从实验验证到理性思维——初中科学课堂教学改革的新视角，本文主要内容关键词为：课堂教学论文,理性论文,思维论文,初中论文,新视角论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
初中科学是一门实验性的综合课程，提高学生的科学素养是科学课程的总目标，培养学生适当理解科学本质观是科学素养的核心要素之一。经过活动化、制度化后的课堂，滤去了热情、兴奋和争议，留下来的就是理性思考。广大教师逐渐明白：要达成这样的目标，实施以探究为核心的教学变革是科学课堂所拥有的唯一选择。他们在课堂改革中所表现出来的对比观察、逻辑推理、质疑创新等行为，实现了教学方式从实验验证到理性思维的跨越，在一定程度上反映了科学课堂教学的新视角。
一、从验证事实到对比观察
科学认识是以经验事实为基础的，但科学并不是事实本身，也不是实验事实的连续性逻辑推理。科学事实是已知的信息的一个单独部分，是具体、可见的，不存在任何理论。科学课程以大量事实为基础，教科书中列出了一些最基本、最典型的事实。比如，地球自转一周约24小时；自由落体的加速度为9.8m/s[2]；绿色植物的叶细胞中含有叶绿素；水分子由氢、氧两种原子构成；纯水的凝固点是0℃；可燃物在氧气中能燃烧等，都是一些被认为是科学事实的内容。因此，对科学事实的学习要强调科学性、基础性、典型性和生活性，从学生已有经验出发，突出观察与描述，在比较不同现象伴随的事实中，不仅要达到验证事实的目的，更要培养学生的实证意识。
氧气能助燃是一个十分普通的生活事实，在初中科学“氧气和氧化”一节的学习内容中，教科书以木炭、硫、铁丝在氧气中燃烧等3个实验来验证这一事实，其中“铁丝在氧气中燃烧”最为典型。按以往的教学方式，教师通常以小组实验的形式开展教学活动，先让学生收集好一瓶氧气，然后告知学生将铁丝螺旋状地绕在一根火柴上，点燃火柴，待火柴将要烧完时，立即伸进氧气瓶，观察现象（剧烈燃烧，火星四射），记录实验结果（生成一种黑色物质）。这样的课，场面热闹，学生不停地按照教师的指令动手做实验，实验的成功率也很高。可是，如果仔细分析，学生的行为实际上是对教师指令的被动回应：把细铁丝点燃后放到氧气瓶中，使之产生一种预定的变化。这样做，看似在观察与探究，实质上仍然停留在“告诉事实、验证结论”的水平，学生通过实验记住的结论是“剧烈燃烧，火星四射”，因为这个现象对感官的刺激最强烈，当然不会去思考这个实验与教科书开头提出的“铝锅表面变色、橡胶制品老化”等问题之间的联系，因此，对氧气是一种化学性质比较活泼的气体的思维活动并不深刻。
针对上述情况的改进课，拉长了实验的教学链，让学生在对比观察中发现问题。下面是一组学生的实验观察结果记录单。
众所周知，科学的本质观告诉我们，科学知识最终是建立在经验证据基础之上，那就是对自然世界的观察。科学观察受到个体科学价值观和先前知识等主观性的影响。运用对比观察的教学策略，既能使已有的经验与新知识之间造成认知冲突，又渗透了实证探究意识的培养，从这个意义上讲，在实验中学会对比观察远比记住实验现象更为重要。在改进课中，学生在完成木炭、硫、铁丝在氧气中燃烧等3个实验时，不再单纯地追求实验现象的新奇、刺激，而是努力地搜寻反应后生成的产物与原物质之间的区别，联系教科书开始提出的诸如很久不用的铝锅表面会形成白色斑点、塑料和橡胶制品使用时间长了会发生老化、铁在潮湿的空气中要生锈等事实，不仅是需要通过对比观察的形式去了解氧气是一种化学性质比较活泼的气体，而且还培养了实证探究的意识，促进学生对科学本质的理解。
改进前后的课有没有本质的区别？对此，我们在课堂练习中进行了测试。题目：在“氧气的制取和性质”的实验中，某同学取一段纱窗网上的细铁丝，把它绕成螺旋状，顶端系上一段火柴，引燃后在自己收集到的氧气中做“铁丝在氧气中燃烧”的实验，结果没有观察到“剧烈燃烧，火星四射”的现象。造成此实验失败的原因不可能的是
(A)收集到的氧气量太少或纯度太低
(B)铁丝生锈
(C)集气瓶底部没有铺一薄层细砂
(D)铁丝的温度未达到着火点
从回答的情况看，改进课的课堂中学生通过率有 80%，而这道“了解”级的题目，在2002年的中考中，学生的通过率只有70%。究其原因，是我们在日常的课堂教学中，往往以考查结论性知识为主，如“铁丝在氧气中燃烧”的现象是什么？在做“铁丝在氧气中燃烧”实验时应注意什么？等等。而对于学生是如何获得这些结论的则没有深入思考。如果教师和学生都将记住实验的结论作为教学的归属，那么我们的教学效果是低下的，这种记忆也是难以长久保持的。据此，我们可以肯定改进课前后的课堂变化是明显的。
二、从验证概念到逻辑推理
概念是对一组相类似的事物或观念进行归类而组成的知识。任何一门学科都有自身的概念系统。科学是一门综合课程，在科学课程的概念系统中，既有综合的物质、能量、信息、生态、环境等科学基本概念，也保存着分科的密度、力、压强、电流、分子、溶解、反应类型、新陈代谢、生态系统等概念。学习概念可使学科知识简约化，运用概念可使各类基本事实之间的关系系统化。因此，对科学概念的教学，不仅要分清内涵和外延，还要特别注重培养学生的逻辑推理能力。
物质的溶解性是科学教育中一个重要的基本概念。按《自然科学》第三册第一章第4节“物质溶解性”的呈现方式，以知识性概念为主线，课程反复强调蔗糖和松香粉在水和无水酒精中的溶解情况是不同的，教师一般通过演示实验开展教学。
从实验可知，相同条件下，不同物质在同一溶剂中溶解能力不同；同一物质在不同溶剂中溶解能力也不相同。直接得出概念：通常把一种物质在另一种物质里溶解能力的大小，叫做溶解性。这样的教学设计，虽然向学生提供了形成科学概念的感性材料，至于为什么会不同，从哪些现象可以得出不同的结论，可能受哪些因素的影响等重要的思维加工活动并没有让学生参与，尽管教师在引出概念的文字表述时讲得很清楚，但其生动的思维过程和严密的逻辑推理往往被单调机械的概念等所取代，程式化的教学扼杀了学生的好奇心和创造性。对学生来说，表面联系与本质联系、感性认识与理性认识、生活经验与科学概念仍处于“分离状态”，对科学概念的认识是肤浅的、片面的，思维能力未得到发展，解决实际问题时往往就会出现错误。
初中《科学》第一册第四章第5节“物质溶解性”的呈现方式，则以问题驱动为主线，教材首先呈现的是日常生活中的问题（学生已有经验），想要解释这些现象产生的原因，就得动手实验。
虽然没直接点明什么是物质的溶解性这一概念，但思维加工活动的参与已让学生建立了有关物质溶解的一些事实，得出概念已是水到渠成的事了。而透过概念学习的背后，更重要的价值在于让学生体验科学探究的过程，学习逻辑推理的方法，掌握实验条件的控制。
这种通过逻辑推理来掌握概念的学习方式，其效果还体现在后续的学习活动中。在实验评估阶段，学生的探究活动更为精彩。
科学概念的形成离不开思维，而逻辑推理是培养学生思维能力的关键。学生在感性认识的基础上，对感性材料进行思维加工，进而形成科学概念。这是一种创造性的脑力劳动，不仅需要运用抽象思维，而且需要依赖于形象思维和直觉思维，依赖于各种思维方法的综合运用。科学实验只有从验证概念到理性思维的转变，学生才能真正构建起属于自己的科学概念。
三、从验证原理到质疑创新
原理和规则是对概念间关系的阐述。学科的基本原理由基本概念组成，它反映了学科的基本规律。在科学课程中，虽然大家知道有质量守恒定律、阿基米德原理、生态平衡规律、原子分子理论等，但很少有人去问，为什么有的科学知识被称作“定律”，有的科学知识被称作“理论”。其实，科学定律与科学理论是有本质区别的，只是我们从小就缺乏质疑的勇气和精神，把科学知识当成绝对真理，在学习科学的过程中关注最多的是“知识是什么”，较少关注“为什么”，很少关注“知识合理吗”等问题。导致我们对科学定律和理论认识的盲目性、教条性和绝对性。在理性思维中，重要的是质疑精神的培养。从这个意义上讲，在实验教学中，如果我们的教师在关心实验的操作步骤和实验结果的同时，更关注“为什么要进行这个实验”“在实验中应当搜集哪些数据和材料”“对搜集的数据和材料如何处理”“怎样根据实验所得的数据和材料推出合理的结论”“如何将自己的实验结果与他人进行交流”“还有别的实验方法可以替代吗”等问题，那么，我们的实验教学就不会只停留在验证的层次上，就有可能为激发质疑勇气创设良好的氛围。
初中《科学》第三册第一章第3节“水的压强”，教师一般以教科书为线索：水对容器底部的压强—水对容器侧壁的压强—水内部的压强展开教学活动。在一段塑料管的下端和侧壁的出水口上蒙上橡皮膜，进行实验：将水注入管内约三分之一，让学生观察橡皮膜向下凸出的现象；再将水注入管内，学生们观察到橡皮膜更加凸出，引导学生得出的结论是：水对容器底部和侧壁都会产生压强，深度越大，压强越大。液体压强的原理得到了验证，接下去的实验活动“研究水内部压强的特点”只是一种形式上的探究了，只要不发生意外，都会得到相同的结论。从知识目标上看，验证原理的任务算是出色完成了。但如果从培养学生理性思维能力的角度看，这种“按书操作”的教学方式并没有彻底消除学生原有的前概念。因为固体压强公式已让多数学生建立起：压强与压力成正比，与受力面积成反比并与生活经验相一致的概念。当我们从固体压强中引出水压强并探究其特点的时候，学生很自然地会猜想“水的压强可能与水的数量有关”，因此，在水内部压强的特点探究活动中，不但要比较同种液体中不同深度、不同液体中同一深度之间的压强大小，更要比较相同质量的水在不同深度时产生压强的大小，以启发学生对书本中实验活动（课本中图1-33）提出质疑。
师：从图1-33的研究中可知，液体的压强随着水深度的增加而增大。
生：老师，我认为水内部压强大小与窗口中的水的质量多少也有关。
师：（老师面对学生提出的新问题，略作思考后，立即调整了教学思路）为什么水内部的压强大小与容器中水的质量多少有关？
生：你不是说过“液体由于受到重力的作用，和固体一样，对支承它的物体也有压强”，刚才你继续向玻璃筒加水，当然是由于水的重力增加，水对容器底部的压强也随之增大。
师：哦，这确实是一个问题，最好是在水质量一样的情况下来比较容器底部橡皮膜凸出程度。
生：有了，只要把等质量的水倒入粗细不同、侧壁小孔大小一样的玻璃筒中，比较橡皮膜凸出程度。
师：按学生的要求进行实验，你们看哪个橡皮膜凸得更出一些？
生：细的一只。
师：能说明理由吗？
生：水的压强随着深度的增加而增大。
师：水的压强与水的数量有关系吗？
生：肯定没有。
……
学生对水的压强有许多科学的或不科学的想法这是很正常的，“水内部的压强与水的数量有关”是学生根据已有的知识和生活经验形成的一个前概念。前概念和科学概念同是来源于人的实践活动，它们都是由认识主体的认识活动所产生。根据其是否易于转换成科学的概念，可将其分成两类，一类是虽然与科学的科学概念不一致，但在提供给学生一定的预备知识之后，再辅之以有关的实验引导，便不难使学生形成正确的科学概念，比如从不同物质轻重的概念转换成密度的概念。从结构上来说，这类概念在学生头脑里的形成并不涉及认知结构的转变，是属于认知同化过程。然而另一类前概念则与此大不一样，在学生的原有经验中，这些前概念在学生的头脑中已经有了相当长的发展时间，且已形成了系统的却并非科学的概念。比如，学生在日常生活中经常看到铁块沉于水中的现象，于是就在头脑中形成了铁块可以沉没于任何液体中的前概念。当讲授阿基米德原理、演示铁块漂浮于水银面上时，许多学生根本不相信，认为这是教师在玩魔术，“水内部的压强与水的数量有关”的前概念就在此列。因此，了解学生的前概念，有针对性地调整课堂教学策略，不仅仅是概念教学的需要，更是落实新课程“三维”目标的要求。
初中科学课程，蕴含着许多理性思维的教学要素，只有牢固树立从实验验证到理性思维转变的教学理念，才能准确把握课堂教学的目标，深入挖掘课堂教学的内涵，才能使三维目标充满智慧的魅力。