小學科學實驗現象的可視化

李路加

小學科學是一門以培養學生科學素養為宗旨的課程，實驗探究是其中的重要組成部分。然而，在教學過程中，我們發現：一些實驗產生的現象并不明顯，甚至我們根本看不到。因此，筆者以“聲音的變化”一課為例，通過實驗設計的優化，在獲得實驗數據的基礎上，實現了實驗現象的“可視化”，促進了學生科學素養的提高。

小學科學把探究活動作為學生學習科學的主要方式，強調從學生熟悉的日常生活出發，通過學生親身經歷和動手動腦等實踐活動，提高學生的科學能力。如果學生想從探究活動中獲得新知，實驗現象的直觀呈現是必不可少的。然而，有些實驗因為其相對抽象而難以直觀;有些實驗雖然可以達到教學效果，但是學生獲得實驗結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實驗所獲得的現象“可視化”地呈現給學生。

一、實驗現象可視化的意義

一方面，實驗現象的可視化顯示，真實地反映了實驗的執行過程，并且增大了教學的容量，使學生獲得了更為直觀形象的學習體驗。另一方面，實驗現象的可視化有利于學生掌握基本知識、基本方法，培養學生的技能和能力，使學生通過實驗，真正做到“我看到，很直觀，便真正理解了”。

二、實驗現象可視化的途徑

第一，借助計算機軟件將實驗現象更好地呈現出來。王甲春等通過Matlab這一計算軟件，采用了Matlab GUI技術，模擬工程力學實驗，可以視化實驗結果，并可任意改變實驗參數值對于實驗結果的影響，在力學實驗中，取得了良好的成效。

第二，通過圖形語言，如簡筆畫、示意圖、韋恩圖等方式，將實驗過程和實驗結果加以描述。小學生的思維模式以感性經驗為主，在思維發展的過程中，需要具體形象的事物作為支撐，圖形語言恰好能滿足這點。

第三，運用相關實驗數據，將實驗中的相關現象加以可視化。在科學研究過程中，數據是進行實證的重要依據之一，它主要是指學生在觀察、實驗過程中所獲得的相關數字。實驗數據在科學研究過程中起到了不可替代的作用，正確地運用實驗數據，對于學生形成科學態度，提高科研能力，發展科學思維具有促進作用。

三、實驗現象可視化在小學科學中的應用

小學生對周圍世界具有強烈的好奇心和求知欲，這種好奇心和求知欲是推動學生科學學習的內在動力。針對小學生這一心理發展特征，筆者認為實驗學習恰好可以起到作用。考慮到小學階段的學生還難以應用較復雜的計算機軟件，因此在實驗現象的可視化途徑中，主要采用實驗數據和圖形語言相結合的方式，并依托小學生較熟知的excel軟件，將實驗現象可視化應用到小學科學的教學之中。

新的課程標準中指出：探究活動是學生學習科學的重要方式。探究活動涉及了提出問題、做出假設、設計實驗、驗證假設等多個環節。在探究過程中，將一些難以直觀的實驗現象，通過數據和圖表“可視化”，能夠使學生獲得更多的探究體驗。下面筆者以“聲音的變化”一課為例加以闡述。

1.明確實驗目的

本節課主要通過幾個實驗建立聲音的高低強弱與物體振動狀態的關系。其中，教參中已經指出：將聲音高低的變化和物體振動的頻率聯系起來是本課的難點。因此，為了突破這一難點，我們將實驗目的確定為通過實驗，探究聲音高低的變化和物體振動頻率之間的關系。

2.改進實驗設計

四年級的教科版教材中，對于“觀察比較聲音高低的變化”一節，主要提供了兩個實驗，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”。兩個實驗雖然可以讓學生觀察到高低不同的聲音，然而，若想進一步明確聲音的高低與物體振動的關系，并且讓學生更為直觀地看到兩者振動快慢的不同，僅靠這兩個實驗是不夠的。因此，筆者經過實踐摸索，決定使用兩種不同頻率的音叉，用橡皮錘分別對其進行敲擊。

（1）實驗猜想中的知識體系化

首先，在“音叉實驗”之前，為了更清楚地讓學生觀察到“高低不同的聲音”，筆者選擇了音樂課上常用到的鋁片琴。通過敲擊長短不同的鋁片，發出高低不同的聲音，讓學生明確：越短的鋁片發出的聲音越高;越長的鋁片發出的聲音越低。由此幫助學生構建了一定的知識體系。在學生敲擊兩種長短（頻率）不同的音叉之前，很容易進行猜想：短的音叉發出高音;長的音叉發出低音。實驗進行至此，學生僅僅是“聽到了”，還未達成“看到了”這一目標。

（2）實驗操作中的現象可視化

接著，筆者借助輕小的物體——乒乓球。利用兩種敲擊過的音叉分別去觸碰乒乓球，由于敲擊后的音叉在不斷振動，因此其與乒乓球接觸后，會被彈起，并在短時間內進行不斷的往復運動：接觸、彈起、接觸、彈起......基于此過程，學生可以較為清楚地看到乒乓球與音叉的碰撞情況。然而，在實際授課中，發現學生的關注點一部分集中于乒乓球被彈出的距離，即振動的幅度上，這與實驗目的相悖;同時，坐在班級位置靠后的學生無法清晰地觀察到實驗現象。

（3）實驗記錄中的結果可視化

于是，筆者結合四年級學生的認知水平，進一步改進實驗：請兩名同學來到講臺前，一名同學利用電子停表計時10s;另一名同學根據這10s內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。臺下的學生根據聽到的拍掌情況，畫出波形圖（注：每拍掌一次，畫出一個對應的波峰;拍掌間隙的圖形以水平直線表示）。通過圖表，學生們很容易發現：相同時間內，音調低的音叉出現的波峰次數較少（出現6次波峰），即與乒乓球的接觸次數較少;音調高的音叉出現的波峰次數較多（出現9次波峰），即與乒乓球的接觸次數較多。乒乓球與音叉的接觸正是由于音叉的振動所引起的。此時，學生可以清楚地認知：音調低的音叉振動頻率較慢;音調高的音叉振動頻率較快。

3.完善實驗結果

前文中，我們已經提道，“探究聲音的高低與振動頻率的關系”是本節課的難點。關于“振動頻率”，物理中已經給出了明確的定義：物體每秒鐘的振動次數。之前的實驗設計中，我們已經測定了10秒內兩個音叉與乒乓球的碰撞次數，因此我們很容易計算出每秒內兩個音叉與乒乓球的碰撞次數，即兩個音叉的振動頻率。再利用excel軟件將獲得的數據整理成學生們已經熟知的柱狀圖，經過三組重復實驗的結果（長音叉的振動頻率分別為0.6、0.5、0.7次/秒;短音叉的振動頻率分別為0.9、0.8、1.1次/秒），得出結論：音調較高的音叉振動頻率較快;音調較低的音叉振動頻率較慢。于是，學生們也再次驗證了波形圖得到的結論，進一步理解、深化了知識。

【作者單位：天津外國語大學附屬濱海外國語學校? 天津】