科学实验改进与创新

科学实验改进与创新
在上初中科学教材的实验时，我们往往会遇到实验失败或者不良的现象。

比如，实验现象与教材上的不一致，或者产生与实验原理不一致甚至相反的情况；也会看到因为实验过程混乱而导致实验失败。

有些是因为实验装置缺失从而使实验流于形式，有的是实验装置过于繁琐，教师不愿意实验，最后是以教师讲授知识让孩子记住背熟的……如何让实验更好地展现在学生面前，凸显科学实验现象、实验过程，帮助学生建立科学概念、科学规律，使实验服务于教学，激发学生的学习兴趣。

这些都值得我们探讨研究。

一、改进实验试剂，呈现实验现象
在科学实验中，我们通常根据“实验目的―实验原理―实验器材与试剂―实验步骤―实验现象―实验结果―实验
结论”等顺序展开实验教学，一般都能收到较好的教学效果。

但是，教师往往关注实验原理和实验步骤，忽略了对实验试剂的选择，对实验试剂的浓度、实验试剂的种类没有详细考虑，结果出现与教材实验现象“相反”或“不如人意”的现象。

实验1 光合作用需要光――碘液检验淀粉
事件回放一些年轻教师，在做“绿叶在阳光下制造淀
粉”的实验时，取经过暗处理并光照4小时的天竺葵，用水浴法并经酒精脱色，充分漂洗后，向叶片滴加溶质质量分数为3%、5%、10%的碘液，发现叶片变为棕黑色，并没有教材上所说的显示蓝色。

教师说，这是由于淀粉太少所致。

实验分析主要是这些年轻教师经验不足，选择的试剂浓度太大，而不是淀粉太少，结果显示的是碘液的颜色。

若是淀粉过多，我们用碘液甚至固体碘放在馒头上，结果明显变蓝色，所以不是淀粉过多的原因。

实验改进采用2009年温州市科学中考卷的实验探究题第31题的做法，取经过暗处理并光照4小时、脱色、漂洗后的叶片，分成四组，将溶质质量分数为0.02%、0.04%、0.06%、0.08%的碘液分别滴在各组叶片上，结果发现只有滴加0.04%的碘液的叶片，其颜色变为了预期的蓝色。

优点实验现象明显，实验材料节省，效果好，可以有效激活学生对实验的兴趣，从而有效提高教学质量。

建议浙教版《科学》教材在本实验中给出“碘液的浓度为0.04%以及滴入1～2滴的碘液”的说明。

反思作为科学教师，在做一个复杂的实验，哪怕是一个简单的实验，我们自己都要预先进行实验。

在选择实验材料时，应该从不同的角度去选择，比如从干燥程度、浓度、氧化程度、含杂质的比例、酸碱性等角度去思考。

二、改进实验操作，凸显实验过程
在实验设计中，应尽可能选择操作简单、方便、安全的实验，实验装置简单易学，实验条件易于控制，便于初中生操作，实验时间也较为合理，利于课堂教学，涉及的仪器设备易于取用等。

但教学中一些教师为了节省时间，对实验仪器、实验装置、实验步骤、实验操作等没有深入考虑，只是按照教材上提供的设计，没有深入研究，结果往往失败，继而自圆其说，还要求学生记住实验现象和实验结论。

实验2 熔化与凝固实验改进
事件回放在晶体熔化的实验中，教学实践中主要出现两种现象：一是用海波做熔化实验，但是实验过程中“海波熔化温度不变”没有显示出来，而且耗时也较多，甚至失败也很多；二是一些教师采取“冰熔化代替海波熔化”实验，观察发现冰在熔化过程中比较缓慢，且过程明显。

同时，学生用温度计可以测出冰熔化时的温度，固液共存的状态也很明显，而且不用加热，简单明了，画出的曲线图有一段明显的“水平线”即熔化过程。

可惜的是水凝固做不成。

实验分析第一类教师失败的原因是海波量过少，导致熔化过程一闪而过不明显。

同时，这些教师实验前准备不够，采用冷水加热，导致时间过长。

第二类选择冰块熔化，过程明显，但是水凝固就做不成了，因为我们上课一般在夏季，课堂上很难实现，即使在冬季，在短时间里也是不容易做到的。

实验改进放入更多的海波，约为大试管容积的三分之一；计时间隔稍短一些，教材上采用的是30秒，建议每10秒至20秒，比如15秒读数一次，并记录海波熔化的情况，以及固液变化情况。

熔化之后，教师一边引导学生归纳总结海波熔化的特点，一边让海波慢慢冷却，节省时间。

优点改进后，这两个方法都能提高实验成功率，实验过程很简单，现象很明显。

反思改进实验是因为原实验熔化过程太快了，熔化过程不明显，几秒钟就过了，整个实验的过程需要15分钟以上，尤其是对平时实验不够重视的学生，需要更长的时间。

但是，海波熔化采用水浴法加热，作为科学实验的一种基本技能，教材在本节中选择海波作为晶体熔化的试剂自有其道理，因为在八年级《科学》的光合作用实验中，仍然用到水浴法加热，而且光合作用实验更加复杂，要求更高。

因此，本节的水浴法加热也为后续学习打下基础，建议选择海波熔化。

当然，在海波熔化的基础上，增加冰的熔化、萘的熔化等实验，为拓展学生思维是有很大帮助的。

三、科学设计实验，引发认知冲突
科学性是科学实验教学的基本原则，它不是变魔术，也不是演员表演，必须实事求是，遵循自然规律，不弄虚作假。

科学实验设计也是如此，必须遵循科学本质，能准确地验证科学原理，并能得出科学结论，同时，实验设计也要考虑学
生的前概念干扰，符合学生的认知规律，培养学生实事求是的科学态度。

如果一个实验设计违背了科学规律，不符合实验要求，其就没有创新的价值。

实验3 空气对流实验的设计
事件回放浙教版教材八上第2章第一节《大气层》中关于空气对流，教材设计了这样一个实验：在烧杯中加入适量的水，用酒精灯加热。

烧杯中的水会流动吗？空气受热时，是否也会和烧杯中的水一样流动起来呢？点燃一段线香，横插在橡皮泥上，把一只大号烧杯倒扣在桌面上，线香置于中间。

根据上面两个活动，你能得出水和空气的对流运动规律吗？如果能，请在图1中用箭头表示出空气对流运动的规律。

实验中出现了两种现象：当线香燃烧处靠近烧杯壁时，学生能够看到线香的青烟沿着烧杯内壁做循环对流；当线香处于中心的时候，线香的青烟对流路径比较乱。

可惜教师没有把这两个现象提出来进行分析。

实验分析教师没有事先考虑实验的操作顺序，应该先做靠近杯壁，形成单向环流现象，便于学生分析，再做中心的，出现双环流现象，再引导学生分析就比较好理解。

所以，实验的操作顺序也是影响实验教学的一个重要因素。

但即便是这样做了，仍然难以理解对流的原理。

实验改进如图2所示，用铁丝把线香提升到烧杯壁中部位置，点燃线香，观察到线香的青烟徐徐向上。

此时，点
燃酒精灯，将会观察到青烟徐徐向下。

教师可以追问，为什么青烟本来是向上的，酒精灯点燃后看到青烟向下？学生思考后发现，这是由于加热部分的空气受热膨胀密度变小而上升，右侧的空气温度变化不大密度相对大一些而下沉。

就这样，周而复始，不断对流。

或者把装置改为如图3所示，点燃线香，看到线香的青烟徐徐上升，此时，点燃酒精灯，将会看到青烟徐徐向下并向U形管右测上升，直到青烟离开右侧管口。

改进后的实验现象使学生非常兴奋，也很容易找到产生对流的原因。

优点本实验突破了教材中原实验设计，激发学生的认知冲突，解开了学生由于前概念（生活中青烟就是上升的）所带来的困惑。

因此，本实验能准确地验证科学原理，即空气对流引起青烟流动变化，促使学生得出科学结论。

建议教材对此实验作一些修改。

反思线香燃烧放出青烟，徐徐上升，这是什么原因？是青烟密度较小上升，还是空气受热密度变小上升而促使青烟上升？学生对此产生的困惑：是受日常生活中的现象烟总是上升的，遇到烧杯底部受阻自然改道向下，可能是青烟自身原因。

如果这样理解，学生就没有真正搞清楚对流的原因。

四、加强原理分析，突出科学本质
科学原理对初学者来说是比较抽象的，尤其是概念建构
的时候，学生对于严谨的科学概念往往理解不够。

这就需要教师通过不同的教学策略来解决学生的前概念，建立新的科学概念，而实验是科学概念建构的一个重要方法。

所以，需要教师充分挖掘科学原理的内涵，通过实验展示出来。

但是，一些教师为了节省时间，不做这些实验，而是采取照本宣科的方式，要求学生把结论、现象等记住，学生看起来是懂的，实际上还没有深入理解概念，结果还是影响了教学效果。

实验4 浮力方向的实验
事件回放关于浮力方向的教学，大多数教师一直是采用二力平衡的原理，与重力方向相反。

经常不做实验，而是通过受力分析图，组织学生讨论、师生互动来解决这个问题。

实验分析“浮力”相对于“力”来说，是一个下位概念，浮力概念要从属于力的概念。

我们可以采取力的三要素来引导学生组织浮力概念的学习，通过实验教学的方法，帮助学生建构浮力的概念。

实验改进能否利用实验把浮力的方向直观地展示出来呢？我们可以引导学生回顾重力方向的实验，利用重锤线把重力的方向演示出来。

受此启发，我们可以利用一个塑料球，系上一根细线，另一端固定在烧杯底部，使烧杯不断倾斜，会发现细线一直是竖直向上的，如图4。

优点浮力方向能够显性地表示出来，学生比较容易理解。

反思充分挖掘概念中的基本要素来设计实验，突破难点。

五、开放实验思路，启迪学生思维
实验6 地球形状模拟实验
事件回放既然有“天涯海角”，我们在地面上为什么总是走不到边？为什么远去帆船的船身比桅杆先消失？教材
设计了这样一个活动：把篮球和木板置于同一水平视线上，如图5，把铅笔头竖直朝下，分别由A向B和由C向D移动，观察铅笔的长度和铅笔头随位置的变化而发生的变化。

通过此活动，我们知道海面上远去的船只船身比桅杆先消失的原因是什么。

实验分析试想，“海面上远去的船只船身比桅杆先消失的原因是什么？”难道这就能说明地球是一个球体？这个现象说明地球是“不平的”，是“弧形的”，是“波形的”，也可能是“球形的”……基于此，教材上的实验设计显得比较单一，不免让学生感觉到地球要么是球形的，要么是方形的，二元选择显然欠妥。

实验改进教师为学生提供了更多的材料，比如平直的木板、篮球、橄榄球、波形体、长方体等不同形状的物体，让学生体验“海面上远去的船只船身比桅杆先消失”的现象。

学生可以排除“是方的”还是“波形的”等形状。

优点这样设计的实验比较开放，学生在选择不同的物
体来进行实验的时候，是在不断地建构自己的概念――地球不是方的，也不是波形的，可能是圆弧形的、球形的。

建议教材在设计该实验时，对实验的物体作开放处理。

实验是科学研究的基础，我们在科学探究中提出的假设或猜想一般都要设计实验来进行验证。

在实验教学过程中，我们引导学生仔细观察实验现象，记录、整理和分析实验数据，在对实验现象认真地分析和判断的基础上，得出科学结论。

如果实验设计不严谨，实验现象不明显，或者实验现象与要验证的科学原理相反，导致实验失败，就降低了教学效果，也就失去了实验设计的价值。

因此，科学实验必须保证实验原理清晰、实验现象明显、实验结论科学。