初中科学中的无实验载体探究及教学运用 苏爱娣

摘  要：无实验载体探究是科学探究的一种重要形式，是实验探究的重要补充。初中科学教材提供了大量的素材，这些无实验载体探究在教学中发挥着规范探究程序、激发学生参与探究、培养学生多种能力等独特作用。
 关键词：初中科学  无实验载体探究  教学运用
新课程倡导学生主动参与、探究发现、交流合作的学习方式。以浙教版《科学》教材（朱清时主编）为例，科学探究贯穿始终。然而，科学探究并不等同于实验。王祖浩认为：探究以实验为主，但不仅仅是实验。根据探究的途径、方法即探究要素来分，还可以是问题分析，讨论、方案设计，数据处理，观察现象，调查访谈。
教学实践表明，并非所有的科学探究都可以或都需要建立在实验的基础上，许多科学知识无法直接通过学生的实验探究来获得。有的受时空跨度、实验条件、学生的学习时间等因素的制约而无法开展实验探究。比如，原子结构理论、植物生长素的发现等科学概念或理论是逐渐完善的过程，而人体内部结构、细胞分裂等则限于条件也无法开展。实验在探究活动中对培养学生探究能力也不是万能的，一些问题的解决需要学生迁移已有实验经验和知识，有时需要学生抽象思维去思辨。比如，历史上治疗天花的探究、牛顿第一定律的探究。
教材不仅提供了大量的以实验为载体的科学探究，也配发了大量的无实验载体的科学探究的素材。这些素材呈现形式多样，有的作为教材必学内容，有的作为阅读材料；有的在活动、探究等栏目中为学生开展科学探究提供素材，有的以研究性学习课题形式供学生选择。现以教材中出现的无实验载体探究素材为例，谈谈在教学中的运用。
 一、让无实验载体探究在规范学生探究的一般程序中发挥样板作用
 对于初学科学探究的学生来说，选择一个具有科学性、趣味性俱佳，科学探究思路清晰，基本环节完整的科学探究史实作为学习样板是最合适不过了。
 初中科学第一册第一章的第7节“科学探究”中，教材就图文并茂地再现18世纪英国医生琴纳探究预防天花的过程：第一步，发现问题：当时天花是一种死亡率很高的传染病，但没有治疗天花的有效方法，琴纳知道中国人曾经发明过的预防天花的方法，但不安全，他希望能攻克这一难关。第二步，提出问题：哪些人能抵御天花。琴纳开展广泛地调查，发现有两类人不会患天花，一类是已经得过天花的人，另一类是养牛场的挤奶女工。在调查中，他学习到未知知识即牛也会患天花，患病时在牛的皮肤上会出现一些小脓疱，叫牛痘，挤奶女工给患牛痘的牛挤奶，也会被感染而起小脓疱，但很快就痊愈了，以后她们就不会再得天花了。第三步，琴纳做出科学猜想：或许得过一次天花，人体就会对天花产生免疫力。第四步，对这一猜想进行理论分析：挤奶女工得了一次轻微的天花，就有了对天花的免疫力；得过天花的人也是因此而获得对天花的免疫力，所以他们都不会再感染天花。第五步，做出假设：从牛身上采集牛痘脓浆，接种到人们身上，使他们也像挤奶女工那样得轻微的天花，以产生对天花的免疫力。第六步，进行科学实验：琴纳从一位挤奶女工的手上取出微量的牛痘脓浆，接种到一个男孩的胳臂上，一个月后，这位男孩具有抵抗天花的免疫力。琴纳的假设被证实，从此获得了抵御天花的有效办法——种牛痘。
 虽然当时的琴纳是建立在实验基础上进行探究，但我们在教学中无法再次以实验为载体进行重现。教材例举这一经典的科学探究，以感人的故事情节形象地说明科学家所进行的探究活动通常比较复杂，但其基本过程相近，即发现和提出问题——针对所提出的问题，依据自己已有的科学知识和经验，通过思考，建立猜测和假设——依据探究的目的和条件制订探究计划，通过观察、实验等途径获取事实与证据——对假设进行检验，对探究过程和结论进行评价。
由于初一学生首次接触“科学探究”这一名词，尚未形成完整的概念性认识，以形象的事例来表述“科学探究”而不是概念描述，消除了科学探究的神秘感，激发学生学习、参与科学探究的热情。在教学时，我们组织学生一起分析这一科学故事，感受琴纳不怕天花，敢于探究，遵循科学探究方法从而取得成功的科学情感，共同分析琴纳取得成功的科学途径，从而得出科学探究的一般过程，为学生开展模仿型的科学探究提供“参照物”。
第一册第二章第3节“常见的植物”中，教材再次呈现具有探究环节的案例：“是什么将蝴蝶吸引到花上去的？”，要求学生根据其中的环节，建立自己的假设、根据自己的假设设计实验方案、需要收集什么样的事实证据来证明否定假设。提出猜想是科学探究的一个难点。教材试图以探究框架引领学生参与科学探究，有效地降低探究难度。把重点放在激发学生提出自己的假设，而且鼓励学生提出更多更有个性的假设来，重点放在根据自己的假设来设计实验方案，预测根据自己提出的实验方案可能取得哪些证据来证实或否定假设，激励学生相互讨论，分享自己的见解，并在讨论中反思自己的见解并加以改进。
学生根据花的颜色、大小、形状、气味、生长位置等特征提出各种各样吸引蝴蝶的原因等假设，在讨论中，逐渐形成根据这些假设来设计的实验方案，不少方案别出心裁，富有童趣。教师的作用在于倾听，因为有了倾听，有了赞许的微笑，学生的探究热情被激发，与生俱来的探究欲望和表现自己才能的欲望获得张扬。然而，面对这些假设和实验方案，还需要教师引领学生理性地分析，哪些方案在实施过程中是否可行，哪些方案需要做哪样的改进。帮助学生分析如何在实验中排除无关因素的干扰，对实验条件进行有效控制，如何设置对照组，如实验组和对照组之间除花的颜色外，其他方面如大小、形状和气味等都应当是相同的。提示学生假设可能是正确的也可能是错误的，但不管假设是否正确，在科学探究中都具有同等重要的意义。在收集证据时，不能忽略更不能人为地修改哪些可能否定自己假设的事实证据。进一步规范学生探究的基本要素。
 二、让无实验载体探究在激发学生参与探究活动中发挥催化作用
无实验载体探究既是一则引人入胜的故事，更是一则富有探究的案例。科学知识的产生和发展，就是探究的历程。削离探究历程的科学知识教学是导致枯燥乏味的根源。让学生徜徉在探究中，是激励学生学习科学的甜蜜“糖衣”。
第一册第三章第1节“我们居住的地球”中，没有直接叙述地球和太空的知识，而是提出古代人们对地球形状的不同认识：古代中国人认为天是圆的，地是方的；古代印度人认为大地是一个圆盾，由三头大象驮着，站在乌龟背上；古代巴比伦人想象大地是个龟背般隆起的空心山，大陆四面环绕着海水，有一个浑圆的巨大罩盖在上面。这些人类幼稚的地球观虽然是错误的，但这些想象富有奇妙。这种古代人类对地球的看法就是一种科学假设，这种假设是怎样被证明是错误的呢？教材虽然没有明确地以科学探究的基本过程来展示，但其中却蕴含着科学探究的内涵。
这些古代看法及其被证伪的过程就是科学探究的过程，其探究道路之艰辛、跨越时空之久远、参与探究人数之众多都值得推崇，值得学生回味。可以通过浓缩历史，浓缩探究历程，以一种无实验载体的形式再现。在教学中，要求学生根据地球是个球体这一看法例举出现象，除了教材中提出的“天涯海角”为什么总是走不到边？为什么远去的帆船的船身比桅杆先消失？这一现象外，你还发现什么现象也能说明地球是个球体？除了教材中提供“铅笔在篮球和木板上的移动”作为“远去的帆船的船身比桅杆先消失”现象的模拟实验方法外，你还能设计其他模拟实验吗？虽然无法拿地球作为实验载体，但我们可以通过其他方法如无实验载体或模拟实验来进行探究。
 第六册第一章第1节“宇宙的起源”中，教材提出了“宇宙是怎样诞生的？最终是否会走向终结？”的探究问题，提供了古代传说：“盘古开天辟地”、“上帝创造了天地和万物”。激发学生去了解宇宙，了解关于宇宙创始的神话故事，猜想一下古代人为什么会对宇宙的起源形成这样的认识，激发学生自主了解宇宙起源的现代解释。
 正如教材所指出的那样“对于宇宙的过去和将来究竟会怎样，目前还没有一致的看法”，许多假设都有待于科学家去探索，许多著名的科学家如爱因斯坦、霍金等都对宇宙进行理论解释。那么，为什么教材要把一个尚未定论的有关宇宙起源的问题交给初中学生呢？认识宇宙一直是人类的梦想，掌握知识显然不是主要的，重要的是知道有许多人在对宇宙感兴趣，有许多关于宇宙的新认识、新观点。这些知识如果是教师言语传授的，将显得苍白。那就把这些疑问交给学生好了，在宇宙起源问题面前，教师和学生一样都是外行人，都同样需要学习。关于本节课内容，共同学习共同探究也许是最好的教学组织形式。
宇宙知识的学习是如此，元素符号、元素周期表的学习也是如此。
 第四册第一章第5节“表示元素的符号”中，教材提供了“初步认识元素周期表”的探究活动。这是根据已有的元素周期表而不是实验载体的科学探究。要求根据元素周期表围绕着“元素周期表中的元素是如何排列的”问题展开探究，通过查找一些元素，把元素的核电荷数——元素名称——元素符号——核外电子数——相对原子质量——单质类别的主线联系起来，进一步分析每一周期的元素类型的变化、元素之间存在什么内在联系，以及自己的“新”发现。
 这样安排学习元素周期表，是让学生“做”中学，自主探索中学习。教师不应代劳，学生自主获取的知识价值远远高于教师提供的“现成”的知识。学生通过探究，学会的不仅是对元素同期表的了解，还有可能由此形成对周期表的兴趣，感受周期表具有严谨变化规律的内在美，获得一些科学启示，产生一些新的想法……而这些，是无法通过教师语言传授来达到目的的。
 我们还可以开展一些课外链接式的拓展：通过互联网或查阅资料，了解元素周期表的相关知识；了解元素周期律的发现史；了解门捷列夫发现元素周期律的方法及对我们的启示。
 三、让无实验载体探究在引领学生开展思想实验中发挥思辨作用
奥地利著名科学家、哲学家恩斯特·马赫认为，“除有形实验外，还有在较高理智水平上使用的其他实验，即思想实验。思想实验实际上是没有传统狭义上的实验载体的“实验”，在科学教学中是一种无实验载体的思想探究。
第二册第二章第7节“牛顿第一定律”中，教材提出一个基本问题：物体不受力作用时，将做什么运动？一个静止的物体，如果不受到力的作用，将保持静止的状态。运动的物体，如果不受到力的作用，是不是立即停止运动了呢？并指出“这个问题难以直接通过实验作出回答，因为我们很难为运动的物体创造一个‘不受到力的作用’的实验条件。”这就迫使我们改进通常的以实验探究的教学策略，可以采用新的策略即“实验加推测”的教学策略。
这种研究策略在科学史上也曾起到重要作用。尤其是“牛顿第一定律”的发现历程：300年前，伽利略设计了“斜面实验”得出结论：如果物体在运动中不受到力的作用，它的速度将保持不变。后来，笛卡儿补充了伽利略的认识，指出：如果物体不受到任何力的作用，它不会向左、右方向偏，将永远沿原来的方向做匀速运动。牛顿总结了伽利略等人的研究成果，进一步得出：一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持匀速直线运动或静止状态。
伽利略设计的“斜面实验”实际上是一种“思想实验”，是无实验载体的探究。教材引用了伽利略的斜面实验的设计思想，通过小车从斜面上滑下后，为什么最终会在水平面上停下？等问题探究和改变斜面材料猜测探究小车运动速度变化的讨论，重在如何控制实验条件以及推测改变水平面的光滑度小车最终运动变化从而进行大胆提出设想：假如小车在运动中不受到任何阻力，运动情况会是怎样？
依据实验探究，并在此基础上进行思想探究进行深化。类似的教学活动还可以在课外让学生探究重的物体下落得快还是轻的物体下落的得快还是两者一样快。课外介绍伽利略另一著名的思想实验：自由落体的运动规律。这些教学活动侧重点不仅在于让学生建立起科学认识，还应在于让学生认识到科学探究具有多种形式，某些无法用实验来完成的探究可以转换思路，巧妙设计和大胆推测，甚至利用逻辑推理来完成。
 第五册第四章第2节“食物的消化与吸收”中，教材提供了“人的消化系统”的组图，要求学生读图开展探究活动。图比文字直观，易吸引学生的眼球。读图的主体应是学生，教师的解读宜适度，以防喧宾夺主。读图也是一种无实验载体的探究活动。教师应指导学生如何读图，读出什么信息，需要提供必不可少的探究问题：“构成人体消化系统的消化器官有哪些？它们之间是如何连接的？有哪些消化腺？各消化腺分泌的消化液流入的部位在哪里？消化器官的结构有什么特征，是如何适应其功能的？”
 同样，教材还提供了“营养物质的消化与吸收”示意图，教学功能与上例相同。但该示意图更具抽象性，各种转化关系较复杂，需要留给学生足够的自主探究时间，要给学生自主表达的机会，学生间的交流对加深理解，加强记忆具有特别重要的意义。
 四、让无实验载体探究在培养学生多种能力上发挥独特作用
无实验载体探究形式多样，不拘一格，在培养学生多种能力上能发挥实验探究所难以达到的独特作用。
1、培养学生挖掘和利用信息的能力
第二册第四章第4节“日历上的科学”中，教材提供了“节气和物候”的探究。这种探究显然不是狭义上的实验探究，其探究方法是查资料、走访当地气象站，请教有经验的成人，结合自己的长期观察，进行长期的记录、统计、分析来获得探究结果。
类似的教学活动还有：观察近几年的日历，比较公历和农历，探究近几年中农历的年、月、日在公历中的位置是否一样？为什么会这样？农历中的什么成分在公历中的位置是固定的？农历年和公历年的闰月有何区别？为什么会这样？我国农历中的二十四节气分别具有什么意义？对人们的生产和生活具有什么指导和预告作用？按照二十四节气划分的四季与你居住地实际的四季变化是否相符合？
这些活动宜设计为课外探究，课内汇报交流，讨论评价。
 2、培养学生分析和处理信息的能力
 第三册第一章第9节“水的利用和保护”中，教材提供了“各大洲的水资源情况”表，以数字形式具体提供了亚洲、非洲、北美洲、南美洲、欧洲、大洋洲的“多年平均年降水量、多年平均年蒸发量、人口数”，要求学生根据这些数据完成“多年平均年经流量、水资源总量排序、多年从均年径流量和人均水资源量排序”，进一步探究世界水资源的分布特点、各大洲的年径流总量和人均年径流量的排序变化，阐述自己对这些问题的看法。
 这种探究侧重于数据分析，没有实验载体，但要求学生能利用图表信息，进行有效的数据处理。与实验载体的科学探究所培养能力的侧重点不同，然而却是科学探究中的重要形式。因此，在教学中需要加以利用，使图表的数据成为真正由学生自主探究的资源。
 应当看到，我国水资源存在着总量大、人均少、分布不均的特点。不少城市面临着水资源短缺的危机，旱涝时刻威胁着我国大部地区，然而，又普遍存在着水资源浪费和污染，水资源利用率不高的现象。因此，不论从培养学生探究能力还是激发学生的责任感和危机意识，有关水资源的科学探究这类无实验载体的探究都需要我们在教学中加以引入、拓展和强化。
 类似的科学探究选题有：我国水资源的分布和利用现状；我国南水北调工程概况；我县水资源及水污染调查；我家水消费统计和节水对策；我校、居民区、乡镇的用水情况调查；写一份节约用水的倡议书；想象一下，如果一天没有水，我的生活会怎样……
3、培养学生关爱生命的意识
第三册第三章第4节“动物的行为”中，要求学生完成“精神因素对人体正常生理活动的影响”探究，也同样需要通过查找资料，走访心理教师或心理医生，对同学等人群进行有针对性的调查取证，并对获取的资料进行整理，完成探究报告。
 这个探究活动贴近学生生活。影响学生精神状态的因素很多，存在许多共同点，如考试压力、学习碰到的困难、交友挫折、老师评价等。初中学生正处于生理发育与心理逐渐成熟的关键期，各科教师都需要予以关怀，这是科学人文性的一个体现。当然，这个探究活动是无法也不能以实验为载体，探究方法是查阅资料、走访、调查。通过探究活动，让学生了解自己，了解同龄人，学会正确对待心理成熟期中所遇到的各种问题，正确认识到精神因素与生理活动的紧密联系，关爱自己的生命。
 第六册第三章第1节“健康”中，教材安排一个活动：制作“健康金字塔”，还可以制作“饮食健康金字塔”，在制作中学会养身，形成健康概念。
 第六册第三章第2节“来自微生物的威胁”中，教材安排一个活动：“什么时候流感的发病率最高”，这个活动可以缩小探究切口，比如调查本校学生流行性感冒发病率，并提供了一个调查案例作为参考，类似的调查活动还有：色盲调查，中学生饮食调查，中学生吸烟现象及其原因的调查分析等。
 4、培养学生热爱环境的意识
 第四册第三章“植物与土壤”安排“当地水土状况调查”的探究活动，要求在条件许可下，选择一项或几项进行研究：走访当地环保部门，了解当地土壤污染状况的原始资料，了解当地水体富营养化的原始资料，作出评估，提出对策。通过调查活动，了解当地水土状况，练习信息获取的方法和处理能力，体验保护环境的重要性，产生热爱家乡建设家乡的积极情感。
 类似的拓展探究活动有：调查当地土地与农用耕地状况；调查当地城市发展与土地开发利用状况；调查了解当地土壤类型；查阅资料了解我国土地荒漠化及其原因；畅想和描绘我的家乡发展前景，等等。
 第五册第二章第3节“常见的材料”中安排了一个思考“每年有大量废干电池被丢弃，其中的有毒物质会污染环境，用什么办法处理废干电池？”和一个讨论“每天，你和家人在购物之后，共带回多少个塑料袋，对于这些塑料袋你们是如何处置的？你觉得应该如何处置才对环境造成的危害最小？”
 材料是社会发展的见证和基石，每一个时代都有自己鲜明的材料特征。干电池和塑料袋的大量使用，是当今时代的特点，两者在人类活动时提供了必不可少的物质基础，但同时也给环境带给沉重负担。因此，教材安排两个探究活动，试图让学生体验到环境保护需从小事做起，可从我们自身行为做起。
 课外拓展探究有：当地酸雨情况以及对农作物和建筑物的影响，要求选定采集酸雨样品的时间地点，调查该地农作物和建筑物受酸雨侵蚀的情况，进一步分析该地酸雨的主要成因，提出防治酸雨保护环境的建议；调查家庭物品中的金属材料的使用情况，金属废品的回收。
 5、培养学生关心祖国发展的情感
 第五册第三章安排了“我国大江大河水电站建设的情况”调查，要求通过图书馆、互联网等手段获取资料，了解我国大江大河上已经建造了哪些水电站，这些水电站运行状态如何，产生了哪些经济效益和社会效益，在地图上标出这些水电站的大致位置，写出资料综述性文章。
 我国水电资料比较丰富，利用前景可观。水电又是清洁能源，水电站还具有防洪、养殖、航运等多种功能，因此，很有必要让学生了解我国水电资源的利用。特别是三峡大坝的建成，更是一件具有深远意义的大事。通过这些探究活动，可以让学生学习许多综合性的知识，了解许多课堂无法传授的知识，对于拓宽学生知识面，了解国情，增强民族自豪感都有积极意义。
 链接课外拓展探究还有：我国核电站建设的文献综述探究，世界各国核能利用以及与核有关的新闻。
以实验为载体的科学探究和无实验载体的科学探究各承载着不同的教学功能，对学生不同能力发展中发挥着各自独特优势。在教学中，两者不能偏废，宜根据教学需要灵活运用，相互补充，使之相得益彰。
 
 参考文献：
 朱清时：科学（七年级至九年级共六册）浙江教育出版社，2005年

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