小初科学实验方法与内容的有效衔接

刘天成

义务教育科学课程是一门体现科学本质的综合性、实践性基础课程，内容涵盖了物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程等领域，小学科学是初中生物学、地理、物理、化学学科的基础，探究实践是这些学科学习的主要方式，實验教学是这些学科的共同特点，加强小初科学实验方法与内容的有效衔接，既是科学课程标准的要求，也是培养学生科学素养的重要途径。

一、小初科学实验教学衔接是提高科学教学质量的需要

2022年版义务教育课程方案和课程标准指出，要强化义务教育小初教学衔接，体现教学的连续性和进阶性。小学科学与初中生物学、地理、物理、化学学科相衔接，科学实验是这些学科的共同特点。科学实验对学生科学兴趣的培养、科学观念的形成、科学思维的发展、科学方法的掌握及科学精神的养成等方面都能起到非常重要的作用，做好小初科学实验教学衔接是落实课程方案和课程标准的需要。

科学实验是自然科学的基础，没有实验就没有自然科学。科学实验既是自然科学的重要内容，也是自然科学教学的重要方法，实验法直观明了，具有“千言万语道不清，一做实验分外明”的功效。无论多么直观的多媒体课件、视频都无法取代动手实验，必须用科学的方法学科学，“物理要见物，化学要见化，生物学得有生，地理要着地”，这就需要小学阶段打好科学实验的基础，要上好每一堂科学实验课。做好小初科学实验教学衔接，是自然科学学习的内在需要。

2019年，《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》的总体要求中提出：“夯实基础，开齐开足开好国家课程标准规定实验，切实扭转忽视实验教学的倾向；拓展创新，不断将科技前沿知识和最新技术成果融入实验教学，丰富内容，改进方式；注重实效，强化学生实践操作、情境体验、探索求知、亲身感悟和创新创造。”加强小初科学实验教学衔接有助于扭转实验教学不被重视、实验课时不足、机械片面、形式单一、存在局限的局面，是深入落实科学课程标准、提高科学教学质量的重要途径。

二、掌握科学实验方法是小初科学实验教学衔接的前提

科学实验一般包括五个环节：一是明确实验目的；二是选择实验原理和科学的方法；三是合理选择实验仪器和装置；四是确定具体实验步骤；五是分析和处理实验数据。理解科学实验的基本规律、掌握科学实验的基本方法是做好小初科学实验教学衔接的前提和基础。

（一）全面掌握科学实验的基本方法

科学实验的基本方法有实验归纳法、实验验证法、控制变量法、理想实验法，这些基本方法对小学和初中科学实验具有普遍的指导作用，是小学和初中科学实验中都适用的方法。

实验归纳法是中小学科学实验中普遍运用的基本方法，是一种由特殊到一般的研究方法，是探索规律的主要手段。例如：小学科学课探究声音是如何产生的，观察物体发生时的振动现象，通过拨动尺子、敲鼓、音叉、喉结振动等实验现象，最后归纳出声音是由物体振动产生的。再如，“简单机械杠杆”一课，小学阶段通过观察杠杆在生活的各种应用，最后归纳出杠杆省力、费力的现象，到初中阶段“探究杠杆平衡条件”。另外，“探究摆动快慢与什么因素有关”“探究凸透镜成像规律”“探究影响浮力大小的因素”“研究电流与电压、电阻的关系”等实验都是运用了实验归纳法。

实验验证法就是通过实验来检验推理、判断，从而得出可靠结论的研究方法。例如：小学科学课探究的“小水轮转动快慢与哪些因素有关？空气有质量吗？热是如何传递的？什么是导体和绝缘体？光是如何传播的？简单鉴别食物中的营养成分”以及初中生物学中的“光合作用是否产生了氧气和有机物”，这些都是运用了实验验证法。

控制变量法在规律的探索中经常使用，也是科学实验中非常重要的方法之一。例如：影响蒸发快慢的因素；研究弦乐器的音调与弦的松紧、长短和粗细的关系；拉力大小与小车运动速度有什么关系；影响种子萌发的因素有哪些；单摆运动的快慢与什么有关。

理想实验法又叫假想实验、抽象实验或思想实验。理想实验与真实实验是有本质区别的，真实实验是一种实践活动，而理想实验是一种思维活动，得出的结论还要由真实实验来判断正确与否。理想实验并非实验，但与实验有着密切的联系，是科学研究中一种重要的方法。例如，经典的伽利略斜面实验，在理想状态下，如果斜面变成水平面，则钢珠找不到同样的高度而会一直保持一种运动状态，永远运动下去，成为经典力学基础的惯性定律。再如，为了验证在真空环境中不能传播声音，通过抽气机抽取玻璃罩中的空气，抽出的空气越多，声音响度就越小，以此来进行验证真空环境中不能传播声音。

（二）灵活运用科学实验的操作方法

做好小初实验教学衔接，除了要掌握科学实验的基本方法外，科学实验中还有许多处理和解决问题的具体操作方法，这些方法同样具有普遍意义，小学和初中的科学实验都可以运用，有助于培养学生的实验能力，提高学生的科学素养。小初实验教学中常用的操作方法有：观察、比较、平衡、转换、放大、模拟、替代、解剖、类比等。这些方法为实验设计、实施、操作提供了基本遵循。

观察法是最基本、最直接的实验方法，是收集、获取、记载和描述感性材料的常用方法之一。例如：低年级对石头、土壤、水的观察；高年级对实验现象的观察；对月相变化的观察；对动植物季节变化的观察。初中阶段用显微镜观察细胞，观察化学反应、观察物理现象、观察生物的结构等。

比较法是通过对两个或两个以上的事物进行比较，从而找出异同点的思维方法。例如：探究不同液体的流速快慢；探究阳光下影子长短的变化；用量杯测量液体的体积；搅拌能否加快溶解；比较深色和浅色吸热能力；测量摩擦力的大小等。

平衡法是利用物理学和化学中平衡状态的概念及原理分析解决问题的方法。许多测量仪器就是依据平衡的原理设计的，如天平的设计原理是杠杆平衡，弹簧秤的设计原理是拉力与重力的平衡，密度计的设计原理是浮力与重力的平衡，压强计的设计原理是液体传递压强两侧压强平衡。另外，摩擦力的测量也是依据摩擦力与拉力二力平衡的原理测出来的。

转换法是将一些不易观察的现象或不易测量的量，通过转化的方法使之容易被观察或测量。例如：将不规则物体体积测量转化为液体的体积进行测量，吸盘的实验证明大气压的存在，雾的出现证明空气中有水蒸气，影子的形成证明光的直线传播，蜡油融化显示热传递，磁铁吸大头针数量多少表示磁性强弱，液体中加木屑观察对流现象，高锰酸钾在水中溶解扩散现象，探究一粒花生米的能量等。

放大法是指将不易直接观察或测定的微小量，通过某种方法进行放大，再进行观察或测量的方法。常用的有累积放大法、机械放大法、电学放大法、光学放大法、形变放大法等。例如：运用累积放大法测量细导线的直径、测量一张纸的厚度；天平上的指针运用了机械放大法使观察更明显；听筒利用了共振放大法声音更清楚；显微镜、放大镜、望远镜、光杠杆运用的是光学放大法；各种传感器运用的是电学放大法；音叉振动能够激起水花运用了形变放大法。这些方法使实验观察和测量变得更加容易。

模拟法是借助于与原型相似的物质模型或抽象模型，间接地研究原型的性质和规律的方法，也是培养学生模型构建能力的过程。例如：小学科学课中模拟昼夜形成；模拟地球的自转和公转；模拟地球转动方向和地轴倾斜程度；模拟地震和火山喷发；模拟降雨的过程；模拟制作月球环形山。初中生物课模拟心脏泵血的过程；模拟呼吸过程。初中物理利用水流模拟演示光纤原理；模拟制作飞船对接装置。

此外还有替代法、解剖法、类比法等实验方法。在具体的科学实验中，有时候会用到多种实验基本方法和多种操作方法，从而全面揭示事物的本质和规律。

三、落实科学实验内容是小初科学实验教学衔接的根本

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）明确列出了义务教育阶段学生必做的探究实践活动，有效解决了科学实验教学活动内容不明确、科学实验不被重视的问题。探究实践活动包括学生在学习过程中进行的观察、实验、记录、测量、制作、调查等，既是科学课程的基本要求，也是开展实验教学的基本内容。

（一）小初学生必做的探究实践活动分析

新课标中学生必做的探究实践活动共有126个，其中1～2年级13个、3～4年级31个、5～6年级34个、7～9年级48个，这些探究实践活动具有连续性和进阶性，是小学和初中学生都必须做的探究实践活动，是小初实验教学衔接的根本依据。5～6年级是与初中最近的学段，下面以此学段的探究实践活动为例进行分析。

5～6年级学生必做的探究实践活动不同领域内容的比较分析表明，侧重于物质科学领域的探究实践活动有21个，直接与初中物理学科的“物态变化”“运动和力”“光现象”“热和能”“简单机械”“电与磁”相关章节相衔接，与初中化学变化的章节相衔接。侧重于生命科学领域的探究实践活动有4个，直接与初中生物学“细胞是生命活动基本单位”“生物圈的绿色植物”“生态系统”相关章节相衔接。侧重于地球与宇宙科学领域的探究实践活动有8个，直接与初中地理“地球和地图”“天气和气候”章节相衔接。侧重于技术与工程领域的探究实践活动有1个，利用科学原理进行简单的设计制作，对初中阶段实验设计和制作也具有普遍的衔接作用。

5～6年级学生必做的探究实践活动不同活动类型的比较分析表明，探究实践活动的基本类型主要包括：观察与测量活动、实验与探究活动、科技制作活动、调查与体验活动、项目研究活动、科普剧活动等。下面着重对观察与测量活动、实验与探究活动、科技制作活动进行举例说明。

观察是科学研究中最基础、最重要的方法；测量就是精确观察、定量观察。测量和观察一样，都是科学研究的基础。5～6年级观察与测量活动有：观察光通过三棱镜的色散现象、观察光的反射现象、观察三种热传递现象、观察绿叶会制造养分、用显微镜观察不同生物的细胞、观察生活中能量的各种形式、观察记录月相的变化、观察天空中主要的亮星和星座、观察不同种类的岩石、使用弹簧测力计测量力的大小。

实验与探究活动就是常态的科学实验，科学实验是科学观察的一种独特形式，是人为控制条件下进行的观察。科学实验与科学观察、科学测量一样，都是收集科学事实、获得感性材料的基本方法，同时也是验证科学假说、形成科学理论的实践基础。5～6年级实验与探究活动有：力学（拉力、摩擦力、弹力、浮力）实验、光学（直线传播、反射现象、色散现象）实验、简单机械（杠杆、轮轴、斜面、滑轮）实验、热学（传导、对流、辐射）实验、蒸发与凝结实验、探究植物生长因素实验、能量转化实验、产生新物质变化实验、模拟宇宙现象实验等。

科技制作活动是指运用科学原理制作出作品的活动，是以培养学生动手能力、思维能力、创新能力为目的的发明创作。5～6年级的科技制作类探究实践活动有：制作潜望镜、制作走马灯、制作模拟生态系统、制作简易太阳系模型，属于模仿型制作。如制作保温盒、制作降落伞、制作空气动力小车、制作简单日晷，属于创造型制作。

（二）小初科学实验教学衔接案例简析

新课标的课程理念明确提出：“科学安排进阶，形成有序结构。基于学生的认知水平和知识经验，科学安排学习进阶。一是学习内容由浅入深，由表及里，由易到难，二是学习活动从简单到综合。将学习内容和学习活动有机整合，规划适合不同学段的、螺旋上升的课程目标和课程内容，设计适合不同学段的探究和实践活动，形成有序递进的课程结构。”进阶设计的课程结构为小初实验教学衔接提供了具体的内容。

例如，在物质科学领域，小学5～6年级“水蒸发和水蒸气凝结”实验，直接与初中物理“物质的三态变化”章节衔接。在小学阶段，关于水的三态变化，教学内容充分考虑了学生的年龄特点，低年段的学生感受到液态的水，到了中高年段，学生感受到冰和汽化现象，难度逐渐提高，变化的条件也着眼于温度这一因素。在实验过程中，教师引导学生掌握温度计等实验器材的使用方法，以及基本的实验探究方法。到了初中，水的三态变化安排在八年级物理教材的一个章节中。融化与凝固、汽化和液化、升华和凝华，对这些变化进行了严格的定义，并全面认识这些变化的条件，揭示了变化过程中能量转移的规律，研究对象也扩展到水以外的晶体，并能够运用物质粒子模型简要解释物质的三态变化。可以看出，从小学到初中，三态变化是从现象条件到能量迁移转化，再到描述解释，逐渐系统化、理性化，是层层递进、螺旋上升的过程。再如，蜡烛燃烧、铁钉生锈，产生新物质的实验，直接衔接了初中化学的内容，到了初中阶段进一步学习燃烧的条件、产物以及应用，实现学习内容的衔接和递进。

例如，在生命科学领域，光合作用是重要的学习内容，关于光合作用的实验探究，在小学阶段也是不断递进的，小学低年段学生认识到植物的生长需要水，小学中年段通过人的呼吸需要氧气从而理解绿色植物能够放出氧气，小学高年段通过生态系统物质和能量的来源领会到光合作用可以产生有机物并加以实验验证，于是在五六年级就有了“观察绿叶会制造养分”探究实践活动。那么，到了初中阶段，通过实验“探究在光照下合成淀粉，检验植物在光照下产生氧气”，运用实验验证法实现了光合作用从感性认识到理性认识的升华。

例如，在地球与宇宙科学领域，小学阶段“模拟地球自转与公转、观察记录月相的变化、制作简易的太阳系模型”“模拟降雨的形成过程、观察不同种岩石的特征、模擬地震和火山喷发”这些内容都为初中地理的“地球与地图”内容学习奠定了基础。再如，小学科学中“地球上的水资源”，与初中阶段“保护水资源”的教学内容直接相衔接，只是在内容和程度上有了进一步拓展和递进。

总之，做好小初科学实验教学衔接，需要教师准确把握课程标准，明确实验教学的内容和方法。同时，也需要学校积极创造实验教学的条件保障，加强和改进实验教学，建立小初实验教学有效衔接的工作机制。在具体的教学过程中，不能用课件演示取代学生动手实验，不能用观看视频替代实验教学，不能用教师演示代替学生分组实验。让每个学生都能有效参与到实验活动中，尽量避免教师讲实验、学生听实验的做法，扎实上好每一节科学课，努力做到“教学中要强化学生实践操作、情境体验、探索求知、亲身感悟和创新创造，着力提升学生的观察能力、动手实践能力、创造性思维能力和团队合作能力，培育学生的兴趣爱好、创新精神、科学素养和意志品质”。

（责任编辑：杨强）