重视探究实验材料的设计和改进培养创新人才

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  《科学课程标准》提出了“科学学习要以探究为核心”这一基本理念,科学探究既是科学学习的目标,又是科学的学习方式。实验是进行科学探究的主要方式,是论证猜想和假设的实质性过程,是知识的发源地和素质提高的有效手段,因此可操作的、成功的实验是课堂教学的基石。学生的分组活动贯穿了整个小学科学教学的始终,而分组活动开设的成功与否关键就在于探究材料的设计和改进。但在教学实践中,从教师对材料的准备到学生动脑实验设计、动手操作实验时常伴随一些苦恼,如教材所建议的很多探究实验不尽合理、实验室和材料包无匹配的实验材料、实验设计复杂难以实施、实验现象模糊或者对比效果不明显等。对于这些现象,作为科学教师应因地制宜,适时改进。教学实践证明,实验设计的好坏直接关系到教学的成功与失败,利用好了,能够培养更多的创新人才。下面,笔者就科学教学中的一些探究实验材料的设计和改进谈谈个人的一些具体做法。
  一、化模糊为科学
  科学以其严谨的实证逻辑特征,成为推进人类文明进步的重要方法和途径。因此,“像科学家研究科学那样进行学习”是小学科学倡导的重要学习方式。因此,科学探究活动必须符合清晰、准确的要求,服从逻辑、事实,排除非科学因素的干扰,对探究材料设计和改进必须具有科学性,科学探究活动的设计和材料的选用需要经过科学的论证,必须符合科学探究的规律,只有这样才能提高科学探究效果。但在科学教材中,有些探究活动的安排就显得比较模糊,对学生形成科学的概念会产生不利的影响。
  如《声音的变化》一课中,教材安排了四个装水量不同,但大小相同的杯子,通过敲击来分辨声音的高低变化,这一实验受到很多因素的影响,如杯子的材质、敲击的部位、玻璃的厚度等,受这些因素的影响,关于声音的高低就有了很多的观点。在网络上主要有三种观点:①认为是杯子上部的空气振动发声,即水越多声音越高;②认为是玻璃杯和水一起振动发声,即水越多声音越低;③认为是杯子上部的玻璃振动发声,认为水阻碍了下部玻璃的振动,认为是水越多声音越高。既然在我们科学教师中都产生了这么多的争议,我们为什么不能调整思路,设计或改进探究材料,使它更具科学性呢?其实也很简单,在教学中,我就准备了四个装水量不同的试管,用红墨水将水染红,使学生能直观地看出水的多少不同,然后用吹的方法使试管发出高低不同的声音。这样,吹出来的声音是由试管中的空气柱振动发出的,水少时,空气柱较长,发出的声音就较低,水多时,空气柱较短,发出的声音就较高。通过这样的设计和改进,不仅材料准备简单,实验现象明显,而且受无关因素的影响也很小。
  二、化平淡为神奇
  好奇是学生的天性,爱玩是学生的本能。探究材料的趣味性能使学生在无意间全身心地参与到探究活动中去,这种没有强压硬灌的操作能更好地让学生去发现问题、解决问题,一组好玩的材料还能调控课堂教学,不至于教师为课堂的“纪律”而操心。尤其在城镇小学,在学生比较多的大班额的课堂教学中,教师要放手让学生探究,强化学生思维的有效性,利用探究活动,特别是能激发学生兴趣的探究材料,让“兴趣”这只无形的手引导学生走上认知、探究、发展之路。
  如在《空气占据空间》这一课中,教材用乌鸦喝水的童话故事引出,石子占据了水的空间,将水挤出来了,让学生理解什么叫占据空间,再通过几根吸管和一块橡皮泥,在不倾斜瓶子的情况下,利用空气把水从瓶中挤出来,理解空气也会占据空间。但这一过程对于学生来说,首先《乌鸦喝水》的故事学生早就熟知了,对学生缺乏吸引力;其次用空气将水挤出来的过程,较为抽象,学生的兴趣也不大。因此,在实际教学的引入环节中,我将放置在泡沫上的蜡烛点燃,放置在水面上,然后用倒扣的杯子压入水中,点燃的蜡烛随着教师的按压逐渐下降,当水面漫过烛焰时,学生发现烛焰并没有熄灭,蜡烛在水面下燃烧着。学生的兴趣充分激发了,学习的积极性提高了,思维被放开了,注意力全部都集中到了实验上,都想搞明白是怎么一回事。通过一组简单的探究材料,就能很快地将学生引入学习,使学生产生神秘感、好奇心和强烈的探究心理,激起学生探索科学的兴趣和欲望,提高了学习的积极性和主动性。
  三、化繁杂为简便
  小学科学探究实验材料的选择要符合小学生的认知水平,贴近学生的实际,准备简便,易操作。但现行科学教材中呈现的个别探究材料不仅准备麻烦,而且在操作过程中还会出现各种问题,操作程序更复杂或者影响实验效果。
  如在《做一个钟摆》这一课中,教材已经用插图的形式告诉教师,实验材料选用木条和金属圆片,可事实上木条和金属圆片并不是很理想的实验材料。一是木条重量轻,受空气阻力相对较大,对摆的影响也较大;二是金属圆片很难固定在木条上,如果用螺丝固定,则改变金属圆片的位置比较麻烦,不仅浪费探究时间,而且给学生的操作带来麻烦。怎么办呢?该如何设计和改进呢?我就采用金属尺和磁铁来进行实验(图略),但研究后发现金属尺比较宽,对摆的快慢可能会带来一定的影响。我又用了钢锯条,并用它代替金属尺。实验表明,钢锯条较教材中提示的木条和塑料棒更具结构。一是钢锯条摆动时受空气阻力的影响相对较小,二是钢锯条长度也比较符合对摆锤探究的需要,三是钢锯条两端的小孔可以用来绑摆绳。但也有问题,一是有锯齿不安全,二是磁铁吸在上面容易滑动。而且钢尺风阻比较大,摆动的时间较短,如果要测试一分钟的摆动次数就有点困难,另外也会产生钢尺旋转现象,影响摆动。最终我选择了空心钢管,然后在钢管上配上环形磁铁,利用环形磁铁套在钢管上来调整摆锤的重心,经过这一系列的调整,摆动的时间可以持续一分钟以上,而且还不会产生旋转,摆动很稳定。
  四、化无形为有形
  在《土壤中有什么》一课的备课活动中,杭州市教研员徐春健老师认为:“科学探究活动在一定层面上来说其实是对材料的比拼。”在《空气占据空间》一课中,由于空气是无色、无味、无形的,给学生的研究带来很大的难度,如何将无形的空气转化为学生看得见摸得着的对象,就成了本节课教学的难点。教材安排了杯子入水,杯底纸巾不湿的实验。这个实验比较简单,材料单一,便于操作和分组实验。但作为教师如何引导学生理解纸巾不湿与空气占据空间之间的因果关系,讲起来有些抽象,学生不易理解。如果调整才能将无形的空气转化为有形,促进学生理解空气占据空间呢?   如图1,我首先用一个底部有小孔的杯子倒扣水中,让学生观察杯子的情况,由于空气是无色无形的,而水也是无色的,学生很难发现杯中是否有空气的存在,我就在杯中放置一个红色小球,再倒扣压入水中,观察红色小球的位置,推断杯中的情况。学生发现小球在水槽底部的原因是杯中存在空气,小球没有浮起来。而后又将杯子底部小孔的塞子拿掉,小球慢慢浮上来了,说明杯子中的空气在逐渐地被水排开,水占据了空气原来占据的空间,最后我又让学生探究,先将杯底的小孔用塞子塞住,利用吸管和气球将空气灌入杯中,空气又开始占据被水占据的空间,小球又慢慢地回到水槽的底部。在这一过程中,教师就充分利用材料这一无形的手将无形的空气转化为有形,有效解决了空气能占据空间这一难点。
  设计精巧的探究材料是提高科学探究成效的重要保障,设计简单、实用、安全的科学探究实验材料是每一位科学老师不断的追求。从《空气占据空间》一课的材料设计过程发现,科学实验探究材料需要我们教师有一双善于发现的慧眼,将日常生活中的一些材料进行设计和改进,将学生探究中的一些难以直接观察、无形的现象转化为有形,从而提高探究的有效性。
  五、化片面为全面
  在小学科学教材中,安排了很多的探究活动,其中有些探究活动只研究了相关知识的某一个方面,学生获得的知识不够全面。如五下科学《运动与摩擦力》中,教材只研究了摩擦力的大小与物体的重量、接触面的光滑程度之间的关系,但在后面《设计制作小赛车》一课中,又出现了赛车为了增大摩擦力,将轮胎做的很宽,因为摩擦力的大小还和接触面的大小有关,因此为了让学生全面掌握知识,就需要教师在教学中将片面的、不完全的知识补充完整,以满足学生的探究需要。
  如在《光和影》一课中,教材安排了用手电筒照射距离墙面不同远的三个木块,在墙面上比较影子的不同,教材的活动设计是在光源和屏的位置固定的情况下,只改变遮挡物的位置让学生进行探究。其实影子的变化不仅仅与遮挡物的位置有关,也与屏和光源的位置有关,改变光源和屏的位置,也会影响影子的大小。教学时,我在研究教材、理解教材编写意图的基础上,设计了分组实验材料帮助学生理解和探究(如图2)。
  其中这三者之间的距离可以自由调节,遮挡物处还能自由转动,以调节光源照射的角度。这组材料的设计,不仅可以随意改变这三者之间的距离,而且还可以自由调节光源照射的角度。实验安排了三个方面的探究活动:活动一,遮挡物和屏不动,只移动光源的位置;活动二,光源和屏不动,只移动遮挡物的位置;活动三,光源和遮挡物不动,只移动屏的位置。这三个活动由小组合作来完成,在活动前提醒学生:在改变一个因素的情况下,其他因素不能改变,再用一张填空式的记录表实验记录表帮助学生归纳和概括实验的发现,降低了学生探究的难度,能使学生用科学的语言加以归纳和概括。通过对材料的这一设计和改进,使学生不仅知道影子的大小与遮挡物的位置有关,还与光源和屏的位置有关,获得较为全面的知识。
  六、化抽象为直观
  小学科学课是从三年级开始设置的。从认知水平说,三四年级的学生开始从以具体形象思维为主要形式逐步向抽象逻辑思维过渡,但学生思考问题仍然主要依赖于具体形象思维。到了小学高年级学生出现了一定的抽象思维,但这时学生抽象思维只是初步的,很不成熟,具体形象思维仍占较大的优势。在小学科学教材中,有很多关于地球与宇宙的知识,由于小学生空间想象能力不足,对于小学生来说就显得非常抽象,因而在科学课堂中,往往会采用一些模拟实验的方法,化抽象为直观,让学生通过模拟经历知识得到的过程,真正理解知识。而在这一过程中,探究材料的设计与改进就显得尤为重要。
  如在《证明地球在自转》一课中,从摆的摆动方向为什么会发生偏转来证明地球在自转,因为这一问题本身含有非常抽象的科学原理,而这一点对于小学生来说,就会觉得难以理解,因此教材安排了一个模拟实验(图略),用铁架台做支架,挂上摆,将铁架台和摆一起放到一个圆底盘上,先让摆前后来回摆动起来,再缓慢而平稳地转动圆底盘。当圆底盘转动后,观察摆摆动的方向是否改变。这一探究实验主要存在两个问题:一是用铁架台来做摆的支架,不方便,而且很难将摆锤放置在圆底盘的中心;二是转动底盘时很难做到平稳,速度忽快忽慢,影响到摆的平稳。怎么样才能让摆在圆底盘上灵活而又平稳地转动呢?我在底盘下方放置一个轮子,像大圆桌底部的滑轮一样,让底盘能自由而平稳的转动,然后在底盘上放置一个门字框,将摆捆绑在门字框的中间,这样就使摆锤能悬挂在底盘的正中央。利用身边的简易器材来创造性的设计和改进探究材料,让学生利用这一组材料进行探究,材料很简单,实验现象很明显,效果也很好。
  七、化粗糙为细致
  “目标决定课堂成败,细节成就课堂完美。”不知道是谁最先说过这一句话,但这一句话确实对课堂教学做了一个很好的诠释。如《声音的变化》一课,教材用一块钉两个钉子的木板和一根橡皮筋,尽量用同样的力度拨动松紧不同的橡皮筋,观察松紧不同的橡皮筋的振动状况有什么不同,并描述声音高低的变化,从而建立物体振动的频率越快,声音越高,频率越慢声音越低的概念。但这一组材料在实际操作中,存在很多问题:一是橡皮筋发出的声音较弱,难以听清;二是调整橡皮筋的松紧难以掌握;三是用同样的力度拨动橡皮筋难以控制;四是观察橡皮筋的振动速度很难。在教学这一课时,为了帮助学生建立科学概念,我精心设计和改进实验材料,在有合适材料的基础上,再精心设计教学活动,不断调整,向细节要完美,逐步走向成功。
  在教学时,我为每组学生提供一组材料(图略),是一根带发声盒的橡皮筋以增大橡皮筋发出的声音,在橡皮筋的一端还设置了调节旋钮,自由调节橡皮筋的松紧,再将橡皮筋拉到盒子边沿来控制拨弹橡皮筋的拨弹力度。学生实验后我发现学生能体验到橡皮筋松紧的变化影响了声音的高低变化,但无法比较前后两次松紧不同的橡皮筋振动速度的变化,到底那一种情况橡皮筋振动速度快,分歧很大,最后只能是老师硬性地强加给学生,这对学生的观察是一个巨大的打击!而如果在这里老师能硬性地强加给学生,那又何必让学生去探究呢?难道学生的科学探究真的就是一个走过场吗?
  为了解决这一问题,我在学生汇报交流中出现分歧时,出示了一根3米长的橡皮筋,用长橡皮筋演示松和紧时橡皮筋振动的快慢,不仅很直观,对比也很明显,使橡皮筋的振动速度问题终于解决了。
  课堂的得失与成败,很大程度上决定于课堂教学中每个细节的落实上。发现和关注细节,反映教师的睿智和思想;捕捉和利用细节,体现教师的实力和功力。在一堂科学课中,像这样的细节还有很多很多,为了让我们的课堂能离完美更近一些,就需要我们通过对过程的精心设计,对探究材料的精心设计和改进,注重对细节的处理,从而促进探究实验的顺利进行,提高课堂教学的有效性,从而培养更多的创新人才。
  (浙江省富阳市富春第五小学)
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