【摘要】用实证的思想开展科学实验探究活动，着重培养学生实证的能力，笔者提出三点策略：制定有结构的实验方案，设计探究实证的路径；采用定量测量的实验方法，精确探究实证的数据；构建有结构的实验模型，展示探究实证的过程，让学生基于论据进行论证，通过对获取的证据进行比对、推理、判断等方式，建构新的科学概念，发展学生科学思维。
关键词: 实证思想 科学探究 科学思维
开展科学实验探究活动的核心是发展学生的科学思维。新课标将科学探究的主要特征界定为“以论据为基础，运用各种信息分析和逻辑推理得出结论。”这样的界定，强调培养学生的实证意识，培养学生在建构科学概念过程中的思维发展，能运用证据和推理对科学现象进行解释。
用实证的思想开展科学实验探究活动，着重培养学生的实证能力，从研究问题出发，寻找有价值的证据，通过实验探究找到这些证据，用这些证据证明自己的观点是否成立。这一过程，学生通过对证据进行分析判断、逻辑推理，建构新的科学概念，发展科学思维。
一、制定有结构的实验方案，设计探究实证的路径
方案制定，是一个组织化的过程，给学生探究实验提供了一条途径，假设猜想、确定变量与不变量、实验方法、操作步骤、注意事项等，并循着这条路径研究问题、逻辑推理、验证猜想，得出实验结论。实验方案制定是否周密，关系到实验探究的有效性，论证的严密性。一个结构化的实验方案，至少包括以下三个部分。
1.提出问题，有理有据
制定一个实验计划，我们首先要明确研究问题是什么，并根据已有的知识经验，有理有据地对实验结果进行预测。如实验“电磁铁磁力大小与哪些因素有关”，从电磁铁的基本构造（铁芯、线圈、电池）出发，引导学生作这样的假设——电磁铁的磁力大小可能与铁芯大小、线圈圈数、电流强度等因素有关。理由呢？在前面两课的探究中，学生已了解电与磁的关系以及电磁铁的一些基本属性。因此，我们的假设是有依据的：电会产生磁导致通电的线圈产生磁，所以可能和线圈圈数多少有关；电流通过线圈才使电磁铁产生磁性，所以可能和电流强度有关；线圈通电后，电磁铁的磁性是在铁芯上产生的，所以可能和铁芯大小有关。
实验的假设必须有科学依据，研究的问题只有在一定可能性的基础上进行探究，才有意义。否则，天马行空，徒劳无益。
2．确定变量与不变量，避免干扰因素
在实验中，我们检验的因素是什么？也就是要改变的条件是什么？怎样改变这个条件？哪些条件保持不变？怎样使实验效果更明显？诸如此类会影响实验探究结果的因素，在制定方案时，都要让学生详尽地讨论。
在研究“纸梁的宽度与抗弯曲能力的关系”的模拟实验中，我们要检验增加纸梁的宽度是否会增强纸梁的抗弯曲能力。怎样改变这个条件呢？学生的做法一般是循序渐进地增加宽度：2cm\3cm\4cm。纸梁宽度以1cm的差距增加，抗弯曲能力差别甚微。这样的证据是无法支持“增加宽度可以增强纸梁的抗弯曲能力”这个结论的。事实上，增加宽度确实可以增强材料的抗弯曲能力，只是我们采用的模拟材料的抗弯曲能力太弱了。如何使对比效果更明显呢？可以采用成倍递增的方法：1倍宽、2倍宽、4倍宽。这不仅是一个改变变量的方法，更是传输了一个科学思想：在对比实验中，为了增强实验对比效果，数据的改变差距要大。
确定变量很重要，把不变量考虑全面也不容忽视。还是研究“纸梁的宽度与抗弯曲能力的关系”的模拟实验，纸梁的材质、长度、厚度、形状、跨度、“桥墩”高度等都要保持不变，连垫圈的规格、摆放的位置、放垫圈的方式都得一致，只要其中一个因素改变了，就可能会影响实验的结果。在对比实验中，控制变量，我们要考虑清楚变量对事物的影响效果，并且控制其他因素不变，这是对比实验中一个重要的思想方法。
3.有结构的记录单，引导有序论证
很多时候，我们花大量时间进行实验方案制定和实验操作，却在短时间内匆忙得出结论。这是草率的，它缺失了实验探究后的深入分析。我们知道实验后的交流，是学生运用实验探究中观察到的现象或收集到的数据进行分析解释、推理与论证的过程，也是学生认知冲突、思维碰撞、建构科学概念的过程。这个时候，我们需要的不是简单的数据记录，而是一张能促进学生有效思辨的有结构的记录单。
下面这个记录单设计整合了影响电磁铁磁力大小的两个因素的实验，使这节课实验环节简约，操作清晰。
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这样一份记录单包含信息量大，不仅有数据的记录，还有实验的顺序、方法的指导、交流的框架，让学生在实验后分析思路清晰，能有序地对实验现象和数据进行全面分析、严密推理。在一定意义上，实验记录单是开展实验探究活动的方向标，也是实验探究活动过程的载体，更是学生进行获取证据、推理论证的支架。
二、采用定量测量的实验方法，精确探究实证的数据
用“数据说话”，是培养学生实证意识的一个重要方法。在很多测量式的实验中，我们都是用数据来描述事物或现象，通过定量分析达到对事物性质和现象背后规律的真正了解。数据的搜集、整理，在于真实，而精确的数据对于论证实验结论更有说服力，更具科学性。
1.数据收集全面化
收集数据是获取证据的过程，数据收集是否全面，势必会影响论据的科学性。常见的数据收集形式有：一是学生根据记录表报数据，没有呈现与分析，使数据失去了其应有的价值；二是小组代表在投影仪上呈现记录表并汇报分析，数据呈现与分析同步进行，但缺乏全班整体数据的横向比较；三是全班汇总比对，发现隐藏在数据背后的规律，揭开实验蕴含的科学道理。第三种做法有价值，培养学生数据采集全面有效性的意识。
如福建省特级教师叶彩虹老师在上《吸热和散热——液体加热和冷却的秘密》一课时，数据的收集方式是先呈现一个小组数据，引导学生观察，汇报发现；再将其他小组的数据录入，进一步对比观察，获取信息；最后汇总全班数据，进一步挖掘数据背后更多的信息。这样的数据收集，逐步推进，既关注点，也关注面，不以偏概全。学生亲历了纵向比较和横向比较的求证过程，判断推理和归纳概括的思维能力得以训练。
2.数据处理数形化
2017年版《义务教育小学科学课程标准》明确指出：“科学探究中的数据处理、模型建立都离不开数学。要尽可能让学生在探究的过程中，应用数学知识和数学思维方式。”实验收集的数据，除了表格，借助柱形图、曲线图等数学方法进行分析，使论证更直观、更清晰、更有说服力。
（1）借助柱形图呈现数据比较
《抵抗弯曲》一课，研究纸的宽度、厚度与抗弯曲能力的关系。一直以来，我们习惯用表格呈现数据，只是通过简单的数据比较来发现增加宽度、厚度都可以增大纸梁的抗弯曲能力，没有深入分析数据间的关系，以及纵向、横向两个维度对差异结果进行分析。在数字化时代，我们利用excel等软件将数据以柱状的图表形式直观呈现。学生可以一目了然地看出各组柱形图的差异，在增大相同倍数时，增加厚度的纸梁承受小垫片增多的数量远远超过增加宽度的纸梁。发现了这样的差异结果，学生的思维推向更深一层，产生新的质疑——要增加纸梁的抗弯曲能力，会不会是增加厚度比增加宽度更有效？
（2）借助曲线图呈现变化趋势
增强纸梁的抗弯曲能力，增加宽度、厚度哪个更有效？让每组同学把增加相同倍数的宽度、厚度的实验数据放在一起，绘制成两条曲线，两者增强抗弯曲能力的变化趋势就一目了然。对组合在一起的曲线图，学生又有什么发现呢？增加宽度的曲线虽呈上升的趋势，但线条平缓，说明增加相同宽度的纸梁，抗弯曲能力提升得不多。增加厚度的曲线几乎呈直线上升的趋势，说明在增加相同倍数的情况下，增加厚度纸梁抗弯曲能力的提升幅度更大。
把抽象的数据转化为形象图形，数形结合，更直观形象，在观察、比较、分析的过程中，更便于找出变化趋势的差异，由现象深入本质，有利于验证当初的猜想。
3.数据测量精确化
实验探究中，收集数据是获取证据的过程，数据的精确与否，决定了论据的说服力。由于实验器材的问题及学生操作的不熟练，很多实验数据是模糊的，甚至导致实验结论与事实相反的结果。因此，老师要多做下水实验，改进实验方法和器材，帮助学生获取准确数据。
（1）选择测量方式
《各种各样的杯子》一课，哪种材料杯子散热快，哪种材料散热慢，老师采用“摸”这一感知的方法让学生去观察。实验结果出现了与事实相反的结论：“塑料杯最热。”“陶瓷杯”比“纸杯热。”“纸杯最热。”众说不一。为什么会出现这样与事实相反的结论呢？我们都知道，在感知中，因某个因素干扰，是会产生错觉的。在五年级的《热水与冷水》一课中，我们就做过这样一个游戏：把手指先伸进冷水再伸进温水，然后把手指热水，学生会觉得温水最热。为什么？这是温差造成的错觉。如果让学生用温度计在杯壁外测温度，就可以得到准确的温差，从而证实塑料、陶瓷、纸、不锈钢等不同材料的散热性能谁最强。科学课是求真的，要教给学生实事求是的科学态度。
（2）改进测量条件
在《冰融化了》一课，实验数据应当是：温度从0℃以下不断升高，到达0℃后保持不变。但实验测量获取的数据与理想值之间会存在比较大的差距，3个小组数据下降至0℃以下，4个小组处于0℃以上并继续升高。究其原因，一是实验用的冰块个体比较大，冰块与冰块之间有较大空隙。插入温度计测量，由于玻璃泡与冰块没有充分接触，温度计测量的可能是空隙中的空气的温度。另外，有的学生操作不当，把温度计靠在杯壁上，影响了测量的准确性。朱建英老师改进冰块制作，在制作冰块时，用与温度计粗细相似的木棒插入装水的玻璃杯中，结冰后将木棒取出，插入温度计测量，玻璃泡与冰充分接触，获得了准确的数据。
三、构建有结构的实验模型，展示探究实证的过程
科学实验中，不是所有的实验都能获得实验数据的，还有一部分实验是探究自然现象，解释其特性、规律或成因的。这类实验需构建实验模型帮助学生直观清晰地观察到现象，并找出各种差异，在交流推理中得到最合理可靠的证据来支持或反驳对某一现象的解释。
1. 活动模型——概念论证的支撑点
心理学研究表明：儿童的思维是从动手开始的，切断活动与思维的联系，思维就不能发展。一些科学概念的建构，需要学生亲历动手体验才能形成。《做框架》一课，学生要构建一个科学概念：三角形稳定性好，不易变形。在数学课上学生已学到三角形比四边形稳定，很多老师觉得这节课简单。其实不然，如何让学生从受力的角度构建“三角形稳定性好”这个概念并不简单，学生需要更直接的经验证据来支撑。
活动模型的构建很重要。如图一，当A处受力时，a、b两边有什么变化？a、b向外伸展。如何使它不变形？拿一横杆用橡皮筋绑在一起成一个三角形活动模型，再观察当A处受力时，a、b两边有什么变化？学生会发现c这根横杆拉住了a、b两边，三角形不易变形。
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再如图二，当a、b受力时，会有什么变化？a、b向内缩进。如何使它不变形？同样，增加横杆c，横杆c向外推，a、b两边就无法往里缩，三角形也不易变形。
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有了以上两次模拟活动，学生感受到了横杆的作用，很容易迁移到四边形中，当四边形受到外力时， 斜杆起到推和拉的作用。通过实实在在的活动模型的操作，学生看到一个事实的证据。运用工具和材料搭建便于学生活动的活动模型，有利于学生直观感知，获取直接经验，在情境中促进学生探索事物，挖掘问题、思考问题、解决问题，给科学概念的建构提供了实证的支撑点。
2.模拟模型——逻辑推论的切入点
对于“地球和宇宙”单元抽象的空间概念，如何引领小学生进行实验论证是很多科学老师面临的难题。如“地球在自转吗？”“昼夜如何交替？”这类课，往往要借助一些模拟模型，模拟天体运动的轨迹，如傅科摆、三球仪、北极星空伞等，引导学生进行实验探究、推理判断，很多未知领域的探索都是运用这种模拟推论的方法。
如何证明地球在自转？一百多年前法国物理学家傅科制造了一个傅科摆，证明了地球在自转。上这节课不是为了让这个实验重现，而是在模拟实验中培养学生对未知领域探究时的逻辑推论能力。有位老师建构了一个摆模型 ，但不是简单的傅科摆翻版，而是为引导学生推论“证明地球在自转”作了巧妙改进，底板是一个转盘，转盘上标明 ，0o、90o、180o、270o，中间悬挂一个圆球，底部可以漏出细沙，留下轨迹。如何运用这个模拟模型摆推论“地球在自转”呢？设计了三个切入点：
（1）从“什么物体在运动”切入，初步认识相对运动。底盘不动，让圆球前后摆动，观察参照物及圆球摆动方向，建立相对运动的概念。
（2）从“模拟底盘转动”切入，揭示事物的本质。按逆时针方向转动底盘——
0o 90o 180o 270o 360o后，根据参照物发现圆球摆动方向始终一致，揭开摆保持摆动方向不变的本质特点。
（3）从“傅科摆模拟实验”视频切入，运用相对运动反向证明。观看视频：傅科摆刻度盘所指示的方向与摆摆动的方向悄悄地发生着偏转，并沿顺时针方向偏转。摆摆动的方向不是不变吗？为什么会发生偏移？这一现象激发了学生思维的火花。从相对运动推理，从摆摆动方向保持不变推断是底下的底盘——地球在运动，地球运动方向在发生变化，从而证明“地球在自转”。
研究天体运动的实验课，模拟模型的构建非常重要，它在学生已有认知和未知领域之间搭起了一座桥梁，引导学生进行观察分析、判断推理，从而培养逻辑思维能力和建构新的科学概念。如北极星“不动”的秘密、恒星的周年视差、日食和月食的成因，没有模型的建构，学生很难找到实验论证之路。
实验探究，不仅仅是让学生动手去做，更重要的是让学生思考“需要寻找哪些证据”、“获得什么样的证据可以证明观点”、“怎样收集这样的证据”，学生反复经历这样的思考过程，在实验中逐步形成实证的思维和科学探究的方法。
参考文献
1.许飞.从生活到科学课堂,科学课[J],2016.2
2.王世龙.数据收集的指导策略，科学课[J],2016.4
3.朱建英.获取真实的数据，科学课[J],2017.4