉水瓶内发生酸碱反应，产生二氧化碳，将产生的二氧化碳倾倒在燃烧的蜡烛上，即可将燃烧的蜡烛熄灭，做成了家用灭火器。这个实验选择的实验材料是生活调味品白醋和小苏打，反应器皿用塑料矿泉水瓶，所用材料均安全环保，适合中小学生操作使用。

2.3.2 趣味性与知识性结合

科学实验的方案设计要结合趣味性和知识性，例如生物实验中关于细菌的种类，细菌按照形状可以分为球菌、杆菌和螺旋菌，但是细菌很小，学生看不见摸不到，这些枯燥的生物知识如何有效地传递给学生，这就需要把实验设计的新奇有趣，引起学生的好奇和兴趣，由浅入深地讲解，以达到趣味性和知识性结合的目的。实验设计中可以运用网上已有视频，展示形状各异、五颜六色的细菌，并通过短片展示细菌的危害，教育青少年要注意个人卫生，防止疾病传播。然后让学生利用彩泥制作球菌、杆菌和螺旋菌，并放在自制的盘子中，学生每两人分为一组，进行剪刀石头布游戏，把球菌看作石头，杆菌看作布，螺旋菌看作剪刀，最后统计每个学生盘子中球菌、杆菌和螺旋菌的个数，菌种多的学生需要回答教师的问题，并让学生把自己的作品带回家，把课程学习的内容讲给家长听。

2.3.3 结合多种教学手段，引起学习者的积极性

现代教学手段有很多，如何有效地结合现代技术达到良好的教学目的，这就需要课程设计时好好思考。例如制作日、地、月三球运行的实验，包含四季、节气、气候、月食、日食等成因的知识，教师利用视频资料，使学生直观地了解大自然的变化，引导学生利用教具三球仪展示地球自转和公转的现象，教师提出问题，让学生思考。首先布置实验用品，让学生自己动手，如利用面粉做地球、月亮和太阳，再用颜料给地球、月亮和太阳涂上喜欢的颜色，等颜料干透后，将地球、月亮和太阳插在固定的三球仪支架上，这样自己动手就完成了三球仪的制作，转动三球仪，找到地球自转和公转的规律，教师再将四季、节气、气候、月食、日食等知识结合三球仪的转动传授给学生。

2.3.4 结合多学科知识，实验丰富多样

科学知识包括多学科内容，包括化学、物理、生物、食品、地理、天文等，因而科学实验尽量包括多学科内容，使学习内容更加丰富多彩。例如水果发电实验，使用水果作为LED灯供电的素材，其发电的原理和最早的化学电池有异曲同工之妙。水果之所以能发电，其原理首先是水果中含有大量果酸，这是一种很好的电解质；其次，插入水果中的两个金属片通常情况下电化学活性是不一样的，其中更活泼的金属片能置换出水果中酸性物质的氢离子，可以产生电荷，造成电压的改变，于是便形成一个原电池。这其中包括了化学、物理、生物、食品等学科的知识。

2.3.5 突破环境限制，灵活开展实验

科学知识的传授需要在日常教学和生活中潜移默化，以“润物细无声”的方式传递给学生，因而趣味科学实验可以突破环境的限制随时随地展开。利用生活现象向学生进行科学知识传播，鼓励学生自主开发、灵活开展趣味科学实验，这将更有利于创新性人才的培养目标。例如野外自制净水器的实验，可以带着学生在大自然中选取实验用品，把野外的河水净化。先把矿泉水瓶在底部剪开，靠近瓶口处放上树叶，防止物体漏掉，然后放入细沙，起到过滤的目的，最后再放入石子，可以滤掉大的杂质。取河里的水，倒入自制净水器中，经过石子和细沙的过滤，可以有效去除杂质，达到净化水的目的。

2.4 设计趣味科学实验的过程

2.4.1 收集材料，实验设计

趣味科学实验的设计要具有趣味性和知识性，因而针对学习对象和学习内容，利用网上资源、教材、相关材料等，设计实验内容。根据2.3科学趣味实验的设计原则，选择食品级安全材料，运用已有知识基础及教学经验合理安排实验过程，尽量采用多种教学手段，结合多学科知识。实验材料的准备包括：实验方案、实验材料、教学视频、教学PPT、实验评价表等。

2.4.2 具体实施课堂教学

具体实施趣味科学实验，需要课前准备实验材料。课上采用引导式教学模式，教师通过教学视频或是提出问题引起学生好奇心，然后通过教学PPT讲解实验内容、操作过程。实验过程以学生为主体，教师只是引导鼓励学生多思考、多动手，随着实验过程将知识点以润物细无声的方式传授给学生。试验结束后要及时总结知识点。

2.4.3 成绩总结，教学反思

采用多种成绩总结，可以采用竞争激励式(包括小组或个人激励的方式)、奖励式、评分制等，以激励学生乐于参与到趣味科学实验中。实验评价表记录实验过程和学生表现以及实验成功或失败之处等，反思实验教学过程，及时修正实验方案。

结语

本文发挥大学教师知识的综合性运用与营造学校科研氛围，针对我国青少年学生特点，引导科学教育专业大学生创设一个新奇、未知、充满趣味性的科学世界。在以后的教学中激发青少年学习科学知识的兴趣，从小培养小学生的创新能力、动手能力、独立思考能力和解决问题能力，从而提升全民科学素养。