如何培养小学生的科学实验设计能力

1 / 13 如何培养小学生的科学实验设计能力 如何培养小学生的科学实验设计能力 这门课程共包括三大部分。第一部分是讲座部分，讲座的内容主要从理论与实践层面上解读实验设计与实验设计能力的培养；第二部分是研讨部分，研讨的核心是 “ 如何培养学生的实验设计能力 ” ；第三部分是为大家布置的作业，作业的内容为：每位学员编制一份指导学生设计实验的教学设计。 下面，我就围绕 “ 小学科学学科实验设计能力的培养 ”与大家交流。我在这一讲中重点讲解如下内容： 一、培养学生实验设计能力的意义 二、设计与实验 设计的内涵 三、科学课实验设计的基本样式 四、如何指导学生进行实验设计 一、培养学生实验设计能力的意义 我们都知道，做事情要有计划，所谓计划就是未来行动的方案，是为了实现某项目标和完成某项任务而事先做的安排和打算。有了计划，工作就有了明确的目标和具体的步骤，就可以协调大家的行动，增强工作的主动性，减少盲目性，使工作有条不紊地进行。同时，计划本身又是对工作进度和质量的考核标准，对大家有较强的约束和督促的作用。所以计划对工作既有指导作用，又有推动作用。 2 / 13 常识告诉 我们，工作的内容越是复杂，参与实施计划的行为主体和涉及的环节就越多，越需要计划。我国古代就有“ 凡事预则立，不预则废 ” 的思想，西方经济学家也阐明了这个道理： “ 虽然我们无法预见未来，但如果我们没有根据当时所得到的信息而制定的未来计划，我们就无法合理地行事 ” 。这一讲主要是讲实验设计的，实验设计本身就是计划，是实验的计划。因此，指导学生做好实验设计，并经过我们的扎实的培养，使之养成一定的实验设计能力，其重要性就不言而喻了。 实验设计能力不但重要，而且也是我国科学课程标准的要求。在科学 3-6 年级课程标准 中，对设计实验的要求是这样描述的：能提出进行探究活动的大致思路；能对自己或小组提出的探究问题作出书面计划。在新课标征求意见稿中，对实验设计也有如下总要求：需要经过尝试和预测设计研究方案。具体要求有三条： 1、能根据已有的经验和知识对已确定的研究问题提出预测； 2、能设计合理的观察研究方案； 3、能设计较规范的单变量实验方案。 综上所述，无论从实验设计本身来讲，还是课标要求，以及对学生未来科学素质的养成，培养学生实验设计能力都是非常重要的。 二、设计与实验设计的内涵 （一）什么是设计 3 / 13 在百科全书中，将设计定义为：把一种计划、规划、设想通过视觉的形式传达出来的活动过程。如何理解这句话呢？首先，设计是做事前进行的预先计划，因此我们可以把任何活动的计划技术和计划过程理解为设计；其次，设计不仅仅通过视觉的形式传达出来，还会通过听觉、嗅觉、触觉传达出来，营造一定的感官感受；第三，我想说的是对待设计应保持的一种态度，设计是预设，是设计者经验的结晶，是主观的产物，具有局限性，有时可能会有这样或那样的问题，因此对于实验的设计，在设计时力求完美，在实际操作的过程中，一定要有按实际情况修正设计方案 的意识。 （二）实验的内涵 实验是用来检验一个理论或证实一种假设而进行的一系列操作或活动。在科学研究中用来检验某种新的假说、假设、原理、理论或者验证某种已经存在的假说、假设、原理、理论而进行的明确、具体、可操作、有数据、有算法、有责任的技术操作行为。通常实验要预设 “ 实验目的 ” 、 “ 实验环境 ” ，进行 “ 实验操作 ” ，最终以 “ 实验报告 ” 的形式发表 “ 实验结果 ” 。 实验与试验是有区别的， “ 试验 ” 指的是在未知事物，或对别人已知的某种事物而在自己未知的时候，为了了解它的性能或者结果而进行的试探性 操作。试验大多带有盲目性，没有假说。科学课中，实验与试验都存在。 4 / 13 （三）什么是实验设计 实验设计是一种有计划的研究，包括一系列有意图性的对过程要素进行改变以及效果观测，并对这些结果进行统计分析，以便确定过程变异之间的关系，从而改变过程。实验设计是为了给研究者展示如何进行科学研究的概貌，试图解决研究的全过程。实验设计的内涵有广义和狭义之分。 广义的实验设计是科学研究的一般程序的知识，它包括从问题的提出、假说的形成、变量的选择等等一直到结果的分析、论文的写作等一系列的内容。 狭义的实验设计是实施实验处理的一个计划方案以及与计划方案有关的统计分析。狭义的实验设计着重解决的是从如何建立假说到作出结论这一段。 我今天讲的小学科学教学中的实验设计，也就是本文所探讨的实验设计，属于狭义的实验设计的范畴。 （四）科学课教学的目的 科学课教学的目的是使学生发生变化，那么在科学教学中培养学生实验设计能力时我们该关注哪些事情呢？概括的讲：关注在既定问题下，如何使学生做出有效的假想；关注在一定的假想前提下，如何以实证的方式，对假想进行解释。具体的讲： 1.建立与研究 问题有关的假说； 2.确定实验中使用的自变量和必须控制的多余条件 (额外变量 )； 3.确定实验中需要的实验数量及被试抽样的总体； 4.确定将实验条5 / 13 件分配给被试的方法； 5.确定实验中每个被试样本要记载的测量 (因变量 )和使用的统计分析。 三、小学科学课中实验设计的样式 为什么要讲这个问题呢？要指导学生进行实验设计，教师必须能进行相应的实验设计，这里我为大家提供一个样本，供大家参考。这份实验设计方案研究的问题出自科学传统内容简单机械中的斜面。 实验设计方案 研究的问题 * 使用 斜面（木板）将油桶滚上卡车省力吗？ *对小学生来讲，问题必须是真实情景的问题，问题必须要小、有针对性，这也是实验目的性的表现。 猜想与假设 * 使用斜面将油桶滚上卡车可能省力。 *大多数学生能做出这样的假设。 实验目的 * 学会用模拟实验收集证据，证明假设成立与否。 *为什么将实验目的放在假设之后？主要原因在于，这个实验设计是要检验学生假设是否合理。 6 / 13 实验要求 模拟油桶沿斜面滚动到一定高度的过程中是否省力。 *研究斜面是否省力，必须看物体在斜面上运动的状态，即平动还是滚动，状态不同，设计的实验方法不一定相同，这里这个问题必须引起大家的重视。 实验材料与用具 * 斜面、台阶、测力计、能够在拉动的情况下滚动的小滚筒、记录单 变量控制 * 相同条件：斜面、台阶、测力计、能够在拉动的情况下滚动的小滚筒。 变量（不同条件）：提升物体的方式（不借助斜面、借助斜面）。 补充说明 为了便于从收据中分析出不同高度的斜面省力情况不同，在教学过程中，同组斜面高度相同，各个实验小组的斜面高度都有较明显的差别 。因此，对于同一个组，斜面高度不变，是相同条件，对于全班，斜面高度是不同的，是变量。 7 / 13 实验结果的预测 * 如果沿斜面拉动滚筒所用的力小于直接提取滚筒的力，那么，使用斜面省力；反之，费力；相同，不省力也不费力。 实验过程 一、实验步骤： 1、用测力计直接提取滚筒到台阶，在提拉过程中收取记录所用力。 2、用测力计沿斜面拉动小桶到台阶，在拉动过程中收取记录所用的力，重复做三次。 二、实验记录单 实验类别 第一次 第二次 第三次 平均数 直接提取小桶 沿斜面提取小桶 8 / 13 实验结果 四、如何指导学生进行实验设计 （一）基于你任教的教材。据我了解，我们大多数科学教师，无论从专业理论还是必备的一些经验，都还没有达到自行开发课程资源的水平，而且自行开发需要许多的时间和精力。如果将教师的时间和精力都放在理解课标和教材上，从教材中挖掘探究的问题，并以此指导学生设计实验，相信会使师生都受益，且事半功倍。 （二）在小学，无论低年级、中年级还是高年级，都需要培养学生的实验设计能力，而且学生的实验设计能力的培养都离不开教师的有效指导。 （三）低年级在指导上应以简单为主，以此为基础并逐步复杂。 9 / 13 我举一个例子，这个例子是 “ 做中学 ” 模块中的，课题是能被磁铁吸引的固体。 实验设计方案 背景介绍 能被磁铁吸引的固体选自 “ 做中学 ” 模块中的固体和液体模块，该模块目的是通过一系列活动，认识固体和液体的一些属性，进而建构固体和液体的概念。该模块是 1 年级的实验内容。 研究的问题 * 这些物体（挂钩、黄色乒乓球、铜钥匙、铁钥匙、粉色 “ 宝石 ” 、铅笔、白色海绵球、粉色橡皮球、蓝色玻璃球 、白色塑料勺、粉笔、竹夹）哪个能被磁铁吸引？ 猜想与假设 * 通过贴图的活动进行：将相应图片贴在相应的位置。 主要目的：了解学生的经验，告诉学生一个道理，做事前先想一想。初步建立实验前先设计的观念。 实验目的 * （略） 10 / 13 实验要求 要想知道能不能备磁铁吸引，我们要试一试。 实验材料与用具 * 磁铁、 12 种固体、记录单等。 实验过程 逐一试验并记录，实验完成后对比。在教师指导下观察。 实验记录单（预测与实验记录单相同） 这个固体能被磁铁吸引吗？ 能 不能 实验结果 11 / 13 从低年级开始，我们就要告诉学生，做事（实验）前，先想一想如何做、怎样做更合理（科学）。想的过程就是实验设计的过程。 （四）教师的指导应从示范、半独立、独立这样的次序进行。所谓示范就是作出某种可供大家学习的典范。教师示范实验设计，重在如何去想，要避免教师准备好实验物品，让学生做的现象。例如空气占据空间实验的设计，这个实验的目的是证明空气是不是占据空间。研究这个问题的关键点是 “ 占据 ” 的含义， 不能只理解到在一个地方占着，而应理解到不但占着，而且如果不离开，其它物体就不能进来。对于固体、液体学生好理解占据空间，但是对于空气，学生理解起来，或者要证明空气占据空间就困难了。根据许多教师的经验，有相当部分的学生对此模糊。期望学生自己设计实验证明就更困难了。要引导学生这样去设计：要证明空气是否占据空间，必须创造一个封闭的空间，还必须能够让大家理解确实占据空间了。最后逐步出示杯子底部塞纸的实验设计。 实验设计方案 实验目的 用实证的方法证明空气占据空间。 12 / 13 研究的问题 * 空气占据 空间吗？ 猜想与假设 * 占据、不占据、说不好。 实验材料与用具 * 水槽、水、玻璃杯、纸。 实验结果的预测 * 在杯内底塞一团纸，竖直扣入装入水（水的深度应不低于水杯的高度）的水槽内，如果纸湿了，说明空气不占据空间，如果纸没湿，说明空气占据空间。（预测是思维过程，应加强对实验结果预测的指导） 实验过程 实验步骤： 1.在杯内底塞一团纸。 2.将塞纸团的杯子竖直扣入装水的水槽内。 3.一段时间后，直立取出杯子，观察纸团。 13 / 13 二、实验 记录 实验结果 （五）教师的指导应有针对性，重点指导学生需要指导的部分。比如斜面教学中既可用测力计测量，也