改进实验活动 引导学生提升科学素养—以初中科学比较金属和塑料的导热性实验为例
设置于初中起始年级的科学学科是八、九年级理科学习的基础。它是紧密承接其他学科的过渡性学科，在上海市中小学科学教育一体化课程框架中具有独特地位，在学科体系上发挥重要的“枢纽”功能同时，也在学生科学素养的形成与发展上起着关键作用。
对六、七年级学生而言，科学素养的形成应基于兴趣、源于活动。因此，教师要在实验活动中激发学习兴趣和探索热情，鼓励学生主动获取知识，敢于质疑和改进。教师要鼓励学生发现问题、提出问题并力争解决问题，在提升科学观念的同时，提高设计与实验能力，自发形成对科学知识的建构学习。
贯穿于科学学习全过程的实验活动，是学生学习科学的必要方式,也是动力来源之一。日常教学中，教师应引导学生基于对实验核心思想的认知与理解，通过改进实验器材，进而调整实验观察点、结论分析点，以提升实验步骤的可操作度、现象的可观察度，以及设计的科学性、结论的严谨性。
“比较金属和塑料的导热性”是牛津版《科学》七年级第一学期第十三章《塑料》中的内容，其中有要求学生根据提供的器材设计比较金属和塑料的导热性实验的活动，并记录实验现象，得出实验结果。
1.原实验设计
(1)设计思路
学生基于六年级第二学期探究不同金属导热性实验时掌握的知识：氯化钴试纸在空气水蒸气的作用下呈现粉色，温度升高水分蒸发后，干燥的氯化钴试纸呈蓝色。得出：根据粉色氯化钴试纸变蓝的程度可反映物质导热性的强弱。同时，学生已形成探究实验设计需运用控制变量法这一科学观念。因此，学生根据提供的实验器材，第一次设计出探究塑料导热性的实验装置(表1)。
表1 原实验装置设计
(2)实验结果
因实验设计时未对氯化钴试纸的位置、容器中水量进行明确要求，导致实验结果受到干扰，出现以下问题。
①氯化钴试纸的位置比较靠近金属棒和塑料棒的上端，因金属棒散热较快使金属棒上的试纸因受传导热变色所需的时间过长，从而产生误导实验结果的现象。
②烧杯是敞开的，向上冒出的水蒸气很快使棒上位置较低的氯化钴试纸变色，掩盖了本实验氯化钴试纸变色的根本原因。
③氯化钴试纸与棒的接触面积过小，变色范围不明显，不利于观察。
这些问题，有的是科学探究中的原则性问题，有的是实验设计问题，这些问题会在一定程度上会影响学生的实验体验。为能获得良好的实验效果，便于得出实验结论，必须针对上述问题加以改进与解决。
2.第一次改进实验
(1)改进思路
针对变色所需时间过长和水蒸气影响的问题，学生提出改进思路和方法(表2)。
表2 第一次实验装置改进
①用塑料袋覆盖烧杯口，并用橡皮筋扎住封口，以阻断水蒸气对氯化钴试纸变色的影响。
②将氯化钴试纸的位置调整至棒的中间，使氯化钴试纸变色所需的时间较为合适，便于观察和比较。
(2)实验结果
改进实验解决了水蒸气的影响，氯化钴试纸变色所需的时间比较适合，仔细观察后能分辨出金属棒和塑料棒上试纸变色的顺序，收到了较好的实验结果。但金属棒散热快、氯化钴试纸和棒接触的面积小，导致变色情况不明显，观察现象一定程度上有较强的主观依赖性等不利因素依旧存在。
要提高实验现象的可观察度，提升实验记录的合理性，需进一步寻找科学有效的解决方法。
3.第二次改进实验
(1)改进思路
①用大小、形状相同的塑料罐和金属罐进行实验。在罐中分别装入1/3罐的等温热水，在罐外壁的最上端相同位置处贴氯化钴试纸。通过增加氯化钴试纸与两种材质的接触面积，扩大了氯化钴试纸的可观察范围。在完全避免金属棒散热快和水蒸气造成影响的同时，又使氯化钴试纸变色的时间更便于观察与比较。
②以氯化钴试纸的变色现象照片为主要记录方式，并对相关的影响因素进行数字化设定，将结果性观察转化为过程中的阶段性记录，提高观察与记录的定量性要求，降低描述的主观性，使实验操作更准确规范，实验结论更科学严谨。
因无法直接找到大小、壁厚等完全相同的金属罐和塑料罐，学生依照金属罐的尺寸，利用3D技术打印了塑料罐，使改进后的实验器材尽量符合控制变量法的要求(表3)。
表3 第二次实验装置改进
(2)实验结果
实验可见，氯化钴试纸的颜色可观察范围变大，变化对照明显，便于观察与比较。同时，实验结果具有一定的定量性保证，能得出正确的结论。
从实验记录可以看见：在10秒时，贴在金属铝罐外壁的氯化钴试纸下部已经开始变色，在约30秒内变色部分逐渐向上扩大，在约1分钟内颜色不断加深。而这段时间内，贴在塑料罐外壁的氯化钴试纸几乎没有变色(表4)。学生一致得出结论：金属铝比3D打印用塑料的导热性强。
表4 氯化钴试纸变色情况记录表
科学观念在科学知识的学习过程中具有极为重要的指导作用。比较金属和塑料的导热性实验聚焦的科学观念主要是：进行科学活动时要遵循科学方法，将零散的科学知识贯通化与结构化。
学生在实验设计中对已学知识进行梳理、提炼和关联性应用，如用氯化钴试纸变色的快慢反映物质材料的导热性能，又如可利用等量等温的热水提供相同的热能等。学生在此过程中将应知应会迁移至新的学习活动，真正做到了“学以致用”。这样，先后所学的知识就建立了一定的系统性和逻辑性，将知识与能力整合成稳定且可发展的体系，并在真实的情境中发挥实际运用功能。学生在实验操作中用量化方式进行实验观察、记录与分析，体验控制变量法的科学性，用主体型“做中学”的方式取代被动型的“听中记”。通过这样的科学活动，学生在具体实操中将已有科学知识进行连通、融合，进而形成更高级的科学观念。
有不少科学实验的现有设计较为传统，有时甚至不一定能清晰呈现应有的现象。随着技术的进步和资源的扩展，在实验教学中，不能停留于“拿来主义”、只满足于原有设计，而要对教学资源更充分地挖掘与创新。创新是新课程改革的一项重要指标。只有利用好新信息、新科技，合理改进实验器材和设计，才能引导学生在感性的体验过程后生成更理性的认知。而这种理性认知越强烈，理解才越科学、越能引发学生的认知冲突，促发深度学习。
改进实验，不仅能以学生为主体推动教材的更新，更能引导学生提升科学素养，让科学学习走得更稳、更实、更远。
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