学生实验设计能力培养初探
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就目前小学科学实验教学情况来看，很多教学涉及实验设计能力的培养。现在的实验教学多数都是学生按照教师或课本上预先设计好的过程机械地操作仪器，盲目地记录数据，然后拼凑实验报告。这种做法对培养学生能力毫无益处。从实际教学情况来看，也不会降低教学难度，学生在不明就里的情况下听懂或看懂别人的实验设计，花费的精力似乎不少于学生亲自设计所花费的精力。笔者通过几年的教学实践发现，培养学生实验设计能力不仅完全可行，而且是提高教学质量、减轻学生负担的根本途径。我们根据学生情况并参照心理学、教育学规律，制定了以下方案，经实施成效显著。
一、划分实验类型，明确设计环节
小学科学实验按其目的可分为：①探索性实验；②验证性实验；③测定性实验。每种类型的实验都有其特定的设计思路。探索性实验的设计思路是：考查所研究的科学过程中涉及到哪几个物理量（即所研究的过程需要用哪几个参量来描述），想办法测出这些物理量的几组对应值，然后分析归纳得到这些物理量之间的函数关系。验证性实验的设计思路是：任何科学规律都包含条件、结论两部分，满足定律所要求的条件进行实施（即在实验中重复定律所描述的科学过程），测量几组对应的描述该科学过程的物理量的值，如果其间的函数关系与定律结论吻合，则定律得以验证。对测定性实验，我们主要研究的是间接测定某个科学的实验。其思路是：考查待测量在哪些科学过程中出现，又与描述这些过程的哪些量有关，在这些量中又有哪些可以直接测量，找出这些直接可测量与待测量之间的关系，再由该关系求出待测量。
通过分析发现，无论哪种实验，都离不开两组相关对应的物理量测定。按照《谱论》的观点，我们把两组相关对应的物理量叫做物理显谱联。这样，无论哪种类型的实验，都可以归纳为以下几个环节：①确定谱联，创设科学图景；②选择器材；③编排实验步骤；④设计记录表格。实验设计过程的实质，就是设计测谱联和处理谱联方法的过程。清楚了实验的设计环节和思路，就可以有针对性地对学生进行设计能力的培养了。
二、确定能力构成要素，找出其中关系
与实验设计环节相对应，实验设计能力包括：①寻找确定谱联的能力（判断力）；②创设科学图景的能力（时空想象力）；③量值估算能力（计算能力）。这三部分称为实验设计能力构成三要素。其中寻找确定谱联的能力与确定谱联和设计记录表格相对应；量值估算能力与合理筛选实验仪器相对应。三者彼此依存，相互关联，构成一个有机的统一体――实验、设计能力。例如，量值估算的对象是谱联中涉及的物理量，创设的科学图景中涉及的物理量还是谱联中的物理量，而确定谱联从某种意义上讲也隐含了构想科学图景的过程。弄清了三要素之间的关系及其特点，就可以根据其特点和规律制定实验实施方案。
三、依据要素特点，进行强化训练
心理学研究发现，培养能力一般需经过这样的过程：寻找能力构成要素→分别强化形成技能→综合连贯形成能力。按照上述理论，培养和提高学生实验设计能力的关键是强化能力构成要素形成技能，而练习又是形成技能的基本途径。
所谓练习是指有目的、有计划地采取必要的方法，并不断改进某种动作方式或智力活动方式，逐步熟练和完美的重复活动过程。因此练习不同于动作的机械重复。单纯的重复对技能的形成不一定有好处。在没有改善动作方式的指导和要求的情况下，盲目重复往往会把不正确的动作方式巩固下来。有人写了一辈子的字，仍然写不好，这是由于没有根据一定要求有计划地练字，只是机械重复写字动作的缘故。苏联教育家赞科夫十分强调练习在学习中的作用，但他反对盲目地、多次地、单调的重复。所以要想通过练习形成技能，必须做到以下几点：
①明确练习的目的和要求，掌握有关技能的基本知识。在练习过程中，老师既要对学生进行全部练习目的指导，又要让学生了解每一种练习的具体目标和要求。当学生明确了练习的目的要求以后，便能形成完成练习的内部动因，从而调动学习的积极性，更加自觉地进行练习。否则练习会使学生感到枯燥无味。例如，指导学生练习量的值估算时，学生明确了进行量值估算是为了确定所选仪器的量程（测量范围），再传授给他们具体的估算方法后，学生都能踊跃地练习估算。
②要掌握正确的练习方法。掌握正确的练习方法，可以避免盲目尝试，提高练习的效果。我们的做法是：教师首先通过言语讲解，使学生获得关于练习方法的清晰表象。有了模仿的样板以后，再让学生自己练习，就可以收到较好的效果。例如，指导学生练习确定谱联时，教师先示范确定谱联，再让学生练习确定同一类型的谱联，并通过反复练习进行强化。在练习之前，要对不同类型的设计要素进行划分，以便对每部分分别强化。划分的原则是：1. 根据实验类型进行划分；2. 根据谱联类型划分；3. 根据仪器类型划分。
③要让学生知道每次练习的结果。学生在每次练习之后，如能及时知道练习的结果，并对结果有所分析，就能对自己做出正确评价，也就能集中精力克服困难，改正错误。从生理机制上看，肯定成绩和优点就能使有关的神经联系受到阳性的强化；而挖出缺点和错误，就能使有关的神经联系受到阴性的强化，这样就加速了分化过程，促进了正确的暂时神经联系系统的形成。例如，我们对学生的设计方案及时采用面批面改的形式进行评价，肯定成绩与优点，指出缺点和不足，提出改进意见。通过这样的反复强化，使学生对构成实验设计能力的诸要素都能熟练掌握，就可以进一步通过综合训练而逐步形成能力了。
四、加强综合训练，培养设计能力
在学生熟练掌握了构成实验设计能力诸要素――技能之后，就可以通过综合训练培养设计能力了。具体做法是：让学生按照教师传授的设计思路对教材中的实验进行再设计，实验课上让学生按自己的方案完成实验。实验课后，再让学生练习设计一些与本实验同类型、同系列的实验以强化其掌握设计思路和仪器性能，在条件允许的情况下让学生通过实验发现自己方案的不足，并加以修正，教师同时对学生的方案进行批改，并引导学生共同分析。分析的内容包括：1. 实验类型；2. 设计环节；3. 谱联类型和仪器类型（即实验系统）。通过分析，使学生进一步提高综合能力，把各个环节连贯起来，从而形成完整的实验方案，最后达到培养和提高设计能力的目的。
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