重視探究實驗材料的設計和改進培養(yǎng)創(chuàng)新人才

袁友軍

《科學課程標準》提出了“科學學習要以探究為核心”這一基本理念，科學探究既是科學學習的目標，又是科學的學習方式。實驗是進行科學探究的主要方式，是論證猜想和假設的實質性過程，是知識的發(fā)源地和素質提高的有效手段，因此可操作的、成功的實驗是課堂教學的基石。學生的分組活動貫穿了整個小學科學教學的始終，而分組活動開設的成功與否關鍵就在于探究材料的設計和改進。但在教學實踐中，從教師對材料的準備到學生動腦實驗設計、動手操作實驗時常伴隨一些苦惱，如教材所建議的很多探究實驗不盡合理、實驗室和材料包無匹配的實驗材料、實驗設計復雜難以實施、實驗現(xiàn)象模糊或者對比效果不明顯等。對于這些現(xiàn)象，作為科學教師應因地制宜，適時改進。教學實踐證明，實驗設計的好壞直接關系到教學的成功與失敗，利用好了，能夠培養(yǎng)更多的創(chuàng)新人才。下面，筆者就科學教學中的一些探究實驗材料的設計和改進談談個人的一些具體做法。

一、化模糊為科學

科學以其嚴謹?shù)膶嵶C邏輯特征，成為推進人類文明進步的重要方法和途徑。因此，“像科學家研究科學那樣進行學習”是小學科學倡導的重要學習方式。因此，科學探究活動必須符合清晰、準確的要求，服從邏輯、事實，排除非科學因素的干擾，對探究材料設計和改進必須具有科學性，科學探究活動的設計和材料的選用需要經(jīng)過科學的論證，必須符合科學探究的規(guī)律，只有這樣才能提高科學探究效果。但在科學教材中，有些探究活動的安排就顯得比較模糊，對學生形成科學的概念會產生不利的影響。

如《聲音的變化》一課中，教材安排了四個裝水量不同，但大小相同的杯子，通過敲擊來分辨聲音的高低變化，這一實驗受到很多因素的影響，如杯子的材質、敲擊的部位、玻璃的厚度等，受這些因素的影響，關于聲音的高低就有了很多的觀點。在網(wǎng)絡上主要有三種觀點：①認為是杯子上部的空氣振動發(fā)聲，即水越多聲音越高；②認為是玻璃杯和水一起振動發(fā)聲，即水越多聲音越低；③認為是杯子上部的玻璃振動發(fā)聲，認為水阻礙了下部玻璃的振動，認為是水越多聲音越高。既然在我們科學教師中都產生了這么多的爭議，我們?yōu)槭裁床荒苷{整思路，設計或改進探究材料，使它更具科學性呢？其實也很簡單，在教學中，我就準備了四個裝水量不同的試管，用紅墨水將水染紅，使學生能直觀地看出水的多少不同，然后用吹的方法使試管發(fā)出高低不同的聲音。這樣，吹出來的聲音是由試管中的空氣柱振動發(fā)出的，水少時，空氣柱較長，發(fā)出的聲音就較低，水多時，空氣柱較短，發(fā)出的聲音就較高。通過這樣的設計和改進，不僅材料準備簡單，實驗現(xiàn)象明顯，而且受無關因素的影響也很小。

二、化平淡為神奇

好奇是學生的天性，愛玩是學生的本能。探究材料的趣味性能使學生在無意間全身心地參與到探究活動中去，這種沒有強壓硬灌的操作能更好地讓學生去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，一組好玩的材料還能調控課堂教學，不至于教師為課堂的“紀律”而操心。尤其在城鎮(zhèn)小學，在學生比較多的大班額的課堂教學中，教師要放手讓學生探究，強化學生思維的有效性，利用探究活動，特別是能激發(fā)學生興趣的探究材料，讓“興趣”這只無形的手引導學生走上認知、探究、發(fā)展之路。

如在《空氣占據(jù)空間》這一課中，教材用烏鴉喝水的童話故事引出，石子占據(jù)了水的空間，將水擠出來了，讓學生理解什么叫占據(jù)空間，再通過幾根吸管和一塊橡皮泥，在不傾斜瓶子的情況下，利用空氣把水從瓶中擠出來，理解空氣也會占據(jù)空間。但這一過程對于學生來說，首先《烏鴉喝水》的故事學生早就熟知了，對學生缺乏吸引力；其次用空氣將水擠出來的過程，較為抽象，學生的興趣也不大。因此，在實際教學的引入環(huán)節(jié)中，我將放置在泡沫上的蠟燭點燃，放置在水面上，然后用倒扣的杯子壓入水中，點燃的蠟燭隨著教師的按壓逐漸下降，當水面漫過燭焰時，學生發(fā)現(xiàn)燭焰并沒有熄滅，蠟燭在水面下燃燒著。學生的興趣充分激發(fā)了，學習的積極性提高了，思維被放開了，注意力全部都集中到了實驗上，都想搞明白是怎么一回事。通過一組簡單的探究材料，就能很快地將學生引入學習，使學生產生神秘感、好奇心和強烈的探究心理，激起學生探索科學的興趣和欲望，提高了學習的積極性和主動性。

三、化繁雜為簡便

小學科學探究實驗材料的選擇要符合小學生的認知水平，貼近學生的實際，準備簡便，易操作。但現(xiàn)行科學教材中呈現(xiàn)的個別探究材料不僅準備麻煩，而且在操作過程中還會出現(xiàn)各種問題，操作程序更復雜或者影響實驗效果。

如在《做一個鐘擺》這一課中，教材已經(jīng)用插圖的形式告訴教師，實驗材料選用木條和金屬圓片，可事實上木條和金屬圓片并不是很理想的實驗材料。一是木條重量輕，受空氣阻力相對較大，對擺的影響也較大；二是金屬圓片很難固定在木條上，如果用螺絲固定，則改變金屬圓片的位置比較麻煩，不僅浪費探究時間，而且給學生的操作帶來麻煩。怎么辦呢？該如何設計和改進呢？我就采用金屬尺和磁鐵來進行實驗（圖略），但研究后發(fā)現(xiàn)金屬尺比較寬，對擺的快慢可能會帶來一定的影響。我又用了鋼鋸條，并用它代替金屬尺。實驗表明，鋼鋸條較教材中提示的木條和塑料棒更具結構。一是鋼鋸條擺動時受空氣阻力的影響相對較小，二是鋼鋸條長度也比較符合對擺錘探究的需要，三是鋼鋸條兩端的小孔可以用來綁擺繩。但也有問題，一是有鋸齒不安全，二是磁鐵吸在上面容易滑動。而且鋼尺風阻比較大，擺動的時間較短，如果要測試一分鐘的擺動次數(shù)就有點困難，另外也會產生鋼尺旋轉現(xiàn)象，影響擺動。最終我選擇了空心鋼管，然后在鋼管上配上環(huán)形磁鐵，利用環(huán)形磁鐵套在鋼管上來調整擺錘的重心，經(jīng)過這一系列的調整，擺動的時間可以持續(xù)一分鐘以上，而且還不會產生旋轉，擺動很穩(wěn)定。

四、化無形為有形

在《土壤中有什么》一課的備課活動中，杭州市教研員徐春健老師認為：“科學探究活動在一定層面上來說其實是對材料的比拼。”在《空氣占據(jù)空間》一課中，由于空氣是無色、無味、無形的，給學生的研究帶來很大的難度，如何將無形的空氣轉化為學生看得見摸得著的對象，就成了本節(jié)課教學的難點。教材安排了杯子入水，杯底紙巾不濕的實驗。這個實驗比較簡單，材料單一，便于操作和分組實驗。但作為教師如何引導學生理解紙巾不濕與空氣占據(jù)空間之間的因果關系，講起來有些抽象，學生不易理解。如果調整才能將無形的空氣轉化為有形，促進學生理解空氣占據(jù)空間呢？

如圖1，我首先用一個底部有小孔的杯子倒扣水中，讓學生觀察杯子的情況，由于空氣是無色無形的，而水也是無色的，學生很難發(fā)現(xiàn)杯中是否有空氣的存在，我就在杯中放置一個紅色小球，再倒扣壓入水中，觀察紅色小球的位置，推斷杯中的情況。學生發(fā)現(xiàn)小球在水槽底部的原因是杯中存在空氣，小球沒有浮起來。而后又將杯子底部小孔的塞子拿掉，小球慢慢浮上來了，說明杯子中的空氣在逐漸地被水排開，水占據(jù)了空氣原來占據(jù)的空間，最后我又讓學生探究，先將杯底的小孔用塞子塞住，利用吸管和氣球將空氣灌入杯中，空氣又開始占據(jù)被水占據(jù)的空間，小球又慢慢地回到水槽的底部。在這一過程中，教師就充分利用材料這一無形的手將無形的空氣轉化為有形，有效解決了空氣能占據(jù)空間這一難點。

設計精巧的探究材料是提高科學探究成效的重要保障，設計簡單、實用、安全的科學探究實驗材料是每一位科學老師不斷的追求。從《空氣占據(jù)空間》一課的材料設計過程發(fā)現(xiàn)，科學實驗探究材料需要我們教師有一雙善于發(fā)現(xiàn)的慧眼，將日常生活中的一些材料進行設計和改進，將學生探究中的一些難以直接觀察、無形的現(xiàn)象轉化為有形，從而提高探究的有效性。

五、化片面為全面

在小學科學教材中，安排了很多的探究活動，其中有些探究活動只研究了相關知識的某一個方面，學生獲得的知識不夠全面。如五下科學《運動與摩擦力》中，教材只研究了摩擦力的大小與物體的重量、接觸面的光滑程度之間的關系，但在后面《設計制作小賽車》一課中，又出現(xiàn)了賽車為了增大摩擦力，將輪胎做的很寬，因為摩擦力的大小還和接觸面的大小有關，因此為了讓學生全面掌握知識，就需要教師在教學中將片面的、不完全的知識補充完整，以滿足學生的探究需要。

如在《光和影》一課中，教材安排了用手電筒照射距離墻面不同遠的三個木塊，在墻面上比較影子的不同，教材的活動設計是在光源和屏的位置固定的情況下，只改變遮擋物的位置讓學生進行探究。其實影子的變化不僅僅與遮擋物的位置有關，也與屏和光源的位置有關，改變光源和屏的位置，也會影響影子的大小。教學時，我在研究教材、理解教材編寫意圖的基礎上，設計了分組實驗材料幫助學生理解和探究（如圖2）。

其中這三者之間的距離可以自由調節(jié)，遮擋物處還能自由轉動，以調節(jié)光源照射的角度。這組材料的設計，不僅可以隨意改變這三者之間的距離，而且還可以自由調節(jié)光源照射的角度。實驗安排了三個方面的探究活動：活動一，遮擋物和屏不動，只移動光源的位置；活動二，光源和屏不動，只移動遮擋物的位置；活動三，光源和遮擋物不動，只移動屏的位置。這三個活動由小組合作來完成，在活動前提醒學生：在改變一個因素的情況下，其他因素不能改變，再用一張?zhí)羁帐降挠涗洷韺嶒炗涗洷韼椭鷮W生歸納和概括實驗的發(fā)現(xiàn)，降低了學生探究的難度，能使學生用科學的語言加以歸納和概括。通過對材料的這一設計和改進，使學生不僅知道影子的大小與遮擋物的位置有關，還與光源和屏的位置有關，獲得較為全面的知識。

六、化抽象為直觀

小學科學課是從三年級開始設置的。從認知水平說，三四年級的學生開始從以具體形象思維為主要形式逐步向抽象邏輯思維過渡，但學生思考問題仍然主要依賴于具體形象思維。到了小學高年級學生出現(xiàn)了一定的抽象思維，但這時學生抽象思維只是初步的，很不成熟，具體形象思維仍占較大的優(yōu)勢。在小學科學教材中，有很多關于地球與宇宙的知識，由于小學生空間想象能力不足，對于小學生來說就顯得非常抽象，因而在科學課堂中，往往會采用一些模擬實驗的方法，化抽象為直觀，讓學生通過模擬經(jīng)歷知識得到的過程，真正理解知識。而在這一過程中，探究材料的設計與改進就顯得尤為重要。

如在《證明地球在自轉》一課中，從擺的擺動方向為什么會發(fā)生偏轉來證明地球在自轉，因為這一問題本身含有非常抽象的科學原理，而這一點對于小學生來說，就會覺得難以理解，因此教材安排了一個模擬實驗（圖略），用鐵架臺做支架，掛上擺，將鐵架臺和擺一起放到一個圓底盤上，先讓擺前后來回擺動起來，再緩慢而平穩(wěn)地轉動圓底盤。當圓底盤轉動后，觀察擺擺動的方向是否改變。這一探究實驗主要存在兩個問題：一是用鐵架臺來做擺的支架，不方便，而且很難將擺錘放置在圓底盤的中心；二是轉動底盤時很難做到平穩(wěn)，速度忽快忽慢，影響到擺的平穩(wěn)。怎么樣才能讓擺在圓底盤上靈活而又平穩(wěn)地轉動呢？我在底盤下方放置一個輪子，像大圓桌底部的滑輪一樣，讓底盤能自由而平穩(wěn)的轉動，然后在底盤上放置一個門字框，將擺捆綁在門字框的中間，這樣就使擺錘能懸掛在底盤的正中央。利用身邊的簡易器材來創(chuàng)造性的設計和改進探究材料，讓學生利用這一組材料進行探究，材料很簡單，實驗現(xiàn)象很明顯，效果也很好。

七、化粗糙為細致

“目標決定課堂成敗，細節(jié)成就課堂完美。”不知道是誰最先說過這一句話，但這一句話確實對課堂教學做了一個很好的詮釋。如《聲音的變化》一課，教材用一塊釘兩個釘子的木板和一根橡皮筋，盡量用同樣的力度撥動松緊不同的橡皮筋，觀察松緊不同的橡皮筋的振動狀況有什么不同，并描述聲音高低的變化，從而建立物體振動的頻率越快，聲音越高，頻率越慢聲音越低的概念。但這一組材料在實際操作中，存在很多問題：一是橡皮筋發(fā)出的聲音較弱，難以聽清；二是調整橡皮筋的松緊難以掌握；三是用同樣的力度撥動橡皮筋難以控制；四是觀察橡皮筋的振動速度很難。在教學這一課時，為了幫助學生建立科學概念，我精心設計和改進實驗材料，在有合適材料的基礎上，再精心設計教學活動，不斷調整，向細節(jié)要完美，逐步走向成功。

在教學時，我為每組學生提供一組材料（圖略），是一根帶發(fā)聲盒的橡皮筋以增大橡皮筋發(fā)出的聲音，在橡皮筋的一端還設置了調節(jié)旋鈕，自由調節(jié)橡皮筋的松緊，再將橡皮筋拉到盒子邊沿來控制撥彈橡皮筋的撥彈力度。學生實驗后我發(fā)現(xiàn)學生能體驗到橡皮筋松緊的變化影響了聲音的高低變化，但無法比較前后兩次松緊不同的橡皮筋振動速度的變化，到底那一種情況橡皮筋振動速度快，分歧很大，最后只能是老師硬性地強加給學生，這對學生的觀察是一個巨大的打擊！而如果在這里老師能硬性地強加給學生，那又何必讓學生去探究呢？難道學生的科學探究真的就是一個走過場嗎？

為了解決這一問題，我在學生匯報交流中出現(xiàn)分歧時，出示了一根3米長的橡皮筋，用長橡皮筋演示松和緊時橡皮筋振動的快慢，不僅很直觀，對比也很明顯，使橡皮筋的振動速度問題終于解決了。

課堂的得失與成敗，很大程度上決定于課堂教學中每個細節(jié)的落實上。發(fā)現(xiàn)和關注細節(jié)，反映教師的睿智和思想；捕捉和利用細節(jié)，體現(xiàn)教師的實力和功力。在一堂科學課中，像這樣的細節(jié)還有很多很多，為了讓我們的課堂能離完美更近一些，就需要我們通過對過程的精心設計，對探究材料的精心設計和改進，注重對細節(jié)的處理，從而促進探究實驗的順利進行，提高課堂教學的有效性，從而培養(yǎng)更多的創(chuàng)新人才。

（浙江省富陽市富春第五小學）