1、小学科学实验教学小学科学实验教学河北省石家庄市教育科学研究所 李进起一、概述小学科学是一门培养学生科学素养的启蒙教育课程。科学实验是科学课教学的重要内容、重要方法及重要手段，是发展学生科学素养的主要途径。因此研究实验教学的方法和技能对提高科学课教学质量尤为重要。（一）实验的概念1.什么是实验。要研究实验教学，首先要弄清什么是实验。在日常教学中很多教师混淆实验与观察、实验与技术的概念，要么将观察或技术当成实验，要么将它们混为一谈。请你判断下面的活动哪些是实验。要准确判断哪些活动是实验，首先要掌握实验与观察和技术的区别。实验与观察的区别主要有两点：第一，观察不能改变对象的存在状态，实验可以控制改变
2、对象的存在状况（如“纯化” 、“重组” 、“模拟” ）；第二观察不能充分地证明事物的客观的必然性，实验则能证明客观的必然性。比如，学生用天文望远镜观察月食现象，只能观察到月食发生的时间和月相的圆缺变化，不能改变月食发生的时间和月相变化的快慢，也不能由此认识月食的成因。要认识月食的成因就要通过月食的模拟实验。实验与技术实践的区别主要也有两点：从目的上讲，实验是学生获取科学信息的一种方法。它解决是什么和为什么的问题，突出思维的发展过程；而技术实践是解决怎样做的问题，突出操作的程序。从过程上讲实验是将事物置于控制的或特定的条件下加以观测；技术实践是按照一定的规则、程序和技巧进行的操作活动。如，学生将
3、一干燥的团纸塞在杯底，垂直压入水中，并使水面没过杯底，再垂直提出来，学生会观察到纸团没有湿。纸团为什么没有湿呢？经过进一步的思考，学生会认识到是空气占据着杯子的空间造成的。该活动的目的是形成科学知识培养学生的科学思维能力。做陶泥条筐是一项技术实践活动，该活动是为了训练学生的陶艺技能，只要学生按照制作的方法进行认真的操作就可以。从目的和过程上，我们对实验、观察和技术有了一定的认识，那么究竟什么是科学实验呢？关于实验，目前还没有一个统一的概念。就科学课的实验而言，我们可以作如下描述：科学实验是人们根据研究的目的，利用科学仪器和设备，人为地控制或模拟自然现象(指自然科学实验)，排除干扰，突出主要因素
4、，在有利的条件下研究自然规律。小学科学实验有广义和狭义之分：广义实验包括提出问题、构想假说、实验设计、实验操作、分析数据、得出结论等环节。狭义实验只包括选择实验材料，组装实验模型和操作观察的环节。2.实验的类型。对实验作适当的分类，明确掌握各类实验的基本要求与教学规律，有利于提高实验教学的质量。实验可以按照不同的标准进行，比较重要的分类方法有以下几种。（1）根据实验中量与质的关系可以分为：定性实验（研究对象的性质）、定量实验（用来测定某个数值）、结构分析实验（定性又定量）。（2）根据实验手段与研究对象之间的关系可以分为：直接实验和间接实验。直接实验就是把实验手段直接加到研究对象上。间接实验又称
5、模拟试验，分为数学模拟、电脑模拟、物理模拟三种类型。物理模拟又分为模拟法和模形法。模拟法指先有原型，后有模型；模形法指先有模型，后有原型。（3）根据实验中自变量数量可以分为：单变量实验、双变量实验和多变量实验。（4）根据实验条件的控制情况可以分为：对比实验（设计2个以上的对照组）、模拟实验（设计与“原型”相似的“模型”）和析因试验。（5）根据实验中师生活动情况可以分为：演示实验、分组实验和独立实验。（6）根据实验的目的可以分为：验证性实验、探究性实验和发现性实验。3.什么是实验教学。以指导学生开展实验为主的教学就是实验教学。小学科学实验教学具有四个特点：一是非独立性，也就是小学实验教学没有独立
6、的教材、独立的课时和实验教师；二是开放性，实验教学的目标、材料、时间、空间等都是开放的；三是探究性，新课程理念强调“科学课程要以科学探究为核心”，实验教学是科学课程的一部分，因此它也应以科学探究为核心的；四是非严密性，基于小学生的知识基础和年龄特征，小学科学实验内容很多是基础的基础，甚至很多不是十分的科学。在实验教学过程中大量使用多媒体辅助教学的就是仿真实验教学。这种教学的好处是直观易懂，富有兴趣性,但不利于学生实验技能的培养。 （二）实验教学的地位和作用1.实验教学的地位。（1）科学实验是重要的科学课教学内容。自然科学是以实验为基础的科学，故科学实验是学生学习的重要内容。（2）科学实验是重要
7、的教学方法。教学方法有多种形式，如常用的教学方法有讲授法、演示法、实验法、讨论法、辅导练习法、参观法、多媒体教学法等。在科学课的教学方法中，演示法与实验法是非常重要的教学方法。实验法有直观明了的特点，有“千言万语说不清，一做实验便分明”的功效。 （3）科学实验是重要的教学手段。教学手段主要是指教师用以培养学生知识与能力的一切材料、工具、器材和设备。实验器材和设备显然是科学教学的重要手段。尽管目前发达的多媒体技术为模拟实验提供了条件，也取得了非常好的教学效果，但无论哪种手段都不能取代实验这一教学手段，这是由学科性质决定的。2.科学实验教学的作用。（1）激发学生的学习兴趣。兴趣是最好的老师，是成才
8、的催化剂。良好的学习兴趣是求知欲的源泉，是思维的动力。只有有了学习兴趣，才能谈得上学习的积极性、主动性和创造性。1科学实验可以激发学生直接兴趣。小学生的思维方式主要以形象思维为主。他们对新鲜事物有很强的好奇心，喜欢色彩鲜艳，生动活泼的事物，喜欢动手操作，喜欢游戏，喜欢提出各种各样的问题。只有满足儿童的需要，才能唤起儿童的兴趣。而实验具有真实、直观、形象、生动和有趣的特点，因此能深深吸引学生，容易激发学生的直接兴趣，并能充分满足学生好奇心的心理需要。2科学实验可以提高学生的间接兴趣。实验是一种有目的的操作行为，也是一种实践活动。在做实验之前，学生对实验结果往往有许多的猜测，学生为了探求实验的结果
9、，也会投入到并不十分有趣的甚至很枯燥的实验中。通过实验，学生不断体会到发现并克服困难、解决问题获得成功的喜悦，从而激发兴趣、增强信心、提高学习的欲望，进而转化为一种热爱科学的志趣。（2）加强学生科学方法的训练。我国科学教育专家刘默耕老师曾经说过，科学课就是要指导学生像科学家那样去体验科学的经历，在体验中形成基本的知识和技能。小学科学课中的实验尽管很简单，但很多实验都重现科学发展的过程，是学生在较短的时间内跨越历史的长河，在实验中，学生像科学家那样去观察实验中的现象，分析实验现象，进发现事物之间的联系和规律。因此，通过实验活动，能使学生获得科学研究方法的训练。（3）能够促进学生科学知识的掌握。第
10、一，科学实验为学生提供了感性认识的基础。理性认识是在感性认识的基础上建立起来的。要形成感性认识，就必须让学生感知各种科学现象。科学实验能为学生提供丰富的科学现象，学生经过对实验现象的分析、综合、归纳等思维加工，可以形成理性的科学知识。第二，科学实验能够促进学生对科学知识的记忆。脑科学研究表明：大脑皮层对事物的记忆，是神经细胞的连接。细胞受刺激后，长出树突，树突是细胞连接的“抓手”。初次受刺激的细胞，长出的树突很短，细胞之间的连接是不稳定的，过了一段时间，这个短树突就会缩回去，这个记忆细胞在大脑皮层上就会消失。经常的刺激，树状突会变粗，变成轴状突，然后“着床”于大脑皮层。不同情景刺激细胞而长出的
11、树突不仅长短不一样，连末端的微小形状也有区别。直观形象越丰富生动，树突越长，钩越明显。因此通过实验等操作性活动获取的信息，有利于学生记忆。第三，科学实验能够促进学生对科学知识的理解。我国古代有句名言叫做：“耳闻是亡，目睹为实，恭亲则明”。也就是“我听，我忘记；我看，我记得；我做，我理解”。它充分强调了做的重要性。社会建构主义教学的一个特征是学生有意识地接触具体的材料。如果学生积极参加具体形式的学习，会加深他们对知识的理解。戴尔经验圆椎体是美国教育家爱德加戴尔在教学中的视听方法一书中提出的一种描述人类感知经验分类层次的锥形示意图（见下图）。“经验圆锥体”具有以下要点：“经验锥形体”将人类通过各种
12、途径获得的经验按其抽象程度的不同分成：直接经验、模拟经验和高度抽象的经验三类。每类经验都包含某些活动的特征。塔的底部为直接的、有目的的、具体的经验，塔的顶部为抽象的经验，如文字、符号等。戴尔认为，教育要从直接经验入手，并逐步过渡到抽象思维。运用模拟经验有助于传授知识，但不能完全代替亲自动手的实践。每个人的经历都受时空限制。位于“塔”腰阶层的视听教学媒体能为学习者提供一种戴尔所谓的“替代经验”，有助于突破时空的限制，解决教学中具体经验和抽象经验的矛盾，弥补各种直接经验的不足。直接的、有目的的体验可以使信息量的90%形成知识；人为的体验（实验和角色扮演）可以使信息量的70%形成知识，由此可见，实验
13、教学能够有效地促进学生知识的形成。（3）能够培养学生多方面的科学探究能力。实验过程一般包括实验设计、实验操作、实验观察记录、实验数据（现象）分析与处理、得出结论等步骤。完成每个步骤，学生都必须具有一定的实验能力，同样每个实验步骤都可以培养学生相应的实验能力。实验设计，能培养学生的思维能力和创新能力；实验观察，能培养学生的观察能力；实验操作能培养学生的动手能力和解决问题的能力；实验数据（现象）分析与处理可以培养学生运用知识解决问题的能力；得出结论可以培养学生分析、综合、归纳、概括等逻辑思维能力。由此可见，科学实验能培养学生多方面的能力。（4）能够培养学生的科学态度与科学精神。认真的科学态度、严谨
14、的科学作风、不畏困难的科学精神，是一个公民从事各项工作所必须的优良素质。小学科学实验可以有效培养学生的这种优良品质。在实验过程中，要求学生忠于实验数据，尊重客观事实，不能有丝毫的弄虚作假的行为，使学生逐步养成严格实验操作规程的习惯，并树立实事求是的科学态度。实验过程往往不是一帆风顺的，要求学生善始善终，不怕挫折，使学生充分体验实验过程的艰辛和成功的喜悦。此外实验教学还有利于培养学生团结协作、勤俭节约、爱护环境等科学素质。二、科学实验的方法科学实验方法主要是指按照实验目的，利用实验仪器和设备，人为地控制研究对象，排除干扰，突出主要因素，突出科学实验现象、过程及其特征，研究科学问题所采用的一种科学
15、方法。它是一种非常重要的科学方法。（一）科学实验的基本方法。科学实验的基本方法主要有实验归纳法、实验验证法、控制变量法。1.实验归纳法。实验归纳法是一种由特殊到一般的研究方法，就是根据研究目的人为地控制条件，从大量的实验现象中寻找其普遍特征，进而概括出规律的方法。例如：声音是怎样产生的实验。2.实验验证法。实验验证法是一种推理、判断在前，实验验证在后的研究方法，即在已知的科学理论和实践的基础上，或是在出现于已知理论发生冲突的科学事实时，经过推理、假设和预言，并通过实验来检验其真理性，最后肯定或否定论断，从而得出可靠的结论。例如，沙洲是怎样形成的实验。3.控制变量法。控制变量法是当多个因素同时作
16、用、共同影响某一变量时，要分别独立地研究其中某一因素的影响，这时就要暂时保持其他因素不变，以便排除其他因素的干扰，更好地研究这一因素与研究量之间的关系，最后再综合分析，由归纳法得出规律。（二）科学实验的常用方法科学实验的常用方法主要有比较法、平衡法、转化法、放大法、替代法、模拟法、解剖法等。1.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。（如对比实验）（1）纵向比较 纵向比较是将同类事物在不同时刻的现象加以比较的方法。通过纵向比较，可以了解事物的发展与变化情况。如，“竿影长度与阳光照射关系”的 实验。（2）横向比较 横向比较是将不同类事物在同一时刻产生的现象加以比较
17、。通过横向比较，可以了解不同事物的共性与异性，或通过比较得出规律。如“铁生锈与什么有关”的实验。（3）测量比较 是一种定量的比较。是把待测量与已知测量或标准测量进行比较，这种比较通常要借助仪器或标准量具。（4）平衡法 平衡是指不同因素的作用相互抵消的效应。平衡法是利用平衡的原理来分析、解决问题的方法，也是在观察与测量中普遍应用的重要方法。（5）转化法 实验中人们常将一些不容易观察到的现象或不容易测量的量，通过转化的方法使之容易被观察或测量。这种方法就是转化法。（6）放大法 是指将不易直接观察或测量的微小量，通过某种方法进行放大再进行观察或测量的方法。主要分力学放大法、光学放大法、电学放大法等。
18、（7）替代法 用已知的标准量去替代未知的待测量，以保持状态和效果相同，从而推出待测量的方法叫做替代法。如，“曹冲称象”、“用不等臂天平测量物体的质量”。（8）模拟法 是借助于与原型相似的物质模型或反映原型本质的思想模型间接地研究客体原型的性质和规律。三、科学实验教学的本质与探究性实验（一）实验教学的产生及发展趋势实验教学是随着经济的发展而产生，随着教育的进步而发展的。在农业经济时代，原始的农业生产是刀耕火种，农业生产不需要什么先进技术，也不需要什么科学知识，学校培养的人，会认字，会写地契，会算地积，会算账也就可以了。教师以授受式方法教学 ，学生通过死记硬背来获取知识，因此不需要实验教学。在工业
19、经济时代，工业生产离不开机器和电器，使用机器和电器的人要有一定的技术。这就要求学校培养出来的人要有一定的科学知识和基本技能，学习方法也由死记硬背增加了实验内容。学生在教师的帮助下需要完成一定的实验内容。随着社会的进步，人类已步入21世纪后工业（知识经济）时代。什么样的人才能适应知识经济时代发展的需要呢？有学者认为，新世纪要求的人才起码应具备5 种能力，即自己动手获取知识的能力，因为以后的文盲已不是目不视丁的人，而是不会学习的；创造性思维的能力；解决实际问题的能力；实践能力；语言文字的表达能力。实验教学具有什么样的功能，才能满足后工业时代对人才培养的需要呢？（1）实验教学应以培养学生的创新精神和
20、实践能力为核心。我国是世界四大文明古国之一，璀璨的中华文明给人类进步产生了巨大影响，但中国近代科技水平落后了，中国经济技术落后的原因很多，但与一个民族的科学素养有直接关系。2005年7月29日，国务院总理温家宝在北京亲切看望我国杰出的科学家、航天科学的奠基人之一的钱学森先生。病榻上的钱学森坦诚建言：“现在中国没有完全发展起来，一个重要原因是没有一所大学能够按照培养科学技术发明创造人才的模式去办学，没有自己独特的创新的东西，老是冒不出杰出人才。这是很大的问题。” 我们的教育还有些缺陷。”温家宝坦率承认。 2009年10月7日上午，温家宝总理在北京市第35中学连续听了5节课，下午与教师座谈听课后的
21、感受时谈到：教育的根本任务是培养人才，特别是要培养德智体美全面发展的高素质人才。从国内外的比较看，中国培养的学生往往书本知识掌握得很好，但是实践能力和创造精神还比较缺乏。这应该引起我们深入的思考，也就是说我们在过去相当长的一段时间里比较重视认知教育和应试的教学方法，而相对忽视对学生独立思考和创造能力的培养。实验教学的实践性对培养学生的实践能力和创造精神有得天独厚的基础。（2）实验教学应体现科学课程标准的基本理念。小学科学课程的基本理念包括以下六点：科学课程要面向全体学生；学生是科学学习的主体；科学课程要以科学探究为核心；科学课程的内容要满足社会和学生双方面的需要；科学课程应具有开放性；科学课程
22、的评价应能促进科学素养的形成与发展。（3）实验教学应体现科学教材的特点。（4）实验教学应体现科学课教学的基本特征。（二）实验教学的本质新课程理念下的小学科学实验教学过程，是学生在教师的指导下，首先根据实验猜想设计实验方案，再根据实验方案选择实验材料并组装成实验模型；然后对实验模型施加一定的条件影响，使其产生某种实验现象；最后通过分析实验现象形成基本的科学结论。在这一过程中，学生是活动的主体，实验材料、实验模型是活动的客体，主体与客体之间的联系主要体现在三个方面：1人（学生）与物（材料、实验模型）的相互联系.。科学实验始于问题，实验问题就是学生还没有认识但又应该和需要进行认识的科学知识。实验问题
23、的提出，意味着学生对新知识的追求；实验问题的解决，需要付出艰苦的劳动，进行多次大胆而又细心的尝试和探索。科学实验的探索性，是人的主观能动性的高度表现。科学实验的探索过程体现着人与物相互影响和相互作用，这种联系体现在教学中，包括学生设计实验方案，选择、制作实验材料，分解组装实验模型；调控实验条件，观察记录、分析实验现象等活动。这些活动的开展需要实验方法和实验能力的支持，反过来这些活动的进行也有助于培养学生观察能力、实验能力、逻辑思维能力和创新思维能力。2.物与物之间的联系。实验现象是人与物联系的结果，实验现象的呈现一方面体现着人与物之间的联系，同时还体现了工具与材料，条件与模型之间的联系，即物与
24、物的联系。工具与材料之间的联系构成了实验模型，实验条件与实验模型的联系则呈现出了实验现象，这些联系体现着工具的意义和技术、技能的价值。3.人与人之间的联系。实验教学的主要目的是为了通过实验现象揭示自然事物或自然现象之间的联系而形成基本的科学知识。交流和评价在形成科学知识的过程中起着重要的作用。交流和评价是学生与学生，学生与教师相互联系的过程，即人与人之间的联系。人与人之间的联系可以培养学生乐于实验、与人合作、实事求是、追求真知以及尊重证据的情感、态度与价值观。综上所述，小学科学实验教学是人与物，物与物，人与人各要素之间相互依赖、相互制约、相互影响的整体。这些联系反映了小学科学实验教学的本质，从
25、这些联系中我们可以归纳出实验教学的目标，应包括三个方面，即实验知识与方法，实验技能与能力，实验情感态度与价值观。这三方面的内容可以统称为实验素养，因此实验教学目标就是培养学生的实验素养。实验素养的形成则是通过具体的实验教学活动来体现的。（三）探究性实验教学的特征1.什么是探究性实验我们要认识什么是探究性实验，首先要认识什么是探究和科学探究。按照牛津英语词典中的定义，探究是“求索知识或信息特别是求真的活动；是搜寻、研究、调查、检验的活动；是提问和质疑的活动。”其相应的中文翻译有“探问”“质疑”“调查”及“探究”等多种译法。辞海中将探究解释为“深入探讨，反复了研究”。科学探究是学生用以获取知识、领
26、悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。科学探究包括：提出问题-猜想与假设-制订计划-观察、实验、制作-搜集整理信息-思考与结论-表达与交流等七个环节。探究性实验是相对验证性实验而言的。探究性实验是指学生在不知道实验结果的前提下，在教师的启发性指导下，通过实验设计、实验操作、思考分析得出结论的实验形式。2.探究性实验、发现实验、模仿性实验和验证性实验的关系。发现性实验都是探究性实验，但探究性实验不一定都是发现性实验。验证性实验分验证实验结论或验证实验假设两个类型，前者为非探究性实验，后者探究性实验。模仿性实验分主动性模仿实验和被动性模仿实验，主动性模仿实验是在教师指
27、导下学生运用已有的知识和经验进行自主操作的活动过程，被动性模仿实验是在教师的指令下的操作活动。前者为探究性实验，后者为非探究性实验。演示实验有的是探究性实验，有的是非探究性实验。探究性实验、发现实验、模仿性实验和验证性实验的关系可以用下图表示（阴影部分为探究性实验，阴影之外的为非探究性实验）3.发现性实验和探究性实验的区别探究性实验包括验证性实验和发现性实验两种，其区别主要有以下几点：（1）实验的过程不同。 比如“种子的萌发与什么有关的实验”是验证性实验，其过程为 “问题假设设计实验实验观察分析现象得出结论”几个环节；而“磁铁性质的实验”是发现性实验，其过程为“问题实验观察分析现象得出结论”几
28、个环节。（2）实验的目的不同。验证性实验的目的是验证实验假设是否正确，而发现性实验是发现问题的结论。（3）学生的认知基础不同。学生对验证性实验的结果略知一、二，而对发现性实验的结果可能一无所知。（4）教师指导的重点不同。验证性实验重在指导学生对问题形成假设和设计实验，而发现性实验重在给学生提供有结构的材料及实验方法。4.探究性实验教学的特征。（1）多元化。 实验教学由单一的培养学生实验技能向培养学生的实验素养发展。实验素养包括实验探究能力，实验方法（知识），实验情感与态度。实验探究能包括提出研究的问题、作出实验假设、制定实验计划（选择实验材料、确认和控制变量、运用操作性定义、实验操作（组装实验
29、模型、控制实验条件）、收集和整理数据、得出实验结论等。（2）开放性。传统的实验教学方式是封闭的，教师为学生准备好实验材料，设计好实验方案，从而导致学生不能全面地了解整个实验过程。而探究性实验是以课程标准为依据，以教材为依托，不局限于教材、课时、场地，让学生参与实验的全过程，如设计实验方案、准备实验材料、组装实验模型，甚至走出教室在户外开展教学等。从知识、能力等多方面向外延伸或扩展，创设一些开放性的问题情境，拓展学生的视野和知识面，进而提高学生的综合素质和能力。实验内容的开放性。实验内容并不局限于教科书，而由学生从学习、生活中提出感兴趣的问题，并就问题进行探究。实验方案的开放性。由于学生的认知水
30、平不同，思考问题的角度也不同，所以设计的开放式的实验方案也不可能完全相同。有的设计的非常合理，有的设计的比较合理，有的设计的甚至是错误的，但每个学生都进行认真的思考，对过程与方法进行了体验。学生提出的方案越多，思考的角度就越广，思维也就越深刻。同时，学生经过交流与评价，相互启发，会碰撞出许多创造性思维的火花。实验时间的开放性。由于受课时的限制，许多实验在课堂教学中往往不能充分展开，因此，有必要将一些课内实验延伸到课外，将课时开放，使学生有充足的时间进行实验探究实验空间的开放性。刘默耕老师曾经活过：科学课的功夫在课外，将实验的场所转向生活和大自然。实验的活动形式可以多样化，既可以是探究活动，又可
31、以是一些小发明、小制作、小实验等活动。这使学生不断扩展对周围世界科学现象的体验，丰富他们的学习经历。（3）趣味性。美国心理学家布鲁纳指出：“学习最好的刺激乃是对所学学科的兴趣”。要让学生对实验教学感兴趣，应从三个方面入手，一是实验呈现的方式应多样化；二是实验内容要贴近学生的生活，尽量从学生的生活及周围环境中选取学生感兴趣的实验内容；三是实验更富趣味性。（4）探究性. 实验过程要体现科学探究的过程，即提出通过实验能够回答的问题，能对实验的结果进行预测，能设计或理解实验模型，能进行科学的实验操作，能分析实验数据（观察和测量的实验数据）。（5）创造性四、小学科学实验基本技能目前实验教学存在的问题很多
32、，归纳起来主要有这样几点：即盲目准备实验材料的多，关注材料价值的少；实验方法指导不到位的多，指导得当、得法的少；实验模型模仿的多，改进的少；实验猜想走过场的多，落到实效的少；设计实验教给的多，引导学生自主建构的少；由实验现象合理推出实验结论的少，直接得出实验结论的多；教学中牵得多，放的少；教师说的太多，学生活动时间少；活动热热闹闹的多，关注学生思维的少。要解决上述问题，除了进一步理解和贯彻新的教学理念之外，还必须要掌握一定的实验技能，以提高实验的效果。（一） 选择和准备实验材料技能按照实验要求或实验方案，准备、制作或选择实验材料，组装实验模型，既是运用已有知识、技能的过程，又是感知新知识的过程。在该过程中可以有效地培养学生的动手能力和运用知识解决实际问题的能力。不同的材料会组装成不同的模型，相同的材料也可以组
