巧设课程、循序渐进地培养初中生的实验设计能力

◎万春红

实验设计能力是指在科学实验中，学生能根据实验目的和要求，选择恰当的实验器材、方法，灵活运用生物学知识和技能，设计可行的实验方案的能力［1］。新课程改革至今，教师为了落实新课程理念，进行了大量的研究。但很少有教师去研究如何培养初中生的实验设计能力，而初中正是青春期大脑思维和行为习惯养成的关键期，故本研究选取刚接触实验探究的七年级学生，以本学年中的4个探究实验为例，展示四种不同深度的实验教学模式，从启蒙－发展－内化－外化逐步培养学生的实验设计能力。此外，根据相关学者对实验设计能力结构的研究［2］以及瑞士心理学家皮亚杰的儿童实验［3］，本研究以实验设计的基本原则（科学性原则、单一变量原则、对照原则和重复实验原则）作为能力掌握的考核指标。

一、探究启蒙，了解学生的认知基础—《非生物因素对某种动物的影响》

本阶段以初中阶段第一个探究实验为例，先了解学生的思维水平，如下：

通过对所教6个班级的设计方案进行分析：1）科学性原则：方案设计思路基本正确，但不够详细，少数方案的操作性不强，比如水温对金鱼繁殖速度的影响，研究周期太长。1／10学生出现常识问题，如将鱼从水中取出再测呼吸频率。2）单一变量原则：因为此课题较简单，未出现明显问题。3）对照原则：95%以上的学生都能考虑到设置不同温度。4）重复实验原则：约9／10学生每组只用1条金鱼，忽略了重复实验原则。5）其他：学生对实验方案的规范性和全面性不熟练，多数处于文字描述，缺乏图文并茂和结果记录表的设计等等。

二、探究发展，初步体验探究过程—《种子萌发的环境条件》

本阶段选择易于理解又能在课外完成的生活题材，由理论认识走向实践，如下：

本阶段是学生第一次按照探究实验的规范步骤进行实验，故存在问题：1）单一变量原则：每班不足5%的学生提及“等量”“其他因素相同”等词汇。2）科学性原则：约20%学生未能规范表述“问题”和“假设”；半数以上学生结果记录不完整。同时也取得进步：1）重复性原则：所有学生都用了多粒种子实验。2）对照原则：研究一种环境因素的学生都能设置对照实验，近1／4的学生研究多种因素的影响，且多重对照设置正确。3）科学性原则：10%学生会用符号标记，20%学生图文并茂，大多数绘制了结果记录表。4）其他：后期课堂分享时，学生敢于分享并且说出自己实验出现的问题和疑惑，其他小组会一起质疑和分析。

三、探究内化，开始走进实验室—《二氧化碳是光合作用必需的原料吗？》

本阶段的课题相对陌生，因此，需教师引导学生对实验原理和实验材料进行理解，如下：

由实验方案可知学生已能流畅的设计一份简单的实验方案，但因初次接触复杂的专业实验，故：1）重复实验原则：近一半的学生每组只用一片叶子。2）对照原则：约90%的学生想到一组加氢氧化钠溶液，一组不加，但是未能想到加等量清水。3）科学性原则：35%的学生忘记饥饿处理，16%学生直接加碘液没用酒精脱色；10%学生选用在玻璃罩中放蜡烛或者老鼠制造二氧化碳，忽略了耗氧的干扰。

四、探究外化，从理论走向实践—《馒头在口腔中的变化》

本阶段学生自主设计实验，改善方案，操作实验和结果分析。具体如下：

因本节课借助了智能教学，加上学生对实验设计更加熟悉，故进步较大：1）对照原则：每一个小组都能考虑到设置对照。2）单一变量原则：因有前车之鉴，此次有80%的学生考虑到唾液和清水的设置；但因学生第一次接触多个变量，故有近3／5的学生未能设计出科学的方案。3）重复实验原则：因课时和器材有限，在报告单中未要求重复，但仍有几组考虑到重复实验。4）其他：考虑到初中生的思维及性格特点以及初中生物的课时紧张等问题，故实验中教师选择提供实验器具，先统一方案，再进行实验。

总结：探究性实验是指实验者自主探索、分析、研究得出结论，从而形成科学概念的一种认知活动，这对实验者的科学思维和操作技能等都具有很高的要求。而七年级是中学生科学探究的启蒙阶段，故不能拔苗助长，应遵循中学生特有的认知特点，循序渐进的开展实验。本研究经过一个学年的探索，选取其中四个实验作为研究节点。第一阶段启蒙探究，重在了解学生的零基础水平和存在的问题；第二阶段发展探究，选择学生亲切熟悉的生活题材，进行容易理解和操作简单的探究实验；第三阶段内化探究，将之前所学应用于专业而规范的生物实验；第四阶段外化探究，学生真正走进实验室，自主设计与操作，将所掌握的理论知识应用于实验室。每一次实验都有明确的培养目标，教师都会给每一份方案作出详细的批改，让每一位学生得到最真切最有效的进步，力求结构完整和效果最大化。最后，学生基本掌握了科学实验设计的重复实验原则、对照原则，由于思维还不够严谨，故对单一变量原则，尤其是多个变量实验的设置，还不够稳定，需要往后进一步的锻炼。希望在今后的教学中，能有更多的感悟和突破，教学研究未止，科学探究之路亦无止境。