科学课程与教学论-6

思考与交流1。“实验”是一个使用十分广泛的术语，你知道在哪些领域使用了“实验”？2。什么是实验？第6章科学实验教学◆学习目标1．认识科学实验教育的价值，了解科学实验教学的基本特征；2．理解科学实验教学的目的、特点和教学基本要求；3．掌握科学实验教学的策略和科学教师应当具备的科学实验教学技能。◆核心概念科学实验；实验技能；实验教学策略第一节科学实验的教育价值一、科学实验与科学实验教学1。科学实验及其特点科学实验，是指人们根据一定的目的，利用科学仪器、设备等，人为地控制或模拟自然现象来认识自然事物本质和规律的一种科学实践活动。特点（1）科学实验是以认识事物的本质及规律为直接目的生产活动是以生产物质产品来满足人类不断增长的各种物质生活需要为直接目的，即以改造自然为直接目的。科学实验的直接目的则是为了解决一定的科学问题，获得有关自然界的科学知识，实现科学知识的创造，其产品主要不是物质财富，而是科学理论，使之最终为有效的改造世界服务。（2）科学实验是一种探索性、创造性的活动由于物质及其变化的复杂性，往往使事物的科学本质及其规律不易的外露，而需要科学工作者付出艰辛的劳动，进行一系列的探索和创造性活动才能揭示出物质及其变化运动的规律（3）科学实验是一种现实的感性的物质活动构成科学实验的各个要素（科学实验的主体、客体和工具）中，而且还表现在实施科学实验的过程中。科学实验过程中，实验主体要操作一定的科学仪器、设备，使其作用于实验对象，并使之朝着预期的方向发生变化，从而为认识物质及其运动变化规律获取科学实验事实（包括实验现象和实验数据）。实验仪器与实验对象的相互作用是不依人的意志为转移的，因而这是一个活生生的现实的可感知的过程（4）科学实验是一种物化的理性活动科学实验的每一个步骤（或叫环节）都渗透着理性思维（包括比较、分析、综合、归纳和概括等逻辑思维、科学抽象和科学理论等）。具体说来，在实验的准备阶段，提出研究课题要以对一定的科学背景知识进行批判分析为前提；确定实验目的需要经历一个理论的逻辑演绎过程；进行实验设计则要运用一定的科学理论进行逻辑推理，以便在实验实施之前，先在思想中完成整个实验操作的图景，即为实现实验目的构思理性方法，从而借助于恰当的实验操作，使之物化为感性形态。在实验的实施阶段无论是操作方法的运用还是偶然因素的处置，以及实验现象的观察和记录等方面都离不开理性思维活动。在实验结果的处理阶段，一方面要通过科学用语、线图和表格等形式对所获得的实验事实进行处理与分析，以便为揭示科学对象的本质及规律作好准备；另一方面，还要讨论整个实验的进程和成效，进行总结评估。2．科学实验的类型（1）探索性实验，也称为探究性实验，是指人们采用一定的实验手段和方法，去探索未知自然事物或现象的内在性质或规律的一类科学实验。其特点是人们对研究对象不了解，实验的结果往往具有发现性。案例1科学史上，拉瓦锡在普里斯特列（J.Priestle）发现氧气的基础上，通过各种燃烧实验揭示燃烧现象的本质，推翻“燃素说”，创立物质燃烧的氧化理论，卢瑟福通过α粒子散射现象发现原子核的实验就属于这种探索性的实验。（2）验证性实验，即针对科学假说，为检验其正确与否而设计的一类证实性实验，这类实验大多有明确的探究对象和理论设计依据，往往采用可靠的实验方法、手段和途径来检验假设，可检验性和可重复性是这类实验的基本特点。案例21919年英国天文学家爱丁顿通过观测日全食确认爱因斯坦广义相对论结论正确性的实验，1932年查德威克（J.Chadwick）证明卢瑟福中子假说的实验等就属于这一类型实验的典型事例。（3）析因实验。即由已知结果去探寻其产生原因的一类科学实验。这类实验的一个基本特点就是追根溯源，运用实证的方式从影响物质及其变化过程多种复杂因素中找出起主导或决定作用的因素，不仅从理论上分析引起变化的原因，而且还通过实验来加以检验、证实。（4）定性实验。这是一类以判定事物的性质及外部联系，或者某种物质的成分、结构等因素是否存在以及它们的作用是什么为基本特征的实验。一般说来，定性实验只能达到判断实验事实是否存在的程度，常常用“有”或“没有”、“是”或“不是”来表征实验的结论，只能给出关于研究对象的一般性质及与其他方面联系的初步认识。定性实验也具有一定的探索性，不具有精确性。（5）定量实验，是与定性实验相对的一类以精确测量对象属性为目的的科学实验。任何自然事物都是质和量的统一。定量实验着重在探测研究对象及其之间的量比关系，获得某些因素之间的影响程度。因而通过测量获取实验的量化数据是其基本特点。例如，化学中的中和滴定分析法、电化学分析法，以及物理量的测量就是这类实验的典型事例。3．科学实验的方法和技能（1）设计与分析（2）观测与记录（3）控制变量（4）数据处理4．科学教学实验与科学实验教学不仅自然科学研究离不开科学实验，在科学教学中也同样需要科学实验，可以称之为“科学教学实验”，它是在科学教学中教师或学生根据一定的科学实验目的，运用一定的科学实验仪器、设备和装置，在人为的实验条件下，改变实验对象的状态和性质，从而获得各种科学实验事实，达到科学教学目的的一种教学实践活动。思考作为科学教学活动的科学实验与自然科学研究的科学实验愿何异同？科学实验教学教师将科学教学实验置于一定的科学教学情景下，为实现一定的科学教学目的，而开展的一系列教学活动，称之为“科学实验教学”。案例研究金属物理性质的探究教学目的：认识金属的物理性质。教学情景：金属是一类重要的材料，人类的生活和生产都离不开金属。铁、铝、铜是我们常见的金属，它们都有哪些物理性质呢？下面就请大家作一番探究。实验1：用细砂纸分别打磨一小块铁片（或铁丝）、铝片（或铝丝）和铜片（或铜丝），用滤纸或软布擦拭后，观察它们的颜色和光泽，试试它们是否容易被弯曲、折断。实验2：用手拿着金属片（或金属丝）的一端，在酒精灯上方烤它的另一端（注意时间不要长，防止烫伤！），试试它能不能传热。实验3：用电池和小电珠试试它能不能导电。实验4：试试它能不能被磁铁吸引。请将观察到的实验现象记录在表格中，分析、比较一下，你能归纳出金属的哪些物理性质？以上4个教学实验，是在一定的教学情景下，为达到“认识金属的物理性质”的教学目的而设计的。这其中包括了一系列的教学活动，如实验、观察、记录、讨论、交流、比较、归纳和总结等。这些具体的教学活动就是科学实验教学二、科学实验的教育价值1.科学实验是培养和提高学生科学素养的实践途径和教育过程。2.科学实验也是培养学生科学技能的重要环节3.科学实验还是培养学生提出问题、分析问题和解决问题能力的有效方式4.科学实验是进行科学方法教育的重要途径；5.科学实验也是培养学生科学兴趣，激发学习动机的重要途径；问题讨论你怎样理解科学实验教学也是培养学生科学素养的过程？（1）你的理解和认识是什么？为什么？（2）实验和实作有区别吗？发表你对实验的“求知”或“探究”特征的看法。三、科学实验教学的特征、过程和主要类型1．科学实验教学的基本特征动手与动脑一体化、理论与应用相结合，通过实践理解和形成知识、学习科学方法。在实践中体验、在体验中理解，学习科学方法与形成实验技能相辅相成。科学探究与科学教育融合于同一过程之中。2．科学实验教学的实施过程反馈提出实验问题实验设计设计实验实施（观察测量））的实验结果的分析与处理报告与交流图6-1科学实验教学过程的基本构成3．科学实验教学的主要类型（1）课堂演示实验课堂演示实验是为配合教学内容讲解，由教师操作表演示范的一种实验教学形式。其实质是一种直观的教学方式，通过演示实验，能够化抽象为具体，化枯燥为生动，把要研究的科学现象和验证的实验结果清楚地展示在学生面前。因而更有利于学生通过观察促进积极思考，使学生把观察实验现象与理解科学概念和规律联系起来，从而达到“事半功倍”的效果。（2）学生实验室实验学生实验室实验，常称为“学生实验”。即学生在实验室里单独或者分组操作的一类学习型实验。这类实验主要涉及的类型可有探究性的，也可有验证型的，还可有兴趣型或者设计型的实验。学生实验要体现学生的主体地位，科学教师应当在实验之前讲清楚实验的目的和要求，指导学生进行实验的探究。（3）科技实践探究实验科技实践探究实验是学校中为实施科技综合实践活动而选择性开展的一类探索性或兴趣性实验。由于这一类实验是根据科技综合实践活动的选题来设置的实验，因而实验的目的、内容和方法都具有较大的可变性。这类实验往往比较注重实验技能、方法和形式的综合，强调实验中的合作和交流。第二节科学实验教学的目标和内容一、科学实验教学的目标（一）实验知识与技能目标1.实验知识目标（1）实验知识目标的内容●实验仪器与药品知识——包括基本实验仪器的名称、构造、规格、用途、操作原理，化学药品的颜色、状态、主要化学性质以及存放、取用等知识。●实验方法知识——主要是有关实验方法论初步知识在科学实验教学中的应用。比如，实验观察方法、实验变量控制方法、测定方法、实验记录方法、实验数据处理的表格化和线图化方法。●实验现象和事实知识——指教材中设置的“活动与探究”所涉及的有关科学实验现象和事实。●实验安全知识——主要包括科学实验中易燃、易爆、有毒和腐蚀性药品的使用、贮存，以及一些安全操作和防止事故发生，如防止玻璃割伤、触电、中毒等方面的知识。（2）实验知识目标的水平科学实验知识的目标层次按照从低级到高级的学习水平，依次划分为了解、理解和应用三个层次。其内涵是：●了解——指对科学实验内容、科学实验过程的回忆和再现。能描述或记住学习过的科学实验现象或事实，能说出常用科学实验仪器的名称、用途及使用注意事项。●理解——指能认识科学实验现象和事实的关系和原因，领会实验操作方法与步骤，懂得常用科学实验仪器的使用方法，能根据实验现象及数据得出科学结论。●应用——能运用所学科学基础知识（包括科学实验知识）对观察到的科学实验现象、事实和测定的数据进行正确的判断和解释，能按要求绘制实验装置图，能正确书写实验报告，能根据要求设计简单的科学探究实验方案。2.实验技能目标（1）实验技能的目标内容●实验基本工具和基本仪器的使用技能。主要包括酒精灯、刻度尺、量筒、天平、秒表、温度计、电流表、电压表、显微镜、地图和地球仪、指南针、星图等。●基本操作技能。主要有收集和制取某种气体、配制溶液、分离混合物、过滤、蒸发、鉴别物质、制作临时装片、药品取用、器皿连接、连接简单电路等。●仪器和药品的选择技能。主要包括对实验仪器的种类、规格、数量、用途等的选择，以及对药品的种类、纯度、浓度、用量等的选择。（2）实验技能的目标层次科学实验操作技能可分为由低到高的模仿水平、独立操作水平和迁移水平。其内涵是：●模仿水平——指借助说明书或教师的示范进行的常规仪器操作和基本练习性操作。该水平的操作主要表现为机械模仿，规范性与协调性较差，参与意识不强。●独立操作水平——指学生独立进行有目的的操作，能与已有技能建立联系。该水平的操作表现为学生动作基本规范、协调、基本能做到“会拿”、“会放”、“会接”、“会调”、“会测”。有较强的实验参与意识。●迁移水平——指运用多种手段与方法，自主进行的有目的的操作，能在新情景中运用技能。具有该水平实验技能的学生能够设计或模拟实验等解决一些简单的实验问题（二）实验探究过程、方法与能力目标1．实验探究过程、方法与能力目标的内容2.实验探究过程、方法与能力目标的水平科学实验教学中的过程与方法目标属于体验性学习目标。与科学实验知识目标相比，科学实验过程与方法目标难以结果化，即学习结果较难测量。因此，其层次水平可按学生的心理感受或体验等划分为以下由低到高的三个等级。（1）感受——指对科学方法论的初步知识（含义、作用、要求及操作步骤等）有一定的觉察、留心、关注和印象。（2）领悟——指经过反复体会、思考逐渐认识实验探究的本质及其各个环节的内部联系。（3）简单应用——指能初步运用科学方法论的初步知识去解决简单的科学实验问题（含实验习题）。（三）实验情感、态度与价值观目标1.实验情感态度与价值观目标的内