“研究紙的吸水性”實驗裝置的改進

◇王朝君 王 芳 童 顏 黎怡君 張旭梅 葉 超（通訊作者）（四川樂山師范學院）

一、引言

小學科學是一門實踐性課程，2017年國家頒布的《義務教育小學科學課程標準》（以下簡稱《課程標準》）倡導探究式學習，學生通過動手動腦活動，獲得直觀的知識，并在做的過程中，掌握科學方法、發展科學精神、樹立科學觀念。從《課程標準》的敘述中不難看出，當代小學科學教師要具有創造性思維，能深入剖析教材實驗的不足之處，充分利用各種資源，在遵循一定原則的基礎上對教材實驗進行改進以提高教學效果。

此外，《課程標準》指出了小學科學課程內容主要包含物質科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術與工程四個領域。在技術與工程領域的內容中，特別強調STEM 教育即科學（science）、技術（technology）、工程（engineering）和數學（mathematics），要求實現學生的跨界學習與整合。基于STEM 教育理念，教師可以與學生一起探討新穎的想法、鉆研教具的創新。本文中，筆者將在理解《課程標準》的基礎上，以“研究紙的吸水性”實驗為例，在STEM 教育理念的背景之下，分析現有實驗的不足之處，并進行改進創新、提出建議。

二、“研究紙的吸水性”實驗的現狀分析

（一）教材中“研究紙的吸水性”實驗原型分析

“研究紙的吸水性”實驗選自蘇教版小學科學三年級下冊四單元“身邊的材料”中的第二課《紙》，教材中設計的實驗是將不同類型的紙裁好平鋪于桌面上，再用滴管吸取有顏色的水滴在紙上，通過觀察水跡大小即水在紙上的擴散速度，來判定不同類型的紙的吸水性強弱，擴散速度越快的紙吸水性越好，擴散速度越慢的紙吸水性就越差。

在該實驗中，為了讓實驗現象更加明顯，加入了有色素的水。但仍然存在一些不足之處待改進。

1．無關變量干擾

在該實驗中，學生用滴管吸取含有色素的水，滴在不同材質的紙的中央。在這一步驟中，滴等量水的公平性和滴水的同時性兩個無關變量的影響是無法控制的，因而會對實驗結果的準確性造成影響。

2．實驗結果不準確

該實驗研究紙的吸水性強弱的方法是通過肉眼觀察水滴的擴散速度，而這種比較方法很容易受主觀因素的影響，不同的學生對水滴的擴散速度的觀察結果也有可能不一樣，容易造成學生之間獲得的實驗結果差異太大的現象。

3．被測樣本數少

該實驗方法只能觀察兩三種材質的紙上的水滴擴散速度，不能觀察、比較水在多種材質的紙上的擴散速度，并且在短時間內完成滴水、觀察、做好實驗記錄等操作，對小學三年級的學生而言本身就具有一定的難度。

（二）“研究紙的吸水性”實驗的研究現狀

根據文獻及相關資料的查閱發現，對“研究紙的吸水性”這一實驗已經有了如下的一些改進：

1．實驗方法的改進

《自制“紙的吸水性”裝置》一文提出將大小相同、材質不同的紙條粘在木板一端的同一高度處，然后將木板放在水槽中，紙條落入水中，觀察“水上升”的過程，最后把每條紙吸收的水擠在5 ml 的小量筒中，通過比較水的多少來判斷紙的吸水性的強弱。該實驗方法產生的現象比較明顯，并且形象直觀，在量筒中比較水的多少這一現象也一目了然。然而由于紙條過輕再加上空氣的作用，將木板放入水槽的過程中紙條容易飄起來，從而導致其不能同時接觸水面；此外，“擠水”的操作也會隨著學生使出的勁兒的大小不同而產生不同的結果。

除了用“擠”的方法比較紙吸水的多少，還可以將材質不同、大小相同的紙張同時放入含有等量水的水杯中，等待一定的時間后，取出紙張，測量水杯中的水下降了多少，得出各種紙的吸水性強弱。此方法操作簡單，但取出紙張時，紙張上還有未被吸收的水滴，這一部分水不能算作被紙張吸收的水，所以也會對實驗結果造成影響。

2．實驗技術的改進

為了在科學課堂中引入現代教學儀器，以Arduino 為核心的自制教具——“看‘水’跑得快”，通過在Arduino 編碼簡單函數并結合水滴傳感器來檢測紙張吸水的情況，能高效、直觀、精準地判斷不同紙張的吸水快慢。但是在Arduino 中編碼函數，對低齡段的學生來說是具有挑戰性的。其次，像Arduino 這類現代教學技術手段，對學校設施資源和教師要求相對較高，故不能全面適用于設施資源相對缺乏的農村小學和偏遠地區小學。

三、實驗裝置改進

如何保證實驗的等時性和公平性？如何消除主觀因素，用相同的標準來檢驗實驗結果？筆者的回答是減少向紙滴水的操作，并將實驗結果數字化，把吸水速度這一抽象的概念轉化為學生可以直接獲得的數據。

基于以上分析和教材原有實驗的不足，筆者將實驗裝置做了如下改進。

（一）實驗裝置及其改進思路

裝置的最外面為一個水箱，水箱上方左右兩端設計兩個相同尺寸的缺口，為了防止實驗的紙條在放入容器的過程中受到空氣的作用飄起來，從而保證所有的紙條能同時接觸到水箱中的水，特地給紙條設計了一個卡槽，卡槽中有四個等高等寬的卡位，最上面有對應的四個小掛桿，可以將四張尺寸相同、材質不同的紙條插入不同卡位且固定在掛桿上，紙條插入卡位中可避免大面積與空氣接觸，在每個卡位邊上都刻有刻度，可直觀讀出最高水跡的高度，較客觀地得出結果。

該實驗裝置的改進選用亞克力板來完成。圖1所示亞克力板拼接的水箱的尺寸（單位mm），用于盛水。再用圖2 所示尺寸的亞克力板拼接成紙條的卡槽，卡槽中有四個卡位可放置各種不同材料的紙條，每個卡位邊刻有對應的刻度（單位cm），如圖3所示。整個裝置的組裝效果圖如圖4所示。

圖1 水箱尺寸圖

圖2 卡槽尺寸圖

圖3 卡槽效果圖

圖4 整個實驗裝置效果圖

（二）實驗裝置的使用方法

在實驗過程中，首先選擇四種不同材質的紙為實驗對象，接著將它們裁剪為長13cm 寬2cm 的紙條，分別固定在四個掛桿上，插入對應卡位中。然后在水箱中加入深度為2～3cm的水，并慢慢將卡槽準確地放在水箱的缺口處，保證四張紙條同時浸入水中且最初深度相同；等待2～3 分鐘，讀出四張紙條水跡最高處的示數，及時將數據記錄在活動記錄單中（表1）。最后通過分析、比較數據，得出不同紙的吸水性的結論。

表1 “研究紙的吸水性”活動記錄單

本實驗中選擇牛皮紙、蠟光紙、皺紋紙、普通A4紙。

（三）注意事項

首先，裁剪紙條時要用直尺測量，不能超出卡槽的長和寬；其次，要先加入水后再放紙條；最后，水箱里加入水后要靜置1 分鐘左右，等水面靜止后再放紙條，以此保證紙條同時接觸水面且與水接觸的面積相等。

四、改進后實驗裝置的創新性及優點

筆者設計的實驗裝置不僅現象明顯，還具有如下優點。

（一）化繁為簡，避免無關變量的影響

等待紙條將水滴徹底吸收的過程是比較漫長的，如果將紙條放在水箱中，比較相同的時間里水跡上升的高度，不僅避免了同時性這一無關因素的影響，而且時間這一因素就變成了可控的，教師可以根據教學進度自行把控時間長短。

（二）精準量化，化模糊為具體

在教材實驗中，無論學生怎樣把控在紙面上滴水的速度，都不可能保證同時讓水滴落在紙面上，即使解決了水滴同時滴落到紙上的問題，然而教材中也沒有給出統一的標準來測量水跡大小，當水跡大小差別不大時，由學生的主觀意識判斷得到的結果是不可靠的，并且主觀意識產生的誤差是不可能減小或消除的。而筆者設計的教具將比較水跡的大小轉化為比較水跡上升的高度，且結合刻度可直觀讀出上升數值，避免了學生在比較時的主觀性，使模糊的結果變成具體的、可測的，提高了結論的準確度。

（三）輕松實現多種紙質同時比較

筆者設計的實驗裝置，一次可以比較四種不同材質的紙張的吸水性。在實際的教學過程中，教師可以根據課堂需求自行決定此裝置尺寸的大小。無論是比較兩種還是多種紙張的吸水性，此裝置都是進行教學的較好選擇。

（四）發展學生的創新思維和實踐能力

此裝置選用亞克力板，用AB 膠黏合而成，用材相對簡單，制作容易，可反復使用，較好地彌補了教材實驗的不足。在學生平時的學習和生活中，經常會接觸到這兩種物質，運用它們完成教具創新，能夠激發學生的創造力，發展他們運用簡單的材料來解決各種問題的實踐能力。

五、改進過程中的思考與建議

怎樣運用簡單的材料完成教具的創新？這是筆者思考的首要問題。在很多人的意識里，教具創新就是要用高大上的材料重新制作一個器材，使其看上去十分專業。將簡單的東西復雜化，這其實是一個誤區。教師使用的教具一旦超出了學生的認知能力，忽視它本身的實用性，反而會給學生造成一定的困擾，特別是對于新穎事物有強烈興趣的小學生來說，他們很可能會糾結在教具的某個點上出不來。因此，創新教具要考慮使用的對象，本著簡單易操作的原則進行。其次，創新教具最主要的目的是把實驗現象形象直觀地展示給學生，在達到這一目的的基礎上，所用的材料、操作的步驟當然越簡單越好。

在教學過程中，實驗的科學性、合理性、可操作性、安全性等，是遵循小學科學課程標準達到較好教學效果的重要前提。此外，隨著“雙減”政策的提出，像科學這樣的學科必然會越來越受到重視，它不僅是一門學科，更是發展學生創新思維能力和探索精神的有效途徑。想要適應這種趨勢，科學教師就要不斷累積經驗、鉆研教材、深入了解學生，還要結合自身和學生，反思教學效果，尋求新教法、探索新教具，將科學的態度展現給學生。