在自主建模中提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

沈毅

【摘要】本文闡述了“測量物體運(yùn)動時的摩擦力大小”實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，基于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成目標(biāo)和學(xué)生已有的知識水平，對教材原有實(shí)驗(yàn)誤差大的教學(xué)實(shí)際展開思考和探究，引導(dǎo)和帶領(lǐng)學(xué)生改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，從而縮小實(shí)驗(yàn)誤差，讓學(xué)生經(jīng)歷了與實(shí)驗(yàn)方法相關(guān)聯(lián)的思維過程，自主建模、樂于探究，有效提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】自主建模 科學(xué)素養(yǎng)

《運(yùn)動與摩擦力》 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

反思

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）05A-0070-02

《運(yùn)動與摩擦力》是教科版小學(xué)科學(xué)五年級上冊第四單元的第一課時，教材共安排了三個實(shí)驗(yàn)活動：1.測量物體運(yùn)動時摩擦力的大小。2.研究運(yùn)動時摩擦力大小與接觸面光滑程度之間的關(guān)系。3.研究運(yùn)動時摩擦力大小與物體重量的關(guān)系。其中，學(xué)生親歷“測量物體運(yùn)動時的摩擦力大小”，掌握測量、讀取數(shù)據(jù)的方法，是第二及第三個探究活動有效開展的前提。小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，科學(xué)課以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為宗旨，以科學(xué)探究作為最重要的學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)方式，并在教學(xué)過程中體現(xiàn)“以生為本”的理念?；趯W(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成目標(biāo)，本課以學(xué)生已有的知識水平作為教學(xué)起點(diǎn)，選擇改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置作為切入點(diǎn)，讓學(xué)生經(jīng)歷與實(shí)驗(yàn)方法相關(guān)聯(lián)的思維過程。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

五年級學(xué)生對摩擦力已有感性認(rèn)識，且通過兩年的科學(xué)課學(xué)習(xí)，學(xué)生已掌握了對比實(shí)驗(yàn)的基本方法，具備采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行簡單分析的能力?；谡n標(biāo)、教材、學(xué)情，筆者將本課的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)確定如下：

教學(xué)目標(biāo)：1.通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、制作控制裝置，測量物體運(yùn)動時的摩擦力大小。2.發(fā)展識別和控制變量、采集數(shù)據(jù)和記錄并運(yùn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)論、對研究問題做出合理解釋的探究技能。3.形成敢于提問、嚴(yán)謹(jǐn)實(shí)驗(yàn)、根據(jù)數(shù)據(jù)得出結(jié)論的科學(xué)精神。

教學(xué)重點(diǎn)：1.掌握測量摩擦力大小的正確方法。2.準(zhǔn)確判斷和讀取數(shù)據(jù)。

教學(xué)難點(diǎn)：通過控制變量，有效減小實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

為了有效達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，筆者將本課實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)為三個部分：1.用彈簧測力計(jì)初次測量物體運(yùn)動時的摩擦力。2.用新裝置重新測量（物體運(yùn)動時的摩擦力）。3.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究摩擦力大小與接觸面光滑程度、物體重量的關(guān)系。

三、實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

（一）教材中實(shí)驗(yàn)介紹的不足

教材中用了這樣一句話提出實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)方法：“我們用測力計(jì)沿水平方向拉一個物體，剛好能使這個物體運(yùn)動起來的力就相當(dāng)于它受到的摩擦力?！睂?shí)驗(yàn)原理是根據(jù)物體勻速運(yùn)動時，拉力與摩擦力二力平衡，把測力計(jì)的示數(shù)作為物體摩擦力的大小。在教學(xué)實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)操作有以下困難：第一，接觸面的粗糙程度不同；第二，普通彈簧測力計(jì)隨著拉伸次數(shù)增加，誤差加大；第三，人手拉動物體，無法實(shí)現(xiàn)勻速。基于此得到的數(shù)據(jù)，測量同樣的重物誤差在0.5～1.5N之間，數(shù)據(jù)誤差較大，影響了接下來的實(shí)驗(yàn)，有的小組甚至出現(xiàn)了粗糙面的摩擦力反而小的錯誤結(jié)論。（如圖1）

（二）解決方案：自制摩擦力數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置

基于以上問題，沿用上述實(shí)驗(yàn)原理，我們自制了與程序相配套的摩擦力數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置，以新技術(shù)助推科學(xué)探究，有效解決問題。（如圖2）

四、教學(xué)過程設(shè)計(jì)

（一）聚焦問題，創(chuàng)新教具

教學(xué)開始，學(xué)生用彈簧測力計(jì)初次測量物體運(yùn)動時的摩擦力，對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)誤差大，討論發(fā)現(xiàn)問題：人手拉動物體無法做到勻速。此時，如何實(shí)現(xiàn)勻速是學(xué)生最想解決的問題。因此，我們用“微型電機(jī)”代替人手提供動力，將普通彈簧測力計(jì)更換為自制的帶液晶顯示屏的單片機(jī)測力計(jì)，這是我們對儀器的第一次改進(jìn)。

實(shí)驗(yàn)中還有一個重要現(xiàn)象：學(xué)生發(fā)現(xiàn)測力計(jì)的數(shù)據(jù)在測量的過程中會出現(xiàn)3次波動。第一次，拉力<最大靜摩擦力，物體未動，測力計(jì)讀數(shù)緩慢增加；第二次，拉力>摩擦力，物體運(yùn)動起來，但是讀數(shù)不平穩(wěn)；第三次，物體勻速運(yùn)動時，拉力相當(dāng)于摩擦力。此時的數(shù)據(jù)才是符合我們要求的數(shù)據(jù)。但是教材沒有相關(guān)指導(dǎo)，以往學(xué)生是在教師的要求下做出的數(shù)據(jù)選擇，并非自主思考。所以，我們在第一次改進(jìn)的基礎(chǔ)上，在摩擦力數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置中增加了傳感器、轉(zhuǎn)換器、接收器，自主編寫程序，將數(shù)據(jù)同步轉(zhuǎn)換為圖像，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷與實(shí)驗(yàn)過程想關(guān)聯(lián)的思維過程，準(zhǔn)確地判斷和選取數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)構(gòu)建證據(jù)鏈，用數(shù)學(xué)化歸納和演繹科學(xué)事實(shí)。通過這樣的改進(jìn)，讓學(xué)生在新的實(shí)驗(yàn)裝置輔助下，學(xué)會探究和思考，真正將科學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實(shí)處。

（二）用摩擦力數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置重復(fù)實(shí)驗(yàn)

學(xué)生利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對，誤差能夠縮小到0.1～0.2N。同樣的裝置，通過毛巾和砝碼等簡單器材更改對比條件，即可展開其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)。通過數(shù)據(jù)圖像，學(xué)生可以直觀而清晰地判斷出摩擦力大小與物體重量有關(guān)，物體越重，摩擦力越大。相較原來的實(shí)驗(yàn)，使用摩擦力數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置操作更簡單、更高效，數(shù)據(jù)更嚴(yán)謹(jǐn)，能夠有效突破難點(diǎn)，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)反思與評價

以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更多的是注重實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證功能，學(xué)生更多是作為操作者或者旁觀者，缺少主動的探究和多樣創(chuàng)造。回顧與反思本節(jié)課的教學(xué)，共有如下特點(diǎn)：

1.基于問題進(jìn)行的有效改進(jìn)。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置有效解決了手動測量誤差大的問題，使分組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差縮小至0.1～0.2N。

2.基于學(xué)情展開的有效教學(xué)。本課對實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)的需求來源于學(xué)生探究過程中產(chǎn)生的問題，通過制作摩擦力測量控制裝置解決問題，有效提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

3.有效提升學(xué)生持續(xù)性研究的動力。引入工程學(xué)原理，有效提升學(xué)生開展課后研究及應(yīng)用工程學(xué)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器的興趣。通過這樣的課程學(xué)習(xí)，學(xué)生除了對科學(xué)探究的興趣更加濃厚之外，還對工程學(xué)產(chǎn)生了興趣，這也啟發(fā)筆者在今后的教學(xué)中，應(yīng)更多地嘗試給學(xué)生提供原材料，鼓勵他們自主建模，科學(xué)探究、持續(xù)探究、快樂探究！

（注：本課例榮獲第四屆全國中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)說課比賽一等獎）

（責(zé)編 周翠如）