小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化

李路加

小學(xué)科學(xué)是一門以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為宗旨的課程，實(shí)驗(yàn)探究是其中的重要組成部分。然而，在教學(xué)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)：一些實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的現(xiàn)象并不明顯，甚至我們根本看不到。因此，筆者以“聲音的變化”一課為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，在獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的“可視化”，促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高。

小學(xué)科學(xué)把探究活動(dòng)作為學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的主要方式，強(qiáng)調(diào)從學(xué)生熟悉的日常生活出發(fā)，通過(guò)學(xué)生親身經(jīng)歷和動(dòng)手動(dòng)腦等實(shí)踐活動(dòng)，提高學(xué)生的科學(xué)能力。如果學(xué)生想從探究活動(dòng)中獲得新知，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀呈現(xiàn)是必不可少的。然而，有些實(shí)驗(yàn)因?yàn)槠湎鄬?duì)抽象而難以直觀；有些實(shí)驗(yàn)雖然可以達(dá)到教學(xué)效果，但是學(xué)生獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方式主要依賴于聽、想，這樣也就失去了可視化的意義。因此，我們就有必要探究如何將科學(xué)實(shí)驗(yàn)所獲得的現(xiàn)象“可視化”地呈現(xiàn)給學(xué)生。

一、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化的意義

一方面，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化顯示，真實(shí)地反映了實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行過(guò)程，并且增大了教學(xué)的容量，使學(xué)生獲得了更為直觀形象的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。另一方面，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化有利于學(xué)生掌握基本知識(shí)、基本方法，培養(yǎng)學(xué)生的技能和能力，使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，真正做到“我看到，很直觀，便真正理解了”。

二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化的途徑

第一，借助計(jì)算機(jī)軟件將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更好地呈現(xiàn)出來(lái)。王甲春等通過(guò)Matlab這一計(jì)算軟件，采用了Matlab GUI技術(shù)，模擬工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并可任意改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)值對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，取得了良好的成效。

第二，通過(guò)圖形語(yǔ)言，如簡(jiǎn)筆畫、示意圖、韋恩圖等方式，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以描述。小學(xué)生的思維模式以感性經(jīng)驗(yàn)為主，在思維發(fā)展的過(guò)程中，需要具體形象的事物作為支撐，圖形語(yǔ)言恰好能滿足這點(diǎn)。

第三，運(yùn)用相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)現(xiàn)象加以可視化。在科學(xué)研究過(guò)程中，數(shù)據(jù)是進(jìn)行實(shí)證的重要依據(jù)之一，它主要是指學(xué)生在觀察、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所獲得的相關(guān)數(shù)字。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在科學(xué)研究過(guò)程中起到了不可替代的作用，正確地運(yùn)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于學(xué)生形成科學(xué)態(tài)度，提高科研能力，發(fā)展科學(xué)思維具有促進(jìn)作用。

三、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化在小學(xué)科學(xué)中的應(yīng)用

小學(xué)生對(duì)周圍世界具有強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，這種好奇心和求知欲是推動(dòng)學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力。針對(duì)小學(xué)生這一心理發(fā)展特征，筆者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)恰好可以起到作用。考慮到小學(xué)階段的學(xué)生還難以應(yīng)用較復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟件，因此在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化途徑中，主要采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖形語(yǔ)言相結(jié)合的方式，并依托小學(xué)生較熟知的excel軟件，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化應(yīng)用到小學(xué)科學(xué)的教學(xué)之中。

新的課程標(biāo)準(zhǔn)中指出：探究活動(dòng)是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的重要方式。探究活動(dòng)涉及了提出問(wèn)題、做出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證假設(shè)等多個(gè)環(huán)節(jié)。在探究過(guò)程中，將一些難以直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過(guò)數(shù)據(jù)和圖表“可視化”，能夠使學(xué)生獲得更多的探究體驗(yàn)。下面筆者以“聲音的變化”一課為例加以闡述。

1.明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

本節(jié)課主要通過(guò)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)建立聲音的高低強(qiáng)弱與物體振動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系。其中，教參中已經(jīng)指出：將聲音高低的變化和物體振動(dòng)的頻率聯(lián)系起來(lái)是本課的難點(diǎn)。因此，為了突破這一難點(diǎn)，我們將實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇_定為通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究聲音高低的變化和物體振動(dòng)頻率之間的關(guān)系。

2.改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

四年級(jí)的教科版教材中，對(duì)于“觀察比較聲音高低的變化”一節(jié)，主要提供了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，即“用小木棒敲擊裝水量不同的玻璃杯”和“撥彈松緊不同的橡皮筋”。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然可以讓學(xué)生觀察到高低不同的聲音，然而，若想進(jìn)一步明確聲音的高低與物體振動(dòng)的關(guān)系，并且讓學(xué)生更為直觀地看到兩者振動(dòng)快慢的不同，僅靠這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是不夠的。因此，筆者經(jīng)過(guò)實(shí)踐摸索，決定使用兩種不同頻率的音叉，用橡皮錘分別對(duì)其進(jìn)行敲擊。

（1）實(shí)驗(yàn)猜想中的知識(shí)體系化

首先，在“音叉實(shí)驗(yàn)”之前，為了更清楚地讓學(xué)生觀察到“高低不同的聲音”，筆者選擇了音樂(lè)課上常用到的鋁片琴。通過(guò)敲擊長(zhǎng)短不同的鋁片，發(fā)出高低不同的聲音，讓學(xué)生明確：越短的鋁片發(fā)出的聲音越高；越長(zhǎng)的鋁片發(fā)出的聲音越低。由此幫助學(xué)生構(gòu)建了一定的知識(shí)體系。在學(xué)生敲擊兩種長(zhǎng)短（頻率）不同的音叉之前，很容易進(jìn)行猜想：短的音叉發(fā)出高音；長(zhǎng)的音叉發(fā)出低音。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至此，學(xué)生僅僅是“聽到了”，還未達(dá)成“看到了”這一目標(biāo)。

（2）實(shí)驗(yàn)操作中的現(xiàn)象可視化

接著，筆者借助輕小的物體——乒乓球。利用兩種敲擊過(guò)的音叉分別去觸碰乒乓球，由于敲擊后的音叉在不斷振動(dòng)，因此其與乒乓球接觸后，會(huì)被彈起，并在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行不斷的往復(fù)運(yùn)動(dòng)：接觸、彈起、接觸、彈起......基于此過(guò)程，學(xué)生可以較為清楚地看到乒乓球與音叉的碰撞情況。然而，在實(shí)際授課中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)一部分集中于乒乓球被彈出的距離，即振動(dòng)的幅度上，這與實(shí)驗(yàn)?zāi)康南嚆＃煌瑫r(shí)，坐在班級(jí)位置靠后的學(xué)生無(wú)法清晰地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（3）實(shí)驗(yàn)記錄中的結(jié)果可視化

于是，筆者結(jié)合四年級(jí)學(xué)生的認(rèn)知水平，進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)：請(qǐng)兩名同學(xué)來(lái)到講臺(tái)前，一名同學(xué)利用電子停表計(jì)時(shí)10s；另一名同學(xué)根據(jù)這10s內(nèi)兩種音叉與乒乓球的碰撞情況拍掌，即每接觸一次，拍掌一次。臺(tái)下的學(xué)生根據(jù)聽到的拍掌情況，畫出波形圖（注：每拍掌一次，畫出一個(gè)對(duì)應(yīng)的波峰；拍掌間隙的圖形以水平直線表示）（圖1）。通過(guò)圖表，學(xué)生們很容易發(fā)現(xiàn)：相同時(shí)間內(nèi)，音調(diào)低的音叉出現(xiàn)的波峰次數(shù)較少（出現(xiàn)6次波峰），即與乒乓球的接觸次數(shù)較少；音調(diào)高的音叉出現(xiàn)的波峰次數(shù)較多（出現(xiàn)9次波峰），即與乒乓球的接觸次數(shù)較多。乒乓球與音叉的接觸正是由于音叉的振動(dòng)所引起的。此時(shí)，學(xué)生可以清楚地認(rèn)知：音調(diào)低的音叉振動(dòng)頻率較慢；音調(diào)高的音叉振動(dòng)頻率較快。

3.完善實(shí)驗(yàn)結(jié)果

前文中，我們已經(jīng)提道，“探究聲音的高低與振動(dòng)頻率的關(guān)系”是本節(jié)課的難點(diǎn)。關(guān)于“振動(dòng)頻率”，物理中已經(jīng)給出了明確的定義：物體每秒鐘的振動(dòng)次數(shù)。之前的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，我們已經(jīng)測(cè)定了10秒內(nèi)兩個(gè)音叉與乒乓球的碰撞次數(shù)，因此我們很容易計(jì)算出每秒內(nèi)兩個(gè)音叉與乒乓球的碰撞次數(shù)，即兩個(gè)音叉的振動(dòng)頻率。再利用excel軟件將獲得的數(shù)據(jù)整理成學(xué)生們已經(jīng)熟知的柱狀圖（圖2），經(jīng)過(guò)三組重復(fù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果（長(zhǎng)音叉的振動(dòng)頻率分別為0.6、0.5、0.7次/秒；短音叉的振動(dòng)頻率分別為0.9、0.8、1.1次/秒），得出結(jié)論：音調(diào)較高的音叉振動(dòng)頻率較快；音調(diào)較低的音叉振動(dòng)頻率較慢。于是，學(xué)生們也再次驗(yàn)證了波形圖得到的結(jié)論，進(jìn)一步理解、深化了知識(shí)。

【作者單位：天津外國(guó)語(yǔ)大學(xué)附屬濱海外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 天津】