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1、优化初中科学实验活动的案例研究 新课改指出发展学生的科学素养离不开科学的的学习过程。科学实验活动是进行科学探究的基本手段。如何有效通过科学实验活动促进学生科学素养提升，本文拟从真实的案例入手，指出当前实验活动中存在的一些问题，并提出相关优化策略。 实验选材；变量控制；实验生成 一、问题提出 科学实验活动是科学研究的灵魂，也是科学教学的重中之重。但笔者在多年的教学生涯中，发现现今科学实验教学中仍然存在一些重要问题。本文拟从几个真实的案例展示这些问题，并提出优化策略。 【案例1】鸡蛋在盐酸中的浮沉实验 浙教版九上P63页第二章第五节，讲述酸碱盐在一定条件下能发生相互转化时，活动如下 （1）将一只生
2、鸡蛋（或螺蛳壳）放到盛有稀盐酸的窗口中，如图1所示。观察实验现象 （2）2分钟后，将生鸡蛋从酸中取出，用水冲洗干净，蛋壳发生了什么?化？ （3）将鸡蛋继续放置在稀盐酸中，10分钟后取出，用水冲洗干净，蛋壳又发生了什么变化？。解释上述变化的原因。 这个活动比较典型地展现了当前课堂完成课本活动存在的一些问题。如 1.浮于表面，以讲代践 蛋壳的主成份是碳酸钙，在八下我们采用盐酸和碳酸钙反应制取二氧化碳，所以这个实验容易被许多老师所忽略。其实它所要观察的不仅仅是产生二氧化碳，还可以看到鸡蛋在有规律地做上下沉浮运动。由于蛋壳和盐酸反应生成二氧化碳，气泡聚集在鸡蛋周围，使浮力大于重力，从而鸡蛋上升；到了液
3、面顶部后，气泡破裂，浮力小于重力，鸡蛋下沉。 对此，许多老师采取的方法就是直接告之结果。事实上，不做不知道，一做就会发现，这个实验并不是想象中的那么简单。同时，它也比较典型地揭示了以下问题 2.选材不当，设计失谨 真正进行实验的老师，大多数会看到一个非常“惊奇”的现象鸡蛋放入稀释过的盐酸里，立刻产生大量的气泡，鸡蛋立即向液面运动。实际上这个实验很少能够成功，鸡蛋基本上浮在液面顶部，不会下沉。如图2所示。 原因主要是盐酸浓度过大。我们平时化学实验所使用的“稀”盐酸的浓度，远远大于能够产生使鸡蛋“上下浮沉”现象的酸的浓度。同时，实验不仅对盐酸浓度有着极为苛刻的要求，还与鸡蛋的壳上膜有关。如图3，是
4、初次放入盐酸中鸡蛋实褪下的膜。去膜前后的鸡蛋差异也比较大（图4）。经查阅资料，知道鸡蛋壳上膜成分为糖蛋白，经酸溶液浸泡膨胀后其颜色变深（棕色），大量气泡被吸附在膨胀的薄膜和蛋壳之间。在上浮前与上浮过程中，虽然有少量气泡逸出，但吸附的大量气泡仍被薄膜锁定，故而实验结果很容易出现鸡蛋浮在酸面上不再下沉1。 故实验如果想要成功，需要反复调制盐酸浓度，还要去除鸡蛋上的那层膜。另外，实验成功的盐酸浓度并不是一层不变，与鸡蛋的新鲜程度也有关。故此，需要严守选材关，并在上课前反复预做实验。 3.现象误判，缺乏思辨 还是这个实验，调整了实验选材后继续实验，会看到鸡蛋上下浮沉现象。但细心的老师和学生会发现，有两
5、种浮沉情况一种相对速度较快，浮动幅度较小；一种相对速度较慢，但浮动幅度很大，可以实现从顶部到底部的完整运动。第一种现象容易出现，第二现象现象较难出现。那么，哪一种才是成功的现象呢？ 笔者认为，第一种不算成功。在相对较大的酸浓度下，产生气泡较多，浮力远大于重力，使其获得较快的向上速度。在上浮的过程中，动能转化为重力势能。这种现象应该是动能与势能的转化。缓慢地上浮与下沉，并且幅度较大的实验现象，才是真正的实验结果。 但由于这个实验很难成功，而第一种现象比较容易出现，故相信很多老师会把第一种实验现象当成了成功的实验现象。 有些实验的结果具有迷惑性，而且实验的预期和结果出现不同也是很普遍的现象。如何抽
6、丝剥茧抓住其中的科学本质，考验了老师的教学智慧。 二、优化策略 在长期的实验教学中，我们发现，实验设计不严谨，选材不准确，操作过程不规范，变量控制不到位等，都会造成实验预期与实验结果的偏差。当然，如果能够针对实验现实与实验预期的差异，进行深入挖掘，也会有一些意想不到的收获。故此，我们提出以下优化策略 1.严谨选材提高成功率 选择恰当的实验材料，对于实验成功的重要性不言而喻。如提出问题出的鸡蛋在酸液中的浮沉问题案例，已经比较好地说明了这个问题。 【案例2】小灯泡的电功率跟哪些因素有关 浙教版九上P112探究小灯泡的电功率跟哪些因素有关。如图5。实验现象应该是接在当灯泡两端电压相同时，通过的电流越
7、大，电功率越大，灯泡越亮。 控制电压相同，使用不同规格的小灯泡按书示电路图连接好后，全班6组实验，有2组得到了反结论！如图6所示。 这个结果令人发懵。是不是仪器是不是出了问题呢？经过检测，器材完好。电池电压足够。重复实验后还是出现了同样的现象。那么究竟是怎么一回事呢？最后发现这个现象与实验材料的选择有密切关系。只是简单地理解教材上灯泡的亮度由实际功率来决定并不严谨。 在排除了诸多电压表、电流表、电池等器材原因后，我们再次查看了小灯泡的规格6V 0.5A；3.8V 0.3A。分析发现第一个灯泡电阻12欧；第二个灯泡电阻约近13欧。故电压相同时，第一个灯泡电流较大，第二个灯泡电流较小是成立的。 问
8、题是灯泡的明暗程度却与电流大小相反。 我们大胆猜想是否与小灯泡的额定电压有关！ 原因分析额定电压是3.8v的小灯泡，在电压接近3.8V的时候，已经可以使其尽可能地将热能转化为光能。所以即使电流稍小，但灯仍是很亮。而额定电压是6V的小灯泡，由于实际电压距离6V的电压较远，不足以使其接近正常工作状态，即使电流稍大，但不足以达到灯丝明亮发光的状态。所以依然较暗。 故此，我们推测当电压变大，接近6伏小灯泡的额定电压时，小灯泡的明暗程度将随电流大小变化。随后，我们进行了图7的实验。数据如表1所示。 表1中的数据验证了我们的推论。故此，我们可知，由于灯泡的额定电压不同，导致实验现象与预期结果出现较大偏差，
9、甚至让孩子们得到了反结论。可见选材的重要性！所幸我们通过更深层次的分析与挖掘，帮助孩子纠正了错误结论。但若是这个现象并没有引起老师们的重视，这个疑惑或许要伴随孩子们整个电学学习生涯了。 2.细化变量控制的可操作性 严谨的实验需要对其操作或者测量下操作性定义2，即科学的、可观察的、可测量的、可操作的、可重复的3。 变量控制是科学实验活动中必须严谨考虑的问题。但在实验过程中教师会提出要求，具体的设计和操作却往往失之粗糙，不够细致。例如在探究液体蒸发快慢与温度关系时，教师会强调“仅需要改变是温度，其它的量保持不?”。交待同学们可以各滴1滴酒精到玻璃板上，分别摊开，注意面积要接近相同。这样处理是课本上
10、的设计方式（如图8所示），也是大多数教师选择的方式，当然也可以。但和下面的设计相对比，变量控制的细致化程度就有了明显的区别 【案例3】影响液体蒸发快慢的因素实验设计中的变量控制 （1）液体表面积大小影响液体蒸发快慢。取图9所示玻片，固定好面积不同两个橡皮圈，同时滴进3滴液体，将其摊匀。记录两圈中液体蒸发速度。 （2）液体温度高低影响液体蒸发快慢。取图10所示两张玻片分别两个固定面积相同的橡皮圈。同时滴进3滴液体。将其摊匀。一张自然蒸发，一张通过酒精灯加热，观察并记录圈中液体的蒸发速度。 （3）液体表面空气流动速度影响液体蒸发快慢（设计同上）。如上设计简单却巧妙。变量控制的操作清晰明确，效果很好
11、。对变量控制的实验设计的细致化精确化程度，更加考较执教者的心思2。 3.挖掘实验生成深化思维 实验预设与结果不一致是非常普遍的现象，也是科学研究过程中不可避免的。造成这个现象的原因多种多样，除去器材损坏或不达标，测量数据不够精准，操作不够规范之外，更多可能是存在深层次的原因。能否抓住这些问题，引导学生进行深入挖掘，不仅体现了师生的科学态度，还体现了师生进行科学研究的素养和能力。如案例2通过对实验的再研究，实验再设计，就帮助学生扭转了错误实验现象带来的错误结论。当然，还有许多实验，也有非常有趣的生成性问题。 【案例4】液体沸腾需要达到沸点且吸热实验中的生成性问题 在研究水在沸腾时需要满足两个条件
12、到达沸点，继续吸热。为了让学生比较深刻地理解这两点，有如图11实验设计。为了促进学生人人动手，鼓励学生根据生活中的器材，自行改进实验。于是孩子们做了如图12的实验 奇妙的事情发生了。大锅里的水已长时间沸腾，温度维持在100，而学生们反馈，小碗中水有95，96等，却无论如何也到不了100。为什么类似的实验设计，换用火力更大的煤气灶，却反而不能成功呢？ 带着这个疑问，我们在课堂上严格按照左图进行了实验。结果显示，烧杯和试管中水都可以达到100，烧杯中水确实不沸腾。是什么原因导致了这个现象？大家一起对比两套装置，进行分析和交流。孩子们发现，小试管管口面积较小，而碗的开口面积则较大。当水温较高后，碗口
13、面积大导致蒸发失热多。大锅里沸腾为小碗提供的热量不足以使其升温到100，故此出现以上问题。通过对这个实验现象的深层次挖掘，让孩子对产热和散热有了直观的感受，对以后学习产热和散热平衡打下了基础，也有利于学生初步理解并感受物理和生物相关知识的整合。 水的沸腾实验也发生了有趣的现象。如图13为课本活动设计。但在学生实验过程中，有人反映，水只升到92就不升了。还有人加热到87就再也不升了。甚至还有人说，把烧开的水直接再放回到酒精灯上加热，加热一小时，水温居然保持在了91。 首先指出这个实验结果缘于操作不规范。观察烧杯口是否覆盖纸板。再继续引导结合案例4的结果，分析原因。相信经过了这个过程，学生对于沸腾
14、实验中加盖设计和不加盖设计的原理及结果应该有了深刻理解。 当然，还可以继续引导学生反思，实验不成功仅仅是加盖和不加盖的因素么？与酒精灯火力大小、容器敞口面积大小是不是都有关？放在煤气灶上，或者换用开口较小的试管烧水，能不能成功呢？ 通过对实验中生成性问题的挖掘，促进了学生主动对知识进行深层次加工，建立知识网，主动运用相关知识解决问题。还培养了学生根据实验现象分析本质的能力。这样的学习效果，比仅仅是从书本、老师处被动获得知识要深刻的多。 三、结语 综上所述，笔者认为，科学实验活动不仅仅要完成实验，还要完成高质量的实验。面对科学实验教学，教师们需要有一颗严谨、虔诚的心！每一次课堂实验都需要在课前预
15、做，及时发现问题。要注意实验中的选材问题。选材不慎，实验失败不说，还极有可能得到反结论，对学生形成负迁移。还要精心设计实验过程。实验结果是否会产生较大误差，变量控制的细节设计至关重要。 宋以后，京师所设小学馆和武学堂中的教师称谓皆称之为“教谕”。至元明清之县学一律循之不变。明朝入选翰林院的进士之师称“教习”。到清末，学堂兴起，各科教师仍沿用“教习”一称。其实“教谕”在明清时还有学官一意，即主管县一级的教育生员。而相应府和州掌管教育生员者则谓“教授”和“学正”。“教授”“学正”和“教谕”的副手一律称“训导”。于民间，特别是汉代以后，对于在“校”或“学”中传授经学者也称为“经师”。在一些特定的讲学
16、场合，比如书院、皇室，也称教师为“院长、西席、讲席”等。当然，有时再精心的实验设计也会出现问题，因为即使是科学家在进行科学研究的过程中，也无法完全控制实验预设与结果完全相同。总会有意想不到的问题出现。这些实验中的生成性问题其实是促进学生进行深入科学探究，全面培养学生科学素养很好的载体。笔者拟对此现象再进行深入研究。 1 徐良斌.鸡蛋在稀盐酸中沉浮实验的探究 J.化学教学，2018，（3）.4345. 2 陈志伟，陈秉初.中学科学教学论. 北京，科学，2018，p.161-165. 一般说来，“教师”概念之形成经历了十分漫长的历史。杨士勋（唐初学者，四门博士）春秋谷梁传疏曰“师者教人以不及，故谓
17、师为师资也”。这儿的“师资”，其实就是先秦而后历代对教师的别称之一。韩非子也有云“今有不才之子师长教之弗为变”其“师长”当然也指教师。这儿的“师资”和“师长”可称为“教师”概念的雏形，但仍说不上是名副其实的“教师”，因为“教师”必须要有明确的传授知识的对象和本身明确的职责。3 朱宗秋.改进课本活动设计渗透科学本质教育J. 中学物理，2018，p.68-69. 这个工作可让学生分组负责收集整理,登在小黑板上,每周一换。要求学生抽空抄录并且阅读成诵。其目的在于扩大学生的知识面,引导学生关注社会,热爱生活,所以内容要尽量广泛一些,可以分为人生、价值、理想、学习、成长、责任、友谊、爱心、探索、环保等多方面。如此下去,除假期外,一年便可以积累40多则材料。如果学生的脑海里有了众多的鲜活生动的材料,写起文章来还用乱翻参考书吗?（浙江省杭州市文海实验学校 310018）