改进课本活动设计 渗透科学本质教育
朱宗秋
1问题提出
每一个科学老师都必须思考一个问题：什么是“科学本质”.随着课改深入，越来越多的问题暴露在课堂中：以讲代学，不重视实验活动设计，照本宣科实验过程;用验证性实验代替探究性实验设计等.隐藏在这些现象背后更深层次的问题是教师并未理解科学本质，甚至把一些违背科学思维方式的东西推举为精彩、成功的科学课.事实上科学知识容易掌握，而掌握科学思维方法，理解科学性质，比知识的传授与掌握，要困难的多.纵观如今的科学教学，依然存在以下问题：
1.1重视实验器材及具体方法改进，忽视实验设计整体把握
很多围绕实验展开的课堂改进都是强调对实验器材的改进，增加实验的演示清晰度等，如我们见过的许多以实验为主题的教改论文.而对于实验设计的整体设计，例如实验中体现的科学逻辑，从假设到假说再到科学理论所需要的递进实验设计等重视不足.
1.2实验过程缺乏严谨，科学性体现不够
科学教师都知道，严谨的科学实验必须控制变量.中小学一般采取单因子控制方法.教师不仅要帮助学生具有控制变量的意识，还要帮助学生具有控制变量的能力.但在许多实际的教学中，往往流于空洞的语言描述，并没有真正引起师生的关注.再如，实验必须通过观察得到结果，而观察具有易错性，重复实验非常有必要.课堂中，许多教师往往目标单一，即进行验证性实验，获得实验结果.为了节约时间，提高所谓课堂“效率”，忽视重复实验.这实际上严重削弱了实验的科学性.而取消了重复设计的实验，往往也是不完整的实验设计.
1.3实验目标功利，未能充分体现实验教学价值
许多教师的实验教学目的，仅是要求学生学会使用仪器，掌握仪器的操作技能;再有用它来验证已学过的知识;或者通过一次两次的简单实验，便要求学生推导出更多具有普遍意义的科学结论，并由此作为契机，要求学生掌握该知识点，通过大量练习，对该知识点进行强化和应用.这体现的仍是以应试为目的科学教学观.实验活动的重要目的应是使学生学会和掌握实验的方法和思想.它应该是引导学生掌握科学认识过程，进行科学方法教育的重要手段和途径.
2优化策略
在提出优化策略之前，我们先要了解什么是科学性质.最早对此进行研究的是培根.他认为“科学就是推理加经验”，一旦被确定的科学知识就是绝对的真理.但后来的研究者并不认同这一点.美国实用主义哲学家教育家杜威认为，科学本质是探究过程或科学推理的方法.科学教育家施瓦布也拒绝传统科学教学中的内容崇拜，认为它将导致“浮夸的结论”，给学生强加了一种科学是“不折不扣与不可更改的真理的虚假印象”.现代科学哲学观则认为科学的过程是证伪的过程，是在寻找错误的过程中不断逼近真理的过程，而不能达到真理.科学知识在本质上是一种猜想的知识，它是大胆的假设.
综上所述，探究和推理是科学的核心.科学课堂最重要的是引导学生掌握科学的方法，严密的探究与推理过程，而决非是对已有知识的崇拜.
笔者针对当前科学课堂现状，提出了以下优化策略.
2.1明晰假设、假说和科学理论的区别和过程
假设和假说是不同的概念.但许多人并未真正理清两者的关系.假设是科学假说的萌芽，是对所研究的客观事物的本质和规律提出的一种初步的设想，并没有得到进一步的升华和完善;而科学假说则是假设的验证结果，已经升华为理论形式了.虽有著作把它们解释的近乎通义，但从哲学认识论和科学方法论的视角来看，两者还是有较明显的区别.一般而言，科学理论的建立需要经历以下转化过程：
案例1水电解的实验设计
思考：水循环是化学还是物理变化？
猜想：水电解可能是化学还是物理变化.
假设：水电解是化学变化.
第一次电解水实验：
（1）学生观察并记录.
（2）进一步实验：用带火星的木条靠近正极所在的玻璃管.观察.点燃负极所在玻璃管的气体，观察.
（3）整理实验现象与数据，进行初步分析与归纳.
建立科学假说：水电解是化学变化，产生氢气和氧气，二者体积比接近2∶1.
第二次电解水实验：
（1）请四位同学再次上台进行实验.记录.
（2）再请一位同学检验左右管中产生的气质性质.发现依然为氢气和氧气.且产生两者电极不变.仔细分析实验数据，发现两者体积比为2∶1.
初步建立科学理论：水电解是化学变化，正极产生氧气，负极产生氢气，两者体积比为2∶1.
在水的电解实验中，课本只有一次验证性实验设计，学生也可得出水电解发生化学变化产生氢气和氧气的结论.整个实验仅有验证已有知识的作用.改良后，则引导学生明晰了科学理论建立的一般过程.当然这种课堂上验证性的实验过程，距离科学家得到科学结论的研究过程还有较大差距，但在此过程中引导学生初步明晰了假设、假说和科学理论的区别，培养了学生严谨、认真的科学态度.
2.2注重衔接，完善从“定性”到“定量”的研究过程
定性的描述与定量化处理都是科学研究的必要手段.科学观察不一定使用定量的方法，但定量是定性的后一阶段、高级阶段.小学阶段已经初步建立了精确测量的概念，精确测量的技术却应该在初中以后加强.引导学生建立从定性到定量、从粗略到精确的实验设计思想，是初中科学教师的重要任务.
案例2物体所受浮力大小与其排开体积有关的实验设计
定性实验设计：请学生人手准备两个完全相同的塑料饮料瓶.一个保持原样，一个压扁.将它们分别压入水中.如图2、图3所示.这两种情况下，把瓶子压入水中所需要的力是否相同.
建立假设：浮力的大小与排开液体的体积有关.
定量实验设计：
（1）取一物块，测出物体在空气中所受重力
（2）在溢水杯中装满水，测出物体在水中所受重力
（3）量筒放在溢水杯下部，测量该物块排出水的体积.将数据记录到表格中
（4）换另外两个物块，重复以上实验过程.并将数据结果记录到表格中.
实验记录表格：
在第一步定性实验中，学生通过亲身感受知道了物体所受浮力应与物体浸入到液体里的体积（V排）有关.这时第二步的设计即为明确两者具体关系.目标明确思路清晰，设计起来就容易多了.而一次实验只能得出一组数据，无法说明两者的关系，只有经过多次实验后得到多组数据结果，实验性质自然就从定性过渡到定量了.初中以后，定量实验越来越重要，教师把握好从定性到定量的过程，不仅可以让课堂过渡的更加流畅，更重要的是帮助学生建立科学思维，明确科学研究过程.
2.3变量控制应具有精准、明确的可操作性
严谨的实验需要对其操作或者测量下操作性定义，即：科学的、可观察的、可测量的、可操作的、可重复的.
科学实验必须注重变量控制.但在具体设计过程及操作过程中，许多老师往往一语代过.学生本来就对实验不熟悉，动起手来就糊里糊涂，什么情况都会出现.如在探究液体蒸发快慢可能与液体温度高低有关时，教师会强调：我们仅要改变的是温度这个变量，其它的量需要保持不变.请同学们各滴1滴酒精到玻璃板上，分别摊开的面积要接近相同.但是学生实际操作中，他们并不能判断自己滴的面积是否相同;或者即使面积接近，液滴的高度不同，液滴的量其实也不相同;且一滴的液量也并不足以得出明确的实验结论.
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.
取如图4所示玻片，上固定好一大一小两个橡皮圈，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.
取如图5所示两张玻片.上面分别固定相同面积的两个橡皮圈.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）.
上图设计非常简单，但也非常巧妙.经过这样清晰明确的控制变量操作，学生切切实实地理解了什么是控制变量，又如何控制变量.故此设计虽简单，但效果很好.对变量控制的实验设计，更加考较执教者的心思.
2.4正视重复实验的必要性
在前面的实验中，不止一次地出现了重复实验的设计过程.在问及为何要重复实验时，多数学生会回答：减小误差，避免偶然性.但实际上重复实验不仅仅是为了避免偶然性或者多次测量取平均值，它最重要的作用是寻找普遍规律！但凡通过实验得到的科学理论，都必须满足一条重要的科学性质：可重复性.所以在课堂中必须使学生明白重复实验最终目的：寻找普遍规律.
新课改教育目标的初衷是“全面提高每一个学生的科学素养是科学课程的核心理念.”笔者认为，对于科学实验，最终应该立足于实验的教学价值，回归科学认识过程和科学方法教育.
例如前面所提到的实验设计案例，这些设计在课堂中会耽误大量时间，但学生学到知识点很少且难度不大.很多老师会对这样耗时多掌握知识点少的实验设计不以为然.但实验设计的目的并不仅仅是掌握知识，更重要是帮助学生掌握科学研究方法，它具有重要意义：
（1）帮助学生了解科学研究的过程：从假设到假说，再到科学理论.
（2）帮助学生顺利从定性实验过渡到定量实验.
（3）帮助学生明确变量控制应具有精准的可操作性.
（4）帮助学生强化重复实验不仅为了减小误差，更重要是寻找普遍规律.
这种科学研究价值观的形成与建立，比仅仅进行知识掌握的教学目的，重要且宝贵的多.但这既需要耗费大量的时间和心血，又于短时间内的分数的提高并无明显益，往往会被忽略.实际上却极有价值和意义，且可提高的学生的科学兴趣与科学思维方法，理解科学本质，最终对学生整体科学素养的提高具有重要意义.身为科学教师，最需要谨记下面这段话：科学实验作为科学教育的基础和重要组成部分，它的教学价值不应当仅仅是使学生学会使用一些仪器，掌握一些实验仪器的操作技能，或只是用它来验证已学过的知识.它应该是进行科学方法教育的重要手段和途径.
1问题提出
每一个科学老师都必须思考一个问题：什么是“科学本质”.随着课改深入，越来越多的问题暴露在课堂中：以讲代学，不重视实验活动设计，照本宣科实验过程;用验证性实验代替探究性实验设计等.隐藏在这些现象背后更深层次的问题是教师并未理解科学本质，甚至把一些违背科学思维方式的东西推举为精彩、成功的科学课.事实上科学知识容易掌握，而掌握科学思维方法，理解科学性质，比知识的传授与掌握，要困难的多.纵观如今的科学教学，依然存在以下问题：
1.1重视实验器材及具体方法改进，忽视实验设计整体把握
很多围绕实验展开的课堂改进都是强调对实验器材的改进，增加实验的演示清晰度等，如我们见过的许多以实验为主题的教改论文.而对于实验设计的整体设计，例如实验中体现的科学逻辑，从假设到假说再到科学理论所需要的递进实验设计等重视不足.
1.2实验过程缺乏严谨，科学性体现不够
科学教师都知道，严谨的科学实验必须控制变量.中小学一般采取单因子控制方法.教师不仅要帮助学生具有控制变量的意识，还要帮助学生具有控制变量的能力.但在许多实际的教学中，往往流于空洞的语言描述，并没有真正引起师生的关注.再如，实验必须通过观察得到结果，而观察具有易错性，重复实验非常有必要.课堂中，许多教师往往目标单一，即进行验证性实验，获得实验结果.为了节约时间，提高所谓课堂“效率”，忽视重复实验.这实际上严重削弱了实验的科学性.而取消了重复设计的实验，往往也是不完整的实验设计.
1.3实验目标功利，未能充分体现实验教学价值
许多教师的实验教学目的，仅是要求学生学会使用仪器，掌握仪器的操作技能;再有用它来验证已学过的知识;或者通过一次两次的简单实验，便要求学生推导出更多具有普遍意义的科学结论，并由此作为契机，要求学生掌握该知识点，通过大量练习，对该知识点进行强化和应用.这体现的仍是以应试为目的科学教学观.实验活动的重要目的应是使学生学会和掌握实验的方法和思想.它应该是引导学生掌握科学认识过程，进行科学方法教育的重要手段和途径.
2优化策略
在提出优化策略之前，我们先要了解什么是科学性质.最早对此进行研究的是培根.他认为“科学就是推理加经验”，一旦被确定的科学知识就是绝对的真理.但后来的研究者并不认同这一点.美国实用主义哲学家教育家杜威认为，科学本质是探究过程或科学推理的方法.科学教育家施瓦布也拒绝传统科学教学中的内容崇拜，认为它将导致“浮夸的结论”，给学生强加了一种科学是“不折不扣与不可更改的真理的虚假印象”.现代科学哲学观则认为科学的过程是证伪的过程，是在寻找错误的过程中不断逼近真理的过程，而不能达到真理.科学知识在本质上是一种猜想的知识，它是大胆的假设.
综上所述，探究和推理是科学的核心.科学课堂最重要的是引导学生掌握科学的方法，严密的探究与推理过程，而决非是对已有知识的崇拜.
笔者针对当前科学课堂现状，提出了以下优化策略.
2.1明晰假设、假说和科学理论的区别和过程
假设和假说是不同的概念.但许多人并未真正理清两者的关系.假设是科学假说的萌芽，是对所研究的客观事物的本质和规律提出的一种初步的设想，并没有得到进一步的升华和完善;而科学假说则是假设的验证结果，已经升华为理论形式了.虽有著作把它们解释的近乎通义，但从哲学认识论和科学方法论的视角来看，两者还是有较明显的区别.一般而言，科学理论的建立需要经历以下转化过程：
案例1水电解的实验设计
思考：水循环是化学还是物理变化？
猜想：水电解可能是化学还是物理变化.
假设：水电解是化学变化.
第一次电解水实验：
（1）学生观察并记录.
（2）进一步实验：用带火星的木条靠近正极所在的玻璃管.观察.点燃负极所在玻璃管的气体，观察.
（3）整理实验现象与数据，进行初步分析与归纳.
建立科学假说：水电解是化学变化，产生氢气和氧气，二者体积比接近2∶1.
第二次电解水实验：
（1）请四位同学再次上台进行实验.记录.
（2）再请一位同学检验左右管中产生的气质性质.发现依然为氢气和氧气.且产生两者电极不变.仔细分析实验数据，发现两者体积比为2∶1.
初步建立科学理论：水电解是化学变化，正极产生氧气，负极产生氢气，两者体积比为2∶1.
在水的电解实验中，课本只有一次验证性实验设计，学生也可得出水电解发生化学变化产生氢气和氧气的结论.整个实验仅有验证已有知识的作用.改良后，则引导学生明晰了科学理论建立的一般过程.当然这种课堂上验证性的实验过程，距离科学家得到科学结论的研究过程还有较大差距，但在此过程中引导学生初步明晰了假设、假说和科学理论的区别，培养了学生严谨、认真的科学态度.
2.2注重衔接，完善从“定性”到“定量”的研究过程
定性的描述与定量化处理都是科学研究的必要手段.科学观察不一定使用定量的方法，但定量是定性的后一阶段、高级阶段.小学阶段已经初步建立了精确测量的概念，精确测量的技术却应该在初中以后加强.引导学生建立从定性到定量、从粗略到精确的实验设计思想，是初中科学教师的重要任务.
案例2物体所受浮力大小与其排开体积有关的实验设计
定性实验设计：请学生人手准备两个完全相同的塑料饮料瓶.一个保持原样，一个压扁.将它们分别压入水中.如图2、图3所示.这两种情况下，把瓶子压入水中所需要的力是否相同.
建立假设：浮力的大小与排开液体的体积有关.
定量实验设计：
（1）取一物块，测出物体在空气中所受重力
（2）在溢水杯中装满水，测出物体在水中所受重力
（3）量筒放在溢水杯下部，测量该物块排出水的体积.将数据记录到表格中
（4）换另外两个物块，重复以上实验过程.并将数据结果记录到表格中.
实验记录表格：
在第一步定性实验中，学生通过亲身感受知道了物体所受浮力应与物体浸入到液体里的体积（V排）有关.这时第二步的设计即为明确两者具体关系.目标明确思路清晰，设计起来就容易多了.而一次实验只能得出一组数据，无法说明两者的关系，只有经过多次实验后得到多组数据结果，实验性质自然就从定性过渡到定量了.初中以后，定量实验越来越重要，教师把握好从定性到定量的过程，不仅可以让课堂过渡的更加流畅，更重要的是帮助学生建立科学思维，明确科学研究过程.
2.3变量控制应具有精准、明确的可操作性
严谨的实验需要对其操作或者测量下操作性定义，即：科学的、可观察的、可测量的、可操作的、可重复的.
科学实验必须注重变量控制.但在具体设计过程及操作过程中，许多老师往往一语代过.学生本来就对实验不熟悉，动起手来就糊里糊涂，什么情况都会出现.如在探究液体蒸发快慢可能与液体温度高低有关时，教师会强调：我们仅要改变的是温度这个变量，其它的量需要保持不变.请同学们各滴1滴酒精到玻璃板上，分别摊开的面积要接近相同.但是学生实际操作中，他们并不能判断自己滴的面积是否相同;或者即使面积接近，液滴的高度不同，液滴的量其实也不相同;且一滴的液量也并不足以得出明确的实验结论.
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.
取如图4所示玻片，上固定好一大一小两个橡皮圈，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.
取如图5所示两张玻片.上面分别固定相同面积的两个橡皮圈.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）.
上图设计非常简单，但也非常巧妙.经过这样清晰明确的控制变量操作，学生切切实实地理解了什么是控制变量，又如何控制变量.故此设计虽简单，但效果很好.对变量控制的实验设计，更加考较执教者的心思.
2.4正视重复实验的必要性
在前面的实验中，不止一次地出现了重复实验的设计过程.在问及为何要重复实验时，多数学生会回答：减小误差，避免偶然性.但实际上重复实验不仅仅是为了避免偶然性或者多次测量取平均值，它最重要的作用是寻找普遍规律！但凡通过实验得到的科学理论，都必须满足一条重要的科学性质：可重复性.所以在课堂中必须使学生明白重复实验最终目的：寻找普遍规律.
新课改教育目标的初衷是“全面提高每一个学生的科学素养是科学课程的核心理念.”笔者认为，对于科学实验，最终应该立足于实验的教学价值，回归科学认识过程和科学方法教育.
例如前面所提到的实验设计案例，这些设计在课堂中会耽误大量时间，但学生学到知识点很少且难度不大.很多老师会对这样耗时多掌握知识点少的实验设计不以为然.但实验设计的目的并不仅仅是掌握知识，更重要是帮助学生掌握科学研究方法，它具有重要意义：
（1）帮助学生了解科学研究的过程：从假设到假说，再到科学理论.
（2）帮助学生顺利从定性实验过渡到定量实验.
（3）帮助学生明确变量控制应具有精准的可操作性.
（4）帮助学生强化重复实验不仅为了减小误差，更重要是寻找普遍规律.
这种科学研究价值观的形成与建立，比仅仅进行知识掌握的教学目的，重要且宝贵的多.但这既需要耗费大量的时间和心血，又于短时间内的分数的提高并无明显益，往往会被忽略.实际上却极有价值和意义，且可提高的学生的科学兴趣与科学思维方法，理解科学本质，最终对学生整体科学素养的提高具有重要意义.身为科学教师，最需要谨记下面这段话：科学实验作为科学教育的基础和重要组成部分，它的教学价值不应当仅仅是使学生学会使用一些仪器，掌握一些实验仪器的操作技能，或只是用它来验证已学过的知识.它应该是进行科学方法教育的重要手段和途径.
