优化初中科学实验活动的案例研究

摘要：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。

关键词：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，蛋壳发生了什么變化？

（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，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，其它的量保持不變”。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。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：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。

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。

参考文献：

[1] 徐良斌.鸡蛋在稀盐酸中沉浮实验的探究 [J].化学教学，2015，（3）.43～45.

[2] 陈志伟，陈秉初.中学科学教学论[M]. 北京，科学出版社，2012，p.161-165.

[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，2016，p.68-69.

（作者单位：浙江省杭州市文海实验学校 310018）