发现·设计·执行·反思：基于项目化学习流程提升实验教学质量的路径

摘    要：在实验教学中，变量分析扮演着核心角色，对培养学生的科学探究能力、批判性思维与问题解决能力有着重要作用。而“发现·设计·执行·反思”路径可为学生提供一个系统性学习科学原理和实验技能的框架，它包括主动探索、系统规划、实际操作、深度反思四个流程。具体实践中，教师需要根据学生的困惑，引导他们进行变量的识别、控制与分析，经历从实践到问题发现、以变量为核心自主建构实验方案、实施实验或项目、以变量为核心建构数据分析与结论等过程，逐渐深化对科学知识的理解，提升综合素养。

关键词：发现·设计·执行·反思；项目化学习；实验教学

在传统教学模式下，学生往往缺少参与实验设计的机会，并由于对实验目的理解不足和对变量控制认识不清，而难以自主设计实验方案。实际上，在实验教学中，变量分析扮演着核心角色。通过识别和操控变量来探究因果关系，可培养学生的科学探究能力；通过变量控制与分析，可帮助学生深入理解科学概念，培养批判性思维与问题解决能力。因此，笔者聚焦变量分析，根据项目化学习的流程（确定学习主题、设定具体问题、规划项目方案、执行实施方案，作品展示与反思总结），融合建构主义学习理论的核心元素，并借鉴陈沪军的研究［1］，提炼出实验教学的实施路径“发现·设计·执行·反思”（以下借用四个词的英文首字母，将其简称为“DDER路径”），下面先对这一路径作一概述，再以“探究水火箭射程实验”为例具体阐述。

一、DDER路径

DDER路径强调学生通过实际操作和反思来建构知识。

主动探索（发现Discover）：学生在教师的引导下，主动探索和提出问题。这一过程能激发学生的好奇心和学习动机。

系统规划（设计Design）：学生设计实验或项目，计划如何通过科学方法系统地探索问题，这包括变量的控制和预测可能的结果。

实际操作（执行Execute）：学生将理论应用于实践，通过实际操作来探究他们的假设。这有助于学生理解抽象概念及其具体应用。

深度反思（反思Reflect）：项目结束后，学生需要对整个学习过程进行反思，分析实验结果和个人表现，从而改进。

二、DDER路径在实验教学中的应用

在教学“探究水火箭射程实验”时，笔者根据学生的困惑，如不知哪些因素影响射程、不知如何设计实验来探究这些因素、不知如何利用这些变量得出有效的结论等，引导他们进行变量的识别、控制与分析，并基于DDER路径进行实践。

（一）主动探索（发现Discover）——从实践到问题发现

此环节的核心是让学生能主动探索。教师需要设计真实情境，激发学生的好奇心和探究欲望，促使他们主动参与到学习过程中，为后续的深入探究奠定基础。此环节可分解为五个步骤。

一是引入真实情境。通过与实验主题相关的视频、案例故事或现场演示，直观地展现问题情境，使学生能够直接感受到科学实验的趣味性和挑战性。这种方式有助于学生从生活经验中发现兴趣，产生好奇心。

二是提出驱动问题。通过提出开放式（驱动性）问题，引导学生观察、思考，并从现象中发现潜在的科学问题。这种互动可促使学生从具体实例中提炼出普遍原理。

三是小组讨论交流。学生在小组内讨论他们的观察和假设，并在班级内分享。这种讨论不仅能促进学生间的思想交流，还能帮助教师了解学生的思考过程，为后续学习活动提供调整方向。

四是明确学习目标。基于学生的讨论和问题，师生总结并明确本次探究的具体目标。

五是预设学习路径。师生共建可能的探究路径，如实验设计和数据分析方法，使学生对即将进行的探究活动有明确的预期和准备。

【案例1】

［引入真实情境］播放学生发射3级水火箭的视频（事先组织学生进行“水火箭飞行”比赛，并录制视频）。

［提出驱动问题］在学生具身体验了水火箭的发射、了解了水火箭飞行的原理后，笔者提出驱动问题：为什么大家的水火箭发射有远有近？以此引发学生的好奇心，促使学生观察、思考，从现象中发现潜在的科学问题。

［小组讨论交流］基于前期营造的学习情境，学生小组讨论，明确探究影响水火箭射程远近的因素，并提出可探究的科学问题：（1）水火箭射程远近与水量的多少有什么关系？（2）水火箭射程远近与发射角度有什么关系？（3）水火箭射程远近与气压有什么关系？（4）水火箭射程远近与气密性有什么关系？等等。

［明确学习目标］师生共同探讨，然后选择学生所提问题中的“水火箭射程远近与发射角度有什么关系”进行探究，明确探究的具体目标。

［预设学习路径］教师勾画出一个大致的预期和计划，师生共建探究路径，如实验设计和数据分析方法，使学生对即将进行的探究活动有明确的预期和准备。

通过水火箭比赛和视频展示，学生能直观体验科学原理在现实中的应用，感受科学探究的趣味性和挑战性。而引导学生基于亲身体验进行深入思考和讨论，可使其在小组讨论中共享观察和假设，促进思想交流，同时，这也有助于教师把握学生的思考过程并调整教学策略，确保学习活动的针对性和效率。这样精心设计的“发现”阶段，不仅能促进学生的主动参与，还能为深入的科学学习和实验设计奠定坚实的基础，从而提高学生学习的主动性和实效性。

（二）系统规划（设计Design）——以变量为核心自主建构实验方案

此环节，教师的主要任务是引导学生围绕核心变量系统地建构实验方案，学生则要利用自变量、因变量及无关变量来设计实验方案，并通过展示、评价和迭代来优化实验设计。此环节可分解为四个步骤。

一是变量识别。教师需要引导学生理解和区分自变量、因变量及控制变量。这一步骤是设计任何科学实验的基础，要确保学生能够清晰地识别和操作这些变量。操作时要明确三点：如何改变自变量；如何观察因变量；如何控制无关变量。

二是方案设计。在教师的指导下，学生设计实验来探究假设中的变量关系，包括实验的具体步骤、所需材料、预期的操作方式以及结果记录方法。

三是同伴交流。学生展示并评价彼此的实验设计，不仅可以增强批判性思维能力，还可以通过集体智慧优化实验方案。

四是迭代优化。基于同伴的反馈和教师的指导，学生对实验方案进行必要的修改和完善。

此环节的教学采用学生自主发现、自主建构的方式进行：学生先自主设计实验方案再展示，其他学生对这些方案进行交流评价，促进其不断迭代优化。

【案例2】

［任务一］探究“水火箭射程远近与发射角度有什么关系”，请设计一个实验方案。

（部分学生展示实验方案）

［任务二］对展示的实验方案进行评价，交流讨论，并在教师的引导下，建立实验方案设计的一般策略。

师：非常好，感谢这几位同学的修正和优化，使我们的方案逐渐完善。对比修正前和修正后的两个方案，我们可以归纳出哪些设计实验方案的一般策略？在设计实验方案的过程中，我们应该注意些什么？

生1：设计实验方案的一般策略是从变量分析入手，把握住如何改变自变量、观察因变量、控制无关变量。

生2：明确实验目的——从目的里找到自变量、因变量和无关变量（如何改变自变量、如何控制无关变量、如何观察因变量）——就可以设计实验。

在此环节中，学生在教师指导下围绕变量分析自主设计实验方案，深化了对科学问题的理解，培养了创新思维。而通过展示、评价并接受同伴反馈，学生则增强了批判性思维，并在通过集体智慧改进实验方案的过程中，体验到了科学研究中试错和持续改进的重要性。

（三）实际操作（执行Execute）——实施实验或项目

此环节要求学生按照设计的实验方案进行操作，并收集和记录数据。在此过程中，学生需要执行多次实验以确保数据的可靠性，其中，变量控制尤为关键。此环节可分解为四个步骤。

一是实验分组和任务分配。教师根据科学探究问题及学生的兴趣、能力，将学生分组，每组负责一项或多项实验任务。每组设操作员、观察员、记录员、分析员，分别负责：实际操作实验设备和进行实验操作；观察实验过程中的变化，记录任何异常或重要的观察结果；记录实验数据和任何关键的实验操作步骤，确保数据的准确性和完整性；整理和分析实验数据，准备数据的初步解释。

二是多次实验和数据收集：（1）设计多次对照实验以增强数据的可靠性，帮助识别数据中的异常值，确保结果的一致性；（2）创建详细的记录表以跟踪所有重要的实验变量和结果，内容包括日期、时间、实验条件、每次实验的具体数据等；（3）讨论数据收集中可能遇到的问题，如数据偏差的原因、处理无效数据和实验误差的方法。

三是实时指导和问题解决：（1）教师需提供实时指导，确保实验按计划进行，包括确保所有实验材料和设备的正确使用和功能正常；（2）学生在实验过程中可能会遇到意外问题，如设备故障或数据收集错误，需学会如何识别和解决这些问题；（3）强调实验安全，确保所有学生了解并遵守安全规则，针对使用的化学品或设备进行安全培训和指导。

四是实验结果的初步分析：（1）实验结束后，学生应整理和分析收集的数据，为下一阶段的详细分析和讨论作准备；（2）小组成员共同讨论实验进展，反思实验设计或执行过程中的不足，并根据需要进行调整。

（四）深度反思（反思Reflect）——以变量为核心建构数据分析与结论

此环节要求学生不仅会分析实验数据，还需从中提炼科学结论，并与预期结果进行对比，深化主动探究的能力。学生亲身承担收集、分析数据及提出结论的任务，不仅能形成以变量为核心建构数据分析与结论的策略，掌握必要的科学知识与实验技巧，更重要的是，能学会如何运用数学来进行数据分析从而探究未知的规律［2］。此环节可分解为四个步骤。

一是数据整理与可视化。学生首先整理收集到的实验数据，并使用图表和其他可视化工具来展示数据，使数据之间的关系更加直观易懂。

二是结论提炼与验证。通过数据分析，学生探讨变量之间的关系，并形成科学结论。同时，将实验结果与预设的假设或理论进行对比，验证实验假设的正确性。

三是问题识别与讨论。讨论实验过程中遇到的问题和不足，以及这些问题对实验结果可能产生的影响。这一步骤促使学生思考如何改进未来的实验设计。

四是反思总结与分享。学生反思整个实验过程，分析设计、执行等环节的得失，并从中学习如何进行科学探究。向同伴展示自己的实验过程、结果分析和反思总结，实现相互学习，共同进步。

【案例3】

［数据整理与可视化］

师：如果由你来做实验，你想记录哪些项目的数据？请你写在表格上。

（学生在表格上注明记录）

师：这是当时我们记录水火箭射程远近与发射角度的数据。你能把表格转化为坐标，并得出实验结论吗？

（学生描点坐标并展示，其他学生评价）

［结论提炼与验证］师生共建画坐标的一般策略：（1）明确横坐标、纵坐标分别代表什么；（2）明确起点、转折点、终点、格点、交点；（3）用平滑的曲线画出趋势。

师：你能从中找到怎样的规律？

生：在20°～50°，角度越大，水火箭的射程越远；在50°～70°，角度越大，水火箭的射程越近。

师（追问）：书写结论需要注意哪些事项？

生：（1）要写出范围；（2）无关变量应相同；（3）因变量与自变量有关（因变量写在前面），或因变量与自变量成正比。

［问题识别与讨论］围绕以下三个问题进行小组反思讨论。

问题1：得出的结论跟探究时的假设是否一致？

问题2：在实验过程中遇到的问题，对实验结果是否有影响？

问题3：如何改进实验设计和实验操作过程？

［反思总结与分享］小组展示实验过程、结果分析并反思总结。

此环节，学生需要整理实验数据，并通过制作图表将其可视化，以清晰展示数据间的关系和趋势。通过这种方式，学生不仅可以学习如何从图表中识别数据趋势、掌握图表工具的使用，还可从数据分析中提炼出科学结论，进而提升批判性思维和分析能力。学生要将实验观察与理论预期进行比较，以验证假设的准确性。在讨论中，他们探讨实验可能遇到的问题和设计上的不足，从而理解实验结果产生偏差的原因，并思考如何在未来的实验中进行改进。通过总结和分享实验过程，学生不仅深化了对实验的理解，还促进了对科学知识的掌握。

三、在实验教学中应用DDER路径的思考

DDER路径可为学生提供一个系统性学习科学原理和实验技能的框架。在教师的引导下，学生在真实情境中利用变量分析经历主动发现问题、设计方案、执行实验方案和反思实验活动的过程，可逐渐深化对科学知识的理解，提升综合素养。利用DDER路径进行实验教学，需要学校提供充足的资源和支持，如实验材料、技术工具和合理的时间安排，以保障学生有足够的实践操作机会。同时，教师要建构开放的学习环境，鼓励学生加强协作与交流、共享知识和经验，使学生在相互学习与理解中共同进步。随着教育技术的发展和教学理念的更新，教师还可结合在线学习资源、虚拟实验室等新兴工具，进一步丰富DDER路径的应用场景，提高其教学效率和互动性。后续，笔者将努力提升自身的专业能力，学习如何更有效地引导学生在各阶段进行深入探究，从而持续优化和改进DDER路径的教学效果。

参考文献：

［1］陈沪军.思维课堂：引领课堂变革从形式走向本质［J］.教学月刊·中学版（教学参考），2017（3）：3-6.

［2］朱友林.基于“导学·实验·创新”项目化学习指导策略的实践研究：以“开发低成本实验深度探究阿基米德原理”为例［J］.中学物理，2023（10）：23-26.