实验教学是认识科学现象、获取科学知识、探究事物性质及运动规律、理解科学本质的教学活动
［1］。实验教学的有效开展能促进学生探究能力的提升，能发展学生的科学思维水平，尤其对培养高阶思维有着积极的促进作用。但在实际的实验教学中，有的教师以讲实验代替做实验，剥夺学生做实验的机会；有的教师放手让学生去做实验，出现学生“乱做”“乱玩”的现象；有的教师在实验过程中注重实验操作规范和有序的步骤，强调实验现象和实验结论的识记，但没有将动手与动脑有机结合；有的教师一味追求实验的成功，而忽视了实验中存在的错误，错失了分析、评价、创新等高阶思维的培养时机。
1 “五环四步”实验教学的提出
目前，在科学课程实施过程中，实验教学的困境究其原因，一方面是教师缺乏通过实验教学培养学生高阶思维的意识，另一方面是教师缺少能够指导实验教学且行之有效的实验教学方法。为了解决实验教学低效的问题，发挥实验教学的重要作用，浙江省衢州市初中科学教师，在市、区两级初中科学教研员的引领下，通过改进实验教学环节、细化实验教学步骤，创设了促进学生实验能力发展的核心机制，提出了“五环四步”实验教学的基本模式，其核心观点是将实验教学分为五个环节，即“提出问题”“设计方案”“选择仪器”“动手实验”“总结交流”，并在每一个环节中根据教学需要设置“揭示错误”“分析原因”“纠正错误”“检测反馈”四个步骤。学生学习的核心要素包括“暴露”“思考”“转化”“巩固”，教师教学的核心要素包括“观察”“引导”“帮助”“组织”
［2］。实验教学基本模式如
图1所示。
建构主义认为，学习是学习者在一定的学习背景下，根据一定的经验，主动内化和建构知识的过程。在这个过程中，教师是学生的帮助者、引导者。“五环四步”实验教学模式立足于学生的错误认知，在展现错误和纠正错误的过程中，教师作为学生学习的引导者和帮助者，促进学生对实验的真正理解、对科学的本质认识。在该实验教学模式下，课堂实验教学将变得更为紧凑、高效，教学模式中清晰的教学流程，有助于推进实验教学的有效开展。笔者以浙教版科学八年级下册第三章“测定空气中氧气的体积分数”为例，阐述“五环四步”实验教学方法在日常实验教学中的应用。
2 教材分析
本节内容中，教材直接给出实验装置（
图2），通过将集气瓶容积划分为五等份进行验证性实验，在已知实验原理和操作的基础上，进行实验误差分析。这种给予式的实验教学，将本该用实验探索科学的过程变成了解说实验的过程，学生易于依靠记忆的方式学习实验的注意点和结论，而对于操作背后的科学本质问题，仍然存在困惑。这种教学方式无法有效培养学生的问题解决能力，也不足以促进学生科学思维的发展。
因此，在教学中需要将验证性实验转变为探究性实验。从测量氧气体积分数的问题入手，围绕测定空气中氧气体积分数的实验装置设计，开展“五环四步”实验教学，通过方案研讨、器材选择、实验操作、交流总结等环节，引导学生在问题的分析和解决中，不断完善实验装置的设计和优化，在实验仪器的选择和操作中，不断提升学生的思维能力和实验能力。
3 “五环四步”实验教学实践
3.1 提出问题
【实验引入】用集气瓶取一瓶空气和一瓶氧气，把一根燃着的木条先后插入两集气瓶中。通过观察木条燃烧剧烈程度的不同来区分空气和氧气，学生认为木条燃烧得越旺，氧气含量越高。但是对于氧气含量具体指的是什么科学量，却有认知偏差。
【揭示错误】对于含量的多少，学生第一反应是质量的多少或体积的多少，很少用百分比来表示含量的多少，而且更倾向于用质量分数来认识氧气的含量。
【分析原因】学生的判断基于已有的认识，因此在认识氧气含量时，就直观地认为是质量或体积。学生系统地学习过质量分数的概念和计算，对于氧气含量，会认为是质量分数，而不是体积分数。通过师生交流，明确木条能否烧得更旺，实质上是氧气浓度的问题。当空气多少未知时，仅仅描述氧气质量或体积，无法判断氧气浓度，借此引入百分比来表示氧气浓度。进一步引导学生思考：这个百分比是质量分数还是体积分数？以集气瓶为对象分析，气体质量过小，质量分数不仅难以测量，而且误差较大。因此，对于气体，一般用体积直观地表示含量多少。
【纠正错误】通过对气体质量和体积的比较，在学生的辨析中，选择用氧气的体积分数来表示空气中氧气的含量更为恰当。学生在明确用氧气的体积分数来表示氧气含量后，再思考测定体积分数需要测出哪些量？学生很容易得出：需测出集气瓶容积V，测出集气瓶中氧气体积V1，再用V1/V的值表示氧气的含量。
【检测反馈】在设计方案环节中，通过讨论如何测量氧气体积分数，可以检测学生是否真正理解氧气含量指的是氧气体积分数。
3.2 设计方案
如何测量集气瓶的容积以得到集气瓶内空气的体积？学生通过观察圆柱体形状的集气瓶，首先想到的是测量底面直径和高度，然后通过圆柱体体积公式进行计算。一些更严谨的学生会使用集气瓶的内径和高度来进行计算。
【揭示错误】集气瓶的瓶身虽然是圆柱体，但是并不能忽略瓶肩和瓶颈部分的体积，用测量直径和高的方式计算其容积，极不准确，不宜采用。
【分析原因】测量物体体积时，常用的方法是直接测量并计算，尤其对于立方体、圆柱体等规则物体。学生关注的是能否测量，而非测量精度，且对替代法不熟悉。教学中需要引导学生从“能测”向“测准”转变。显然用测算的方法误差太大，而且瓶身也不是十分标准的圆柱体，需要寻求更为准确的测量方法。通过对“能否将空气倒出来测量”问题的思考，启发学生将水装满集气瓶，再将水倒入量筒测出水的体积，从而测得集气瓶的容积。
【纠正错误】通过对集气瓶的整体认识，进行纠错分析，用“倒出空气”来启发学生使用水来替代空气进行直接测量，学生得到准确测定容器容积的一种方法——替代法。分析后，学生动手实验，利用水、量筒很快就测出集气瓶的容积。
【检测反馈】学生是否真正理解替代法，不能停留在说教上。在实验教学中可用实验操作进行检测判断。通过动手实验，不仅能深刻理解替代法的使用，更能提高学生解决实际问题的能力。集气瓶内空气体积测出后，怎么测出这部分空气中氧气的体积呢？通过学生的交流和讨论，提出了“抽气分离法”“氧气消耗法”等方法。因为无法知道抽出的气体是否为氧气，学生容易排除“抽气分离法”。学生更认同“氧气消耗法”，其思路是测出氧气消耗前后空气的质量差，利用质量差结合氧气的密度，计算出氧气的体积。但是具体怎么操作却无从下手。
【揭示错误】将空气中的氧气分离出来测量显然是不可行的，这类错误学生容易发现。测量消耗氧气前后的质量差，再计算出氧气体积是学生常能想到的一种方法，但气体质量本身就很小，天平无法测出前后的质量差，即使用其他工具测出，误差也较大。
【分析原因】从空气中分离出氧气进行测量，符合学生的一般性思维，但气体的性质使学生寻求其他途径解决。转换法是常用的一种科学方法，顺着消耗氧气的思路，容易通过转换法测出氧气的质量，进而计算其体积。氧气的消耗除了质量变化外，是否有其他更容易测定的科学量呢？学生很快聚焦到气压变化上。在密闭的情况下将氧气消耗，气压减小，如果把消耗的氧气用可见的物质（水）补回去，就可以测得被消耗氧气的体积。
【纠正错误】确定质量测定无法达到目的后，通过气压的变化，使用替代法，用填补的水的体积确定被消耗氧气的体积。因集气瓶内气压减小，填补进集气瓶的水的体积会等于消耗掉氧气的体积吗？这是一个易被忽视的问题，需要设计实验进行验证。根据学生的思路设计如
图3所示装置进行实验验证。用注射器抽取气体模拟氧气消耗，比较流入水的体积与被抽走的气体体积是否相等。
【检测反馈】实验设计和验证是检测学生是否理解实验原理较好的方法。通过该实验不仅能理解实验原理，还能验证体积的等量关系。
3.3 选择仪器
在充分认识测量原理的基础上，再由学生自行选择所需的实验器材。学生根据学习经验选择带有单孔橡胶塞的集气瓶、测量水体积的量筒、消耗氧气的木条、导管等。并给出如
图4所示的测量装置。
【揭示错误】给学生一定的思考空间，挖掘学生原有认知能有效揭示错误认识。量筒直接测水的体积不易操作；用木条消耗氧气，是学生最原始的想法，殊不知木条燃烧消耗氧气的同时会产生其他气体影响实验。
【分析原因】在实验原理的学习中，用量筒测水的体积，是导致选用量筒的必然结果。木条能消耗氧气，但会影响实验，这是学生容易忽视的问题。这类“只顾眼前问题不顾其他”的现象在学生学习中是常见的一种错误。所选的器材及实验装置是否可行？操作是否方便？能否达到实验目的？通过这些问题的讨论和交流，学生逐渐明白：量筒太高，不易操作，可用烧杯替代；木条燃烧生成的二氧化碳又占据了一部分体积，影响测量。是否存在一种能消耗氧气，但又不生成气体的物质呢？此时教师给出3种物质：木炭、红磷、金属镁，并给出这3种物质在空气中燃烧的相关资料，让学生选择并阐述理由，最终确定使用红磷燃烧消耗氧气。
【纠正错误】通过对学生原有装置和材料的分析，给出不同物质燃烧的现象，让学生判断并选择合适的器材进行实验，深刻理解了实验原理，也初步开始实验分析。
【检测反馈】教学中动手做一做比说一说更能反馈出学生是否理解实验原理。学生正确选择仪器后进行实验装置的组装，得到改进后的装置（
图5）。
3.4 动手实验
学生用
图5的装置进行实验，发现进入集气瓶中水的体积远超过氧气的体积。
【揭示错误】在实验中，红磷燃烧的同时，导管口大量气体逸出，导致集气瓶内气压过小，影响测量结果。
【分析原因】红磷燃烧，导致气体膨胀，使得集气瓶中的氮气从导管逸出，逸出的气体都被视为消耗的氧气，导致测得的氧气体积偏大。根据实验结果偏大的现象，引导学生进行讨论和辨析。通过深入分析，学生能够明确实验的目的是消耗氧气，若有其他气体逸出，则逸出的气体会被视为消耗的氧气而导致结果偏大。因此，在实验中导管不仅要用止水夹夹住，而且需要等集气瓶冷却后再打开止水夹。同时学生也理解了橡胶塞为何要快速塞紧的原因。
【纠正错误】在实验中发现问题，分析原因，通过改进实验装置解决问题。再次改进的测量装置如
图6所示。改进后再进行实验测量。
【检测反馈】实践检验是验证实验改进是否正确的最佳方式。实验中能解决问题就足以说明学生已经纠正了原来的错误。
3.5 交流总结
学生实验结束后，小组汇报实验结果。各小组实验结果偏大、偏小均有出现。各小组针对实验情况分析并寻找原因，归纳得出结果偏大或偏小的各种影响因素。
【揭示错误】氧气体积的测定受诸多因素影响。由于操作的问题，氧气体积偏大或偏小都是有可能的。比如实验中橡胶塞塞得太慢、红磷用量太少、没有完全冷却、装置漏气等都会影响实验。
【分析原因】根据实验原理，实验中要耗尽氧气，不带入其他气体，而且瓶内其他气体不能逸出。如果红磷过少，无法耗尽氧气会使测得体积偏小；如果塞子塞得太慢，瓶内空气就会受热膨胀而逸出，使测得体积偏大；如果没有完全冷却或装置漏气，气压减小不大，使测得体积偏小。
【纠正错误】结合教材活动进行交流和讨论，理解每个操作步骤背后的原因，认识操作中的注意事项。通过再次实验，验证这些改进是否会使测量结果更准确。
【检测反馈】某学生用
图6所示装置测定空气中氧气的体积分数，实验后发现测得的氧气体积分数小于1/5，你认为下列做法或想法不可取的是（ ）。
A.检查实验装置是否漏气；
B.可能红磷的量不足，没有除尽氧气；
C.没有冷却至室温就打开止水夹，进入瓶内的水减少；
D.将红磷改成足量的木炭，重新实验。
通过对各个选项的分析，反馈学生对实验结果分析的掌握情况。
4 结语
本节课中，主要围绕“测什么？怎么做？如何改进？”等问题开展实验教学，不断揭示学生在学习中可能出现的错误，在启发、追问、补问、反问中分析原因、纠正错误，学生在分析对比、解决问题的过程中运用知识、理解实验原理，实现思维水平和科学素养的提升。本节课完整展现了“五环四步”实验教学在课堂中的实践过程，在五个环节以及每个环节的四个步骤中，教师作为学习的引导者，帮助学生发现问题，启发学生思考问题，在解决问题中凸显学生的主体地位，发展学生的科学思维水平，实现对科学本质的认识。
“五环四步”实验教学方法不仅对实验教学有着指导意义，在其他类型的课堂中，也有一定的实践价值。该教学法的错误揭示以及原因分析是建立在学生前概念基础上的，纠正错误的过程就是不断建构新认知的过程，这对于学生知识的建构和知识体系的形成都具有一定的参考意义。“五环四步”实验教学法的提出，旨在提升教学范式的有效性与操作性，并不是要求教师生搬硬套，而是鼓励教师根据教学目标与教学重点，选择性强化特定教学环节，并通过落实四个关键步骤促进学生能力发展。区域实践证明，“五环四步”实验教学方法对学生深入理解科学原理、认识科学本质、提升科学思维和学科素养都有着重要的促进作用。
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