科学教学中培养学生实验设计能力的尝试论文
时间：2021-08-31摘要：本文结合笔者的教学实践论述了培养学生实验设计能力的一些体会。
关键词：科学教学；实验设计能力；培养
科学探究按七个要素来划分：“提出问题”、“猜想与假设”、“制定计划与设计实验”、“进行实验与收集证据”、“分析与论证”、“评估”、“交流与合作”。它是为了方便学生了解和学习，但实际的科学探究，特别是初中科学教学中的探究更多的则是涉及这七个要素的某个或某几个，以下是笔者平时培养学生实验设计能力教学的一点体会：
一、取材生活化来培养学生实验设计能力
实验教学活动要求开发灵活多样、多种形式的实验资源来支持学生随堂的实验探究和课外的动手实验。将身边随手可得的日常生活用品，包括玩具、学习用品等来代替仪器，创设宽松有趣的实验环境，消除学生的畏难情绪及对科学的神秘感，拉近科学与生活的距离，让学生深切地感受到科学的真实性，感受到科学和社会、科学和日常生活的关系。提高学习的兴趣和效率，培养学生的创新能力，从而培养学生的实验设计能力。
比如给每一位学生一个矿泉水瓶，让他们设计一些科学探究实验(越多越好)。学生四人一组边做边讨论。收集到的一些设计如下：
1.用手压瓶，瓶变形，说明力能改变物体的形状。
2.把它放在水平地面上，用力使它滚动，它会逐渐慢下来，直到停止，说明力能改变物体的运动状态(用空瓶做，然后用装满水的瓶做，你还能得出惯性和质量有关)。
3.装部分的水，放在水平桌面上，突然推它，水会向后方倾斜，这是由于水的惯性引起。
4.装满水，放在阳光下，做光的折射实验。
5.把瓶盖旋下来，放在烧杯的水面上，这是由于浮力引起的，说明浮力。
6.把瓶子中的水用力泼出去，水在空中能“飞行”说明水有惯性。
7.在瓶子中装适量的水，用瓶盖敲击烧杯；烧杯被敲响，同时水中有波浪；声音是由振动产生的。
8.在瓶子壁上从上到下顺次扎三个眼，在瓶中注满水；三个孔都有水柱涌出，最下面的最长，越往上越短；压强的'大小与水的深度有关。
学生的设计还有很多很多。这样一来学生感觉到科学实验的设计并不是高不可攀的，生活中处处有科学。
二、创设足够的科学情景培养学生实验设计能力
在学生充分感受和体验的基础上，或者是在引导学生复习已经学习过的知识的基础上，提出问题让学生进行猜想或设计实验。只有“让学生只需跳一跳就能摘下苹果”的教学过程，才能提高学生的兴趣，否则，学生就会产生畏难情绪。
在进行《平面镜成像特点》教学时，可以这样设计和实施教学过程的：观察平面镜的像——→利用反射规律作图做出平面镜的像(平面镜成像原理)——→提出问题(像与物有什么关系)——→学生猜想——→设计实验(利用平面镜)——→评估(利用平面镜不能完成实验)——→再设计实验(要利用平板玻璃)——→进行实验——→分析实验数据得出结论。
在进行《电动机》教学过程中，教学过程可以这样进行：提出问题(给学生发放小电动机，让其观察，提出问题)——→磁场对通电导线的作用(要学生利用桌上的实验器材让导线动起来)——→探究通电导线在磁场中的受力方向与什么因素有关——→通电线圈在磁场中的转动——→小结。教师与学生在探究完通电导线在磁场中的受力方向与磁场方向和电流方向的关系后，就说，通电导线在磁场中受力会运动，若用导线绕成线圈，置于磁场中，给它通电会怎样呢？然后演示通电线圈在磁场中的转动。从直导线到线圈是学生认识过程的一个飞跃，教师在教学过程中要循循渐进地进行引导(处于磁场中的直导线—→只能一个方向运动—→磁铁不能做得很大—→在有限的磁场区域内—→导线运动过去又运动回来——→线圈)。
在进行《组装电路》教学时，先复习上一节课学习最简单电路的基础上，再提出本节课要探究的问题。一、二组设计一个电路，要求是一个开关控制两个灯泡，把其中一个灯泡取下后，另一个灯泡熄灭；三、四组设计一个电路，要求是一个开关控制两个灯泡，把其中一个灯泡取下后，另一个灯泡不熄灭。
三、延迟评价培养学生实验设计能力
教学评价是教学的重要组成部分，对实验设计的及时、有效的评价可以是学生自评、学生互评、教师评定，特别是有计划地评价不同的组，发现并表扬能起示范作用的小组或个人，不仅有教育意义，而且对以后的探究活动的进行有良好的影响。
但是有时却要采用延迟评价。例如在学生进行各种实验设想的过程中，暂时不对设想进行评价，以便使参加讨论的人能在缓和自由的气氛中畅所欲言，相互启发。在有限的时间内提出数量众多的创造性设想。因为学生在设计实验时，特别是新颖独特的设计的过程是思维的过程。就像机器启动一样，从“静”到“动”是有一个过程，新颖独特的设计在这个思维中过程的后半段。在学生思维启动的过程中，教师过早评价，往往会成为思维展开的抑制因素。因此，教师在课堂上要有耐心，不要过早的表达，即延迟评价。在这种情况下，学生会有一种“安全感”、“自由感”，针对问题展开积极的思维活动和言语活动，既能启发他人，也受别人启发，营造一种智力激励环境。 例如：在讲了“摩擦力”后，要求学生谈谈“如何减少摩擦力？”一开始有的学生说：“把接触面磨光滑些。”有的说“在接触面加润滑油”……一位同学说：“在实际中还可以在物体上加上轮子”后，全班同学似乎陷入了沉默。几分钟后一位学生突然冒出一句“可以让上面的东西浮起来。”接下来的时间，学生还想到了磁悬浮列车的模型。最后，笔者对学生的这些想法给予了充分的肯定和积极的评价。但是，如果在学生讲了前面的想法后就过早地做出评价，后面这些具有创新意义的想法便很难出现。
四、展示和创新实验设计培养学生的实验设计能力
如在做“压缩气体，气体内能增加”的实验中，筒内易燃物产生明亮的火花给了学生鲜明深刻的印象。然而，实验研究的对象是什么？为什么筒内放易燃物？为什么要迅速压下活塞？这一系列的问题，在火花闪过之后学生脑子里仍不清楚，不明确，若教学中改变教材中一举成功的做法而是在实验时，筒内先不放易燃物压缩筒内空气，要求学生仔细观察空气的内能是否增加，这时学生就会感到困惑，空气内能增加与否看得见吗？此时自然引出实验设计的问题情景：怎样变“不可见”为“可见”？顺着这样的思路展开实验教学过程。由于实验是学生主动参与设计的，设计目的明确，学生无论是对实验所揭示的结论还是实验设计思想均能产生深刻的认识和理解。
如“冰和酒精混合演示分子间有间隙”的实验，按课本上用普通量筒来做实验，体积变化不明显，据此得出的结论是否可信呢？如此微小的体积变化，有没有可能是因液体从一个容器倒入另一个容器时，没有完全倒出(容器壁上吸附残留)所致？这些疑惑不解决，学生就不能确信实验的结论。理解的知识也是似是而非的。这时，教师要因势利导，让学生设计改进该实验，激发学生的创造性，也是一个极好的时机。
两种液体混合后液面下降越多，实验的可见度就越高，要提示实验的可观度由△h=△V/S得出，适当减小玻璃管的直径或增加混合的两种液体的量都能达到这个目的。当相应混合的两种液体的量一定时，减少玻璃管的直径就可以达到目的，但管径太细，则需增加管子长度，给实验带来不便。若保持玻璃管长度不变而减少玻璃管的直径，势必造成混合液体的量的减少，达不到增加可见度的目的。能否把两者统一起来？通过以上这些设计思想的展示和分析，有的同学设计了相应的实验装置，这种实验装置既不增加长度，又可容纳较多的液体，管子下部的体积越大，则混合后液面下降越多，效果越明显，此时学生的创新性得到了充分的发挥，这种锻炼和培养，能让学生受益终生。
五、设计多样化培养学生的实验设计能力
例如，在“做功和内能的改变”和“热传递和内能的改变，热量”两节的教学时，向学生发问：“我们可以用哪些方法使铁丝温度升高？想得越多越好。”学生经过开动脑筋提出了许多方法：放在火上烤，用太阳晒，放在开水里，用石头磨，用砂纸擦，用铁锤反复敲打，用钳子反复扭折等。在发散思维的基础上，总结出了改变内能的两种方法：做功和热传递。这种训练方法是：首先由教师提出要解决的问题和要求，然后让学生各自发挥聪明才智，探索各种合理的方法，设计各种可行的方案，最后殊途同归。
例如，在学习了伏安法测电阻的实验设计以后，要测量导体的电阻，若给你一组电池，一只电键，若干根导线，还需要哪些仪器？
解法1：电流表和电压表各一只。
解法2：2只电压表，一只定值电阻。
解法3：2只电流表，一只定值电阻。
解法4：一只电流表，一只电阻箱。
还有其他解法，仅从以上4种解法可以看到，这种处理方法对扩展学生视野、活跃学生思维、获得成功体验是很有益的。
以上这些方法的教学符合学生认识事物的规律，能激发学生的学习兴趣，有利学生的长远发展。因为教学注重了学生的经历和体验，充分调动了学生的思维活动，学生主动参与猜想与发散性实验设计过程，从而培养了学生的创新思维能力和实践能力。
参考文献：
[1]姜翠娟.在教学实践中培养学生生物学实验设计能力[J].科学教育，2005(6).
[2]张薇.培养初中学生的实验设计能力[J].宁夏教育，1992(9).
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