小学高段科学实验的优化设计与研究平湖师范学校附属小学沈维益一、我遇到的问题或困惑1．科学教学的资源不充分科学教学必须重视实验教学，注重培养学生的动手能力，把学生推到主体地位，调动其积极性，不断激励学生通过观察、比较、实验、归纳、模拟等探索手段提出种种假设和猜想。
但是，长期以来由于场地、人员、实验室条件等因素的限制，小学科学实验的课程资源利用率不够或者说没有合理使用，使得做实验成为了“鸡肋”，食之无味，弃之可惜。
这些无形中给科学教学的科学性产生了影响，长久下去学生也会对科学这一门课程产生质疑。
2.实验材料的选择不典型在科学教学中，要准备丰富的操作材料来激发孩子们的探究欲望，科学材料的选择往往会影响学生对科学概念知识的形成、理解和探究能力。
但是由于传统教学观念的影响，在实践活动中受教科书的影响，教师在材料的准备时往往受到约束，有些材料甚至并不合适实验结论的得出。
当遇到这样的问题时，我们往往苦于不知怎么去用何种材料替代，使得教学更加有效果。
3.科学教学的实验不到位由于知识结构、教学经验的不足，教师在实验教学的组织上、在教学过程中存在着实验不到位的问题。
一些实验由于实验方法形式单一，单纯为了完成教学任务而安排实验；一些实验对实验结论的说服力不强，结论牵强；一些实验教师一手包办现象严重，学生缺少动手和动脑的机会，能力得不到相应的提高。
我们在教学中发现有点实验书本上虽然没有出现，但是对激发兴趣和深化教学内容很有帮助。
二、对问题产生的原因分析以上困惑总是时不时地困扰着我，催促我对这一现状进行分析和改进：（一）科学资源使用需要学校、教师、家长多方面的配合。
科学资源，例如桑树也需要学校为科学教学的开展种植一些。
实验的资源配备也要足，实验室的配备也要合理，教学资源要科学老师通过平时的教学不停地挖掘。
但是由于有些教师没有实际的教学经验，往往一下子找不到解决的方法，有心而无力，或者没有现成的经验来参考。
在实际的教学中，对科学实验资源的优化设计，也是每一位科学老师不断探索努力的方向，是有效进行科学课的前提保证。
（二）纵观3至6年级的教材，教材安排的实验材料不合理或者实验设置不科学。
如：研究上浮物体受到浮力的实验中，教科书用塑料的定滑轮固定，根本无法完成实验的。
这样的情况很多，一些老师按照书上来，结果实验都失败了，不仅挫伤了教师实验的积极性而且造成了孩子不尊重科学实验的情感态度。
（三）也有一些人为因素，一些教师因为有些实验材料的选取不合理，实验操作不到位，实验操作结果和结论不一致，就可能没有安排学生实验。
材料、观察、操作一系列的因素都会影响科学实验。
科学实验的开展，需要科学教师做足做好前期工作，如果一个步骤不到位就会影响实验。
针对以上三点，我开展科学实验的优化设计与研究。
本人将尝试在教学中积累经验，不要让更多的科学教师因为上面的原因而留有遗憾。
基于此，我提出了“小学高段科学教学中实验优化设计与研究”课题。
三、本问题研究综述同类研究的课题有浙江省海盐县向阳小学钱雪祥老师进行过《小学科学“实验记录”的优化策略之研究》，钱老师主要针对实验记录优化，而我此次课题既有实验材料选择、替换、创造性实验、还有实验过程优化、实验结论优化等一系列的研究，研究范围更大更系统。
浙江省桐乡市崇德小学陈梅娟老师的论文《浅谈小学科学实验材料的优化处理》，陈老师主要阐述了材料的优化以个别举例为主，而我此次课题是几乎涵盖了小学高段教师教学中遇到的问题实验，有些方法跟陈老师列举的方法不一样的，但仍旧有异曲同工之效。
四、研究的概念界定和理论依据1．课题界定实科学验：是科学研究的基本方法之一。
根据科学研究的目的，尽可能地排除外界的影响，突出主要因素并利用一些专门的仪器设备，而人为地变革、控制或模拟研究对象，使某一些事物（或过程）发生或再现，从而去认识自然现象、自然性质、自然规律。
优化设计：优化设计英文名是optimization design，从多种方案中选择最佳方案的设计方法。
它以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。
2．研究目标（1）通过研究，使学生在动手实验探究中，形成和培养求真务实的科学态度，提高学生的科学实验素养，探索出一些使学生在科学实验探究方面等综合能力有所提高的有效教学方法。
（2）通过研究课题，优化科学实验策略，提升教学设计组织科学实验的能力，能够有目的、有计划地开展小学科学实验方面的研究。
（3）通过研究课题，探索出一套适合科学教师进行有效科学实验的方法，并在一定程度上提高教师科学实验的应用能力，并在课题实施的过程中收集一些有助于课题研究的资料，细心观察学生在实验过程中所发生一些典型案例并分析形成的原因以及解决的对策。
五、我拟采取的解决问题的策略及具体步骤（一）针对科教版的编排内容，剖析实验问题，梳理实验目录发现科教版的实验内容虽多，但是教材在使用中，或多或少对教材理解有所偏颇，比较随意，不能通过最为有效的方法实现，不能达成实验目标。
现在以五年级的科学教学内容为例来说明一下：（二）优化实验设计，提高实验成效1.优化实验材料，提高实验结论精准度适当处理实验材料，保证效果，操作材料是为科学教育活动服务的，所以必须先明确活动目的，准备的材料必须针对当堂科学活动的目标而来。
有时我们的老师，按照教材准备材料，不一定能够得出需要的数据与结论，也不能整体或多角度地发现事物内在的联系。
例如：五年级下册《橡皮泥在水中的沉浮》一课，要求学生用橡皮泥制作成不同的形状，改变橡皮泥的沉浮。
从而得到改变物体排开的水量，物体在水中的沉浮可能发生改变这个结论。
设计一：橡皮泥、烧杯。
学生用橡皮泥制作成不同的形状，放入烧杯，能够改变橡皮泥的沉浮，但是由于烧杯的刻度比较大，无法读出液面上山的过程，也就无法得出物体排开的水量，结论往往是由教师给出的。
设计二：橡皮泥、烧杯，但是烧杯上的刻度进行细化，我们采用更细的刻度画在纸上，然后粘在烧杯外壁，用每一小格代表5毫升代替原来的50毫升。
学生用橡皮泥制作成不同的形状，放入烧杯，能够改变橡皮泥的沉浮，而且能够清楚的观察出物体排开的水量，结论的得出更加合理。
剖析：两个设计活动材料完全一致，二的活动中指进行了材料上的处理，就很容易的解决了问题。
这样的实验材料的优化其实还有很多。
2.替代实验材料，保障实验效果实验活动中有目的地提供一些材料，材料简单，直观，有趣，才会引发学生与材料的充分互动，有兴趣地探索事物之间的简单关系。
材料应来源于生活，是学生所熟悉的。
例如：五年级上册《光是怎样传播的》一课，要求学生用塑料弯管做实验。
从而进一步验证光是直线传播的这个结论。
然后书上呈现的塑料弯管，很难找到，学生实验往往不到位。
设计一材料：普通手电、塑料弯管。
设计二材料：红外光手电筒（2元钱一个学生可以自带，一般校门口的小店都有）、带弯转的吸管。
学生用手电筒照亮吸管一端，直射到另一端。
弯管后学生用手电筒照亮吸管一端，不能直射到另一端。
从而更有效地得出结论。
剖析：吸管代替塑料弯管，带弯转的吸管可以直可以弯更有利于做对比实验，活动完成的很顺利。
同时红外光手电筒替代普通手电，光线直射更直观，穿过吸管更容易，有利于结论的得到。
3.创造性实验，拓宽实验渠道（1）在教室里取材不方便，有时并不是每个孩子都参与动手。
在研究五年级上册《什么样的土地容易被侵蚀》一课时，要求学生理解坡度的大小、有无植被覆盖、降雨量的大小等会影响土地被侵蚀的程度时就印象不深刻。
设计一：湿润、混有少量沙石的土、有植物生长的土、一侧有孔的长方形塑料水槽、报纸、塑料薄膜、小铲子、降雨器（饮料瓶，瓶盖上分别扎大孔、小孔）、水、接水容器。
设计二：湿润、沙坑、有植物生长的土、一侧有孔的长方形塑料水槽、报纸、塑料薄膜、小铲子、降雨器（饮料瓶，瓶盖上分别扎大孔、小孔）、水、接水容器。
剖析：把沙坑替换混有少量沙石的土，这样改进后学生分组在操场的沙坑上进行，实验效果更加清晰，每个学生都充分地动手起来，对比更加明显，使学生在探究过程中有效的活动。
（2）激发学生兴趣，教师演示为主，前置性实验自主探索。
在学习《磁铁有磁性》一课时，课前准备：设计一：师问：“磁铁能吸引哪些物体的？”直接让学生回答。
设计二：我在和学生学习《磁铁有磁性》一课时，在课前设计了这样的实验：不倒掉水，手也不能碰到水，你有什么好的办法将（放在一个大的量筒里）水中的回形针取出来？孩子们答（略）。
师：说一说，你为什么想到用磁铁来吸引？按照你的方法试一试？剖析：这样的实验很容易激发学生的学习兴趣，有利于调动课堂的积极性。
也为后面的教师提问做了很好的铺垫。
前置性实验自主探索，有时候就很会吸引学生的眼球。
（3）延生性试验，让学生展开探索兴趣。
在学习《光是怎样传播的》一课时，当学生学习完光线在空气中是传播的实验之后，理解了是光（在空气中）是直线传播的。
设计一：很多教师讲授完上面的步骤可能就结束了本课。
设计二：光在水里是怎样传播的？我这里还有一个方法能让大家看到光柱。
杯子里放点淡墨水，然后把灯贴着玻璃杯。
剖析：通过这样的延生性试验，培养学生在生活中仔细观察、发现现象、积极探究的科学精神，提倡做一个生活中的有心人。
（三）实验过程优化指导，让学生学会探索总结1.细化指导，做前建议在学习《磁铁有磁性》一课时，实验前指导：设计一：实验前进行预测哪些能被磁铁吸引，哪些不能，然后用磁铁去吸引。
设计二：实验前进行预测哪些能被磁铁吸引，哪些不能，然后用磁铁去吸引。
只是增加了一个温馨提示：PPT（一个一个拿出来检验，能吸引的放一起，不能被吸引的也放一起，认真记录）。
剖析：看似小小的温馨提示，却能规范实验过程，使学生在实验过程中更加规范操作。
2.实验过程指导在需要长时间研究才能得出科学结论的实验中，我是这样处理的，首先实验指导，然后注重实验过程的观察，教师在这个过程中发星星加以鼓励、激励。
通过激发学生内在探究精神鼓励孩子们一如既往地不断观察、探究。
例如：在学习《绿豆种子发芽》这一课时，要对学生进行对比实验的指导。
设计：例如绿豆种子发芽必须要有水吗？两个组相同的条件：温度、空气，各3粒大小相同的绿豆种子。
两个组不同的条件：水并且告诉学生实验方法：让一组种子得到水，保持湿润，叫实验组；让另一组种子得不到水，保持干燥，叫对照组。
这个实验至少要有两个小组同时进行。
设计一：于是，学生会在家里进行绿豆种子的发芽。
设计二：学生会在家里进行绿豆种子的发芽，下节课带来给老师看，同时记录好记录单，对做实验的学生的科学探究精神发一颗星。
并且在下下节课再次带来观察。
直到长成绿豆苗种在土壤里进行后续观察、记录，这是整一个过程。
剖析：教师要在学生做实验的过程中，不断给予关注，指导，甚至以发星星进行刺激，这样下来学生对于对比实验的研究更加清晰了，比单纯的自己做实验要好。
