[科教故事]064做一个严谨的对比实验设计者 [复制链接]

做一个严谨的对比实验设计者

小学科学课程是培养学生科学素养的启蒙课程。现行的小学科学教材中安排了许多科学探究活动，绝大多数需要进行科学实验。在这许许多多的实验中对比实验占了一半以上的份额，具有举足轻重的地位。正确规范地做好对比实验对于提高学生的动手能力、实验操作能力和科学思维能力具有十分重要的作用。

对比实验也叫对照实验，它是运用比较的方法来揭示事物的性质和变化规律的一种实验方法。具体做法是把实验分成两个或两个以上的相似组群进行，其中一个是对照组，作为比较的标准，另一个（或几个）是实验组。实验时把对照组与实验组的结果进行比较，从而确定对比因素对事物性质和变化的影响。由此可知，对比实验的方法是进行单因素比较。要进行单因素比较，则必须设法控制其它可能有影响的诸多因素，尽量使这些因素完全相同。这是对比实验的基本要求，也是对比实验过程中自始至终要遵循的重要原则。套用孩子们的话来表述，那就是只能改变一个条件，其它条件都不能变。

然而，教科版六下科学第二单元第7课《控制铁生锈的速度》中却出现了双变量对比实验，这给老师的分析引领和学生的设计理解带来了不小的麻烦。

一、直面困惑：从“教教材”到“用教材”

《控制铁生锈的速度》一课承接第5课《铁生锈了》最后一部分内容“探索铁生锈的原因”展开的后续活动。对照前后两课内容，给我们的第一感觉就是教材中的实验设计存在一些值得商榷的地方。

1．实验设计违背对比实验原则

    第5课“探索铁生锈的原因”这一部分内容旨在设计实验，先让学生大胆推测“铁生锈可能与空气、与水、与温度等有关”，然后对自己的猜测开展相应的对比实验验证（教材内容如图一）。

图一

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那么，这些对比实验设计，教师应该朝哪个方向引导呢？为了使答案具有明确的导向性，我们可以直接参考第7课第一部分内容的“科学讨论会”（教材内容如图二）。

图二

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从教材呈现的信息表明，我们在第五课引领孩子们设计对比实验时就应该把三枚铁钉分别置于“空气中、半水半空中、油中”。显然，这是一组双变量对比实验，既改变了水这一因素又改变了空气这一因素。但由于学生前期接触的都是单变量实验，即实验组和对照组只有一个量的不同，且在实验过程中确保“单一变量”的操作规范，所以这组实验对孩子们而言，不仅设计上与常规思维严重冲突，而且理解上十分困难，研讨时搞不清楚到底是哪个变量在发生作用。

2．两组实验之间相互交叉关联

第7课第二部分为了进一步探究“铁生锈的快慢”，又设计了一组对比实验（教材内容如图三）。

图三

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这一组对比实验中将四枚铁钉放置在四种环境中进行观察记录，其中“置于空气中、置于潮湿的餐巾纸上”和前面一组实验是交叉重复的，且这组实验在双变量的基础上又增添了一个变量——“盐”，使实验分析更趋向于复杂化。

3．实验时间过短且现象不明显

相对而言，铁生锈是一个缓慢的过程，活动需冲破课堂时空的藩篱，第5课学习时做好实验的起始工作，然后课外每天进行观察记录，为第7课的“科学讨论会”提供科学的证据。然而，我们仔细看教材第38页“科学讨论会”下面的记录单（见图二），仅仅用了四天的观察记录，就出现了明显的现象。实际上用砂皮打过的铁钉在空盘子中四天时间无明显变化，在水盘子中的铁钉第四天时出现水变色现象。

基于种种纠结，我们有必要作更深层次的反思。《科学课程标准》上有这样的阐述：“科学教材是体现科学课程目标和内容的重要载体，是学生学习和教师教学的工具。”其中内涵就是一线教师一方面应尊重教材，另一方面应领会教材是一个指导性的文本，课堂教学不应当是刻板的以知识点为主的“教教材”，作为教师应该读懂教材的知识结构，读通教材之间的逻辑体系，读出教材中那些与知识、方法、能力、素质有关的教育因子，对教材的精妙之处应作深刻理解，对教材的简易之处有完整的认识，对教材的不妥之处能变通处理。《控制铁生锈的速度》一课正是应和了上述理念，教材呈现知识给我们提供了一个活动的蓝本，它需要教师更深入地研读文本，设计更科学、更易理解的对比实验。

二、重新设计：变“双变量”为“单变量”

毋庸讳言，对照实验必须遵循单因子变量原则：实验组和对照组相比只能有一个变量，只有这样当实验组和对照组出现不同结果时，才能确定造成这种不同结果的原因肯定是这个变量造成的，从而证明实验组所给实验因素的作用。简言之，不论一个实验有几个实验变量，都应确定一个实验变量对应观测一个反应变量，这就是单一变量原则，它也是处理实验中的复杂关系的准则之一。高中生物教学中偶尔也会出现双变量实验设计，但无非也是将双变量控制成单变量，然后将习惯上的两组对比实验演变成多组，最后进行系统分析。在这种方法的启发下，我们可将第7课的两大组实验整合成一组六种实验状态：将六枚铁钉分别放置于水、油、干燥空气、常态空气、一半水一半空气和一半盐水一半空气中，实验中要尽可能地控制一些不必要的因素，定期观察记录。

再借鉴初中八年级相关内容的实验设计，我们可以做如下预设引领。

1．试管一：铁钉浸没在煮沸冷却后的蒸馏水中。实验环境：水分充足，空气稀少

师：要研究铁生锈是否和水有关，该怎样设计实验？

生：把一枚铁钉放在有水的地方，另一枚铁钉放在没有水的地方。

师：（出示一杯水），这是一杯自来水，行吗？（引导：自来水中还有别的物质吗？）

生：自来水中有杂质，可能也会导致铁生锈。

师：（出示第二杯水），这是一杯蒸馏水，保证没有杂质。行了吗？（引导：里面还有没有别的物质？）

生：还有空气。

师：（出示一瓶密封的蒸馏水），这瓶蒸馏水，老师将它煮沸了几分钟再冷却的，这样做可以尽可能地将溶解在水中的空气排出。用这水浸没整枚铁钉，为了防止空气再来干扰，再加入菜油封口。（教师边说边做）

2．试管二：铁钉浸没在菜油中。实验环境：没有空气和水。

师：好，铁钉放在有水的环境里实验完成了，怎样放到没有水的环境中？

生：直接放到空试管中。

师：空试管中其实有什么？

生：有空气，还有水蒸气。

师：这些我都不想要，怎么办？

生：真空。

师：很好，只是真空环境太麻烦了，所以我想了一个别的办法，把铁钉完全浸没在菜油里。（请学生上台操作）

3．试管三：铁钉放在用电吹风吹过的空试管中。实验环境：干燥的空气，水分稀少

师：继续研究第二个问题，铁生锈是否和空气有关，该怎样设计？

生：把一枚铁钉放入空气中，另一枚放在没有空气的地方。

师：没有空气的环境前面我们已经做了，（将一枚铁钉放入空试管中），这样行吗？刚才说了空气中还有什么？

生：水蒸气。

师：怎么把把水蒸气赶跑？

生：加热试管内的空气，让水蒸气跑出去。

师：（拿出电吹风）现在我们就将水蒸气尽可能地赶跑。（打开电吹风吹一分钟，将铁钉放入，迅速用橡皮塞封口）

4．试管四：铁钉放在空试管中。实验环境：空气、水分均常态

教师引导前面只是将铁钉置于干燥的空气内，所以还非常有必要补充这样一个实验。

5．试管五：铁钉的一半浸没在蒸馏水中。实验环境：空气正常，水分充足

在试管内装入少量蒸馏水，使铁钉一部分在水里，另一部分裸露在空气中，但不封口，使其与外部空气接触。让学生分析实验环境。

6．试管六：铁钉的一半浸没在加盐后的蒸馏水中。实验环境：空气正常，水分充足，且加入了盐

在试管中加入蒸馏水并加入少量食盐，将铁钉一部分浸泡在盐水中，而另一部分裸露在空气中，也不封口，使其与外部空气接触。

六支试管创设了六种环境，这样设计的目的就是为了严格控制变量，简化实验过程，排除次要因素的干扰，尽可能让学生从简化实验产生的现象中发现某种变化规律。而且，针对实验时间短且现象不明显这个弊病，可以将观察记录改为一个月，每周只做三次记录，即到实验室上科学课前就可完成。实验组数也可适当缩减，六至八人一组亦可。

三、深入研讨：使“纯表象”现“真科学”

通过一个月的实验观察，学生获得了丰富的实践信息，第7课的教学就从孩子们的记录表展开研讨。

铁生锈了观察记录表

1．依次呈现试管一、二、三

通过观察分析，可以知道铁在单纯的水环境中是不易生锈的；铁在菜油环境中是不会生锈的；铁在干燥的空气环境也是不易生锈的。铁钉是由铁元素组成的，含有少量的碳，在潮湿的空气中由于受水分、氧气、二氧化碳等物质的作用，表面很容易生成铁锈，铁锈疏松多孔，因而使内层的铁继续被腐蚀，出现层层脱落现象。一号试管内有水无空气，二号试管内无水无空气，三号试管内有空气无水，所以铁钉不易生锈。

2．出示试管四，并与试管一、二、三作对比

通过观察分析，对比试管一、二、三，试管四内的铁钉既有水又有空气，说明铁生锈的必要条件是水和空气，两者缺一不可。但由于空气中的水蒸气含量少，所以锈蚀不显著且需较长时间。

3．出示试管五，并与试管四作对比

试管五中的铁钉为什么锈蚀十分明显呢？这样，就水到渠成地引出铁生锈是水和空气共同作用的结果。再比较试管四、五，原来铁钉在潮湿的环境下更容易生锈。

4．出示试管六，并与试管五作对比

再出示最后一支试管，试管六和试管五的环境很相似，只不过加了一点盐，但铁生锈最厉害，说明了什么？（说明盐在铁生锈的过程中起到加速生锈的作用。）

完成多次对比系统分析后，师生小结实验结论：①铁生锈是水和空气共同作用的结果，两者缺一不可；②铁在潮湿的环境下更容易生锈；③如果在潮湿环境下加入盐，生锈的程度会加深、速度会加快。

课行进至此，并不急于抛出“如何控制铁生锈的速度”，而是先一起来辩证分析“缓慢”一词。

师：生活中铁生锈的现象几乎是随处可见，那么，你认为铁生锈是比较缓慢还是剧烈的呢？

生：应该是比较缓慢的。

师：的确，它是一种比较缓慢的化学变化，它似乎对我们生活没有什么直接的影响。但是，我们来看一份资料：在英国，每90秒就有1吨钢被锈蚀掉。每年由于钢铁生锈会使英国损失大约50亿英镑，这个数字比政府一年花在中等教育上的全部经费还要多。高速公路立交桥道路交叉处的钢结构，需要不断地涂漆来防止生锈，在18个月的时间内，这项工作就要用掉大约200万英镑。因为钢铁制品的生锈，全世界每年损失的钢铁占当年钢铁产量的20—30%。2011年我国的钢铁产量约有6.9亿吨。那么我们一年将会损失多少钢铁啊？

一系列数据，给学生思想上带来强大的震撼，紧接着再来研讨“延缓铁生锈的方法”。这样设计增强了学以致用的迫切性，真正体现了科学学习的价值所在。

纵观整课教学，教师言语不多，只是穿针引线，将各个环节进行有机串联。学生学得不累，“六支试管”有效击破了双变量实验带给我们的窘境，所有的研讨都基于亲历探究和夯实的科学阅读。在活动中，学生通过观察、实验获得直接认识经验，也通过阅读、收集资料获得丰富的间接认识经验，还通过分析综合整理信息、假设、寻找解释和推理获得由直接认识转化为间接认识的经验，通过合作、讨论、辩论获得与他人交往的经验。这一过程，既不是传统的教学论著中所说的特殊认识过程，也不是单纯的实践过程，而是二者的高度统一。学生正是在经历这种认识与实践相互交错的过程中，从自己的经验走向科学。

诚然，对教学的诠释正是教师在不断解读文本和学生的基础上逐步丰盈的。正可谓“我听了，我忘了；我看了，我记住了；我做了，我明白了！”这种亲身经历，不仅仅指的是让学生主动参与、体验内化，还包括教师对教学理念的践行磨砺。在师生共同成长的行进轨迹上，为他们的终身学习和精神成长奠定坚实基础。