教育信息化不能让科研实验平面化该如何培养有“一万种能力”的学生？

  《细节决定成败》的作者汪中求曾经讲过一个故事：有一天他问三个小孩，旧轮胎有什么用？一个孩子说，可以放在码头让船靠岸时作缓冲用；另一个说，可以挂在外墙上标识“修车店”；第三个小孩则说，轮胎有一万个用途。“一万”是个虚数，轮胎的成分是橡胶，从它的微观组成来看，是原子。原子重新组合，能形成未知数量的万物。

  汪中求感叹，子曰“君子不器”，君子不要变成一个具体的器皿，而是要根据自身的需求成为合适的材料，那发挥的空间就很大。同样，教学中，教师也需要有“轮胎有一万种用途”的逻辑，唯有如此，才有培育学生创造性思维的可能。

  传统教学常常是点对点的理念，以一个知识点解决一个问题，学生需要用大量各种形状的容器去匹配不同的知识点，学习方式往往是记忆、背诵、整理、纠错，直到不犯错。但这不应该是学习的目标。就教师而言，引导他们去创造知识，甚至引导他们盼望变成科学家，这才是培养高于应试人才的理想目标。

  2017年，“新课标”对教学提出重要指导，要求培育学生的核心素养。这种素养的特征就是“大、通、合、跨”，仿佛是塑造能容万物的大容器。在“以学生为中心”的教育模式下，教师一定要专注于让学生具有宽广的问题视野，在与学生研讨式的互动中启发和引导学生发现新问题，培育学生解决复杂问题的能力。而这种能力，归根到底，就是要培育学生的科学思维。

  一般而言，个体的学习，就是直接面对人类既有的认识成果，这些客观事物及其联系，往往以符号及符号系统呈现。但每个人的头脑中其实还有一种知识体系，那就是日常生活知识，它不是静态的文字符号，而可以在教师带领下，通过实验、探索等方式去弄清其原理。

  以化学为例。学生往往因为实验吸引而喜欢化学。实验中，丰富的变化是物质在一定条件下发生明显的变化的过程，有高于表象的原理——对学生而言，这是一门创造性的学科。将学生领进化学大门的是一些经典的趣味实验，也可称化学魔术，如大象牙膏、魔棒点灯、红绿灯、碘钟等。

  蓝瓶子实验自1960年至今经过多次改进，已形成稳定、安全、重复性好的兴趣实验。实验原理是：空气中的氧气和葡萄糖在碱性条件下发生氧化还原反应、借助有机分子亚甲基蓝（白）颜色的周期性变化，摇晃锥形瓶时呈现蓝色、静止后又无色。当学生看过“热闹”后，他们会思考，非得加葡萄糖吗？那么多还原剂，可不可以用铁粉呢？生活中食品包装里的脱氧剂主要是铁粉，而亚甲基蓝是花鸟市场观赏鱼用的杀菌药，容易获得。

  有学生尝试了改变，发现制造变量可以复制，他还发现月饼包装袋里的脱氧剂侧边有条红线，当打开包装、脱氧剂暴露在空气中后，这条红线会逐渐变成蓝线，这也是蓝瓶子实验的原理，通过红线是否变蓝来表征脱氧剂是否有效，从而可推知食品是否安全、是否变质。

  化学有很大一部分知识是在需氧和抗氧中博弈，由此衍生出很多化学方程式，让学生觉得繁杂难学，但若在真实应用中引导学生理解记忆，不过就是二元论：得和失、阴和阳、正与负。

  趣味实验引导学生进入理科世界，它的教学功能具有延伸性，不仅为学生学习化学埋下种子，还能引导学生走向自主实验、解密实验背后的化学原理。正如2024年央视春晚的魔术节目，全国观众跟着刘谦做扑克牌匹配实验，成功者期待解密、失败者更希望知道真相。

  教师的作用就是将学生的眼光引向真实世界，并将这些不同事件关联起来。而善假于物是发展科学思维的智慧保障，透过表象看本质，当学生有活化公式符号的能力、有以一当十的策略，才能具备科学思维。

  培养学生的科学素养，实践和体验是重要环节，这些不能离开实验室和实验工具。有必要注意一下的是，当下部分学校常常会过度强化实验安全而导致教师平面化处理实验，由此产生学生的实验体验不足的问题。

  平面化实验即播放实验视频，教师为了节约上课时间，让学生看实验。从时间成本而言，典型的演示教学包括教师现场搭建实验装置、加装药品、启动实验、废弃液体处理、拆除装置等步骤，至少十分钟，这还不包括因不可控因素导致实验失败、重做的时间。

  而如今，信息技术加持下，教师在播放视频时还会快进或只放反应发生那一瞬间的镜头，可能只需花一分钟甚至更少，正如我们质疑“5分钟短视频看一场电影是不是真的看了一场电影”一样，这样的实验课上，学生是不是真的做了实验？有时，教师不仅是为了节约时间，还有对普及信息技术教学的误解，或者对实验存在安全风险隐患的回避，甚至有可能是教师本身的科学素养不足。学校的学习空间有四分之一到三分之一是实验室，而这些空间的使用情况和产出，是一个需要重视并研讨的课题。

  实验的确时间花费较多，如果将实验项目与作业融合起来，让学生回到生活中去体验，可以化解时间成本的问题。事实上，越贴合生活的小实验，越能得到学生的共情。比如日常网购、外卖等能带来保鲜、保活、低温、自热、缓冲、牢固等与材料有关的科学议题；学生的文具袋里可以有pH试纸、胶头滴管等学习工具，通过测定生活中常用物质的酸碱性的活动，自主形成样品处理、物质提纯、误差分析等实验方法。但这些活动往往需要教师结合课程标准的要求和教材内容，为学生提供项目，放大学习空间，让学生在鲜活的真实的生活情境中思考、实践，认识科学的本质，养成科学精神，提高科学素养。这样的实践作业并非增加学生的作业量，而是将习题转化成锻炼学生解决真实问题能力的实验。

  学校的学习空间有教室、实验室、图书馆、运动场，当这些空间都被充分的利用时，当我们的学生能够“泡”在实验室和图书馆时，我们的学生就能更好地发展科学思维，用预见去超越未见。

  俗话说，眼见为实，但那些未见的呢？高中课堂上，学习燃烧三要素时，有学生会问，有没有第四要素？蜡烛在太空中是否能燃烧？2023年9月21日，神舟十六号航天员为地球上的青少年做了蜡烛燃烧的实验。蜡烛在地球上燃烧，火焰呈长条形，而在失重条件下，因为无重力即无密度大小，冷热气体不会产生对流，火焰燃烧呈现球形且不能持久。航天员在相距地球400公里的中国太空站为青少年解密，实验现象符合学生的想象和推测，激发学生产生更多设想，等待被证实或证伪。

  哲学上有个名词叫“思想实验”，即呈现一种想象的场景，由此激发直觉的或推理的回应，思想实验主要是激发思考和澄清难点，实验者从不同角度预测并加以解释，非常有可能创造出新的知识。《庄子·天下》有“一尺之棰，日取其半，万世不竭”的例子，来预测物质的无限可分；伽利略的重力实验也是著名的思想实验，用以反驳亚里士多德的自由落体速度取决于物体质量的理论，也就是说伽利略并没有去比萨斜塔扔铁球。人类通过思想实验去触摸未来。

  所以，创新的前提是思考，而思考的前提是知道，不仅是知道“知道的”，还要知道“不知道的”，才可能开展思想实验。只有切实开展实验教学，体验从趣味实验、自主实验、创新思维、思想实验的进阶，让学生形成科学精神和科学思维，旧轮胎有一万种用途的想法才会自然生成。

  “轮胎”也是一个思想实验，我们不少学生刚进入高中就开始忧愁高考“3+3”的选科，认为选择的科目与未来职业有不可更改的联结，将自己陷入未知性的恐慌中。其实，唯有培育学生的核心素养，当他们成为“大而通”的人，那就具有一万种的工作上的能力和改变世界的冲动。