《磁鐵能吸引什么》實驗中的材料選擇和設計

〔摘" "要〕" 本文以小學二年級學生認知發展特點為基礎，結合科學課程標準要求，探討科學活動材料的選擇策略和設計原則?？茖W活動材料的選擇和設計對科學課堂的組織和架構具有極其重要的作用和影響。教科版科學教材以探究性學習為主，探究性學習以做實驗為主，而做實驗離不開實驗材料的選擇和設計。課堂實驗成功與否，課堂實驗設計能否引發學生思考，都與科學活動材料的選擇與設計分不開。本文選擇教科版科學二年級教材中三個科學實驗材料改進的實驗案例，進一步說明科學活動材料的選擇策略和設計原則的重要性。

〔關鍵詞〕" 小學科學；材料的選擇和設計；策略

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）13" " 0115-03

一、引言

（一）材料選擇與設計的研究背景

2022年版《義務教育科學課程標準》強調“做中學”，科學材料是科學探究活動的基礎載體。

皮亞杰的兒童認知發展理論認為，二年級學生處于具體運算階段初期，依賴直觀體驗，需通過材料操作實驗構建科學概念。

（二）材料選擇與設計的研究意義

優化科學材料的選擇和設計可提升學生探究興趣，使科學實驗更順暢，降低科學概念和知識的抽象性，促進學生科學思維能力的發展。

二、材料選擇的標準

（一）安全性

小學科學活動材料的選擇應避免使用有毒有害的材料，如腐蝕性、刺激性或有毒物質；盡量不使用鋒利的工具以及高溫、易碎、易爆物品；對能用安全材料替代的盡量用安全材料替代。

（二）結構性

材料需直接關聯實驗主題，材料應能直觀體現實驗現象，應便于控制變量，給學生的材料所選擇的結構要具有層次性。

（三）貼近生活易于獲取

實驗材料應優先選擇學生熟悉的日常物品，避免高價材料，盡量使用經濟、低價的材料實現實驗效果?？梢越Y合當地實際情況，選擇當地具有的資源做實驗材料以實現實驗效果。

（四）操作簡單，具有可操作性

小學科學教學應選擇易操作、趣味性強的材料實現實驗效果。應適合學生的年齡特點，避免太復雜的組裝或者太難的操作，盡量使用具有可操作性的材料。

（五）環保與可持續性

小學科學實驗材料宜選擇使用耐用的、可重復利用的材料，鼓勵使用舊報紙、塑料瓶等可回收利用的材料，盡量使用實驗后可降解的材料。

（六）激發學生興趣與創造力

小學科學活動材料的選擇應具有趣味性，可以加入色彩、聲音等元素，允許學生自主設計，讓學生體驗自己的創造力，活動材料也需適合小組合作。

（七）符合科學規范性

小學科學活動材料的選擇需符合科學規范。比如測量工具需滿足基本精度，在給材料命名時需使用通用科學術語，在使用工具時應貼好標簽，實驗中用好記錄表、記錄單。

三、材料設計的原則

（一）設置對照原則

設置對照原則的目的是最大限度地減少誤差，設置對照是科學實驗的基石，其核心在于通過嚴謹比較，確保實驗結果的客觀性和可靠性。通常通過對照組和實驗組的比較，排除無關變量的干擾，從而準確評估實驗處理的效果。在選擇小學科學活動材料時通常設置對照組和實驗組，根據對照類型（有空白對照、自身對照、條件對照、陽性對照、陰性對照）的不同，明確自變量，控制其他變量，并選擇簡單、安全、結果明顯的實驗材料，以確保實驗結果的客觀性和可靠性。

（二）單一變量原則

單一變量原則是指在實驗設計中，控制其他因素不變，只改變其中一個因素，以觀察其對實驗結果的影響。應用單一變量原則的主要目的是排除其他因素的干擾，確保實驗結果的準確性。遵循這一原則，既有利于對實驗結果進行科學分析，又能增強實驗結果的可信度和說服力。在小學科學活動材料的設計中也需控制單一變量，只有一個變量的材料不相同，其他變量的材料都相同，以確保實驗結果的準確性。

（三）平行重復原則

在科學活動中，遵循平行重復原則是確保實驗結果可靠性和可重復性的核心方法之一。其核心思想是通過多次獨立的重復實驗或樣本設計，減少偶然誤差的影響，驗證結果的穩定性和一致性。平行性是在同一實驗條件下，設置多個完全相同的處理組，以驗證結果的穩定性。重復性是在不同時間、批次或實驗條件下重復實驗，排除偶然因素或系統誤差的干擾。在活動材料設計中應用平行重復原則的方法如下：每組實驗材料至少設計3個平行樣本（如3個重復樣本），避免單一樣本的偶然性；確保所有平行樣本的原料、制備工藝、處理條件完全一致（如溫度、時間、濃度等）；將材料樣本隨機分配到不同實驗組，避免因批次不同或操作差異產生誤差。

下面，筆者以教科版科學二年級下冊《磁鐵能吸引什么》實驗為例，談一談對科學活動材料選擇標準與設計原則的若干思考。

四、實驗教學案例分析

（一）材料的選擇和設計具有結構性

在教科版科學二年級下冊第一課《磁鐵能吸引什么》的實驗中，學生需要知道磁鐵能吸引鐵、鎳、鈷等物體這個概念。教材通過設計用磁鐵吸引各種物體的活動讓學生直接觀察到磁鐵能吸引鐵、鎳、鈷的現象。在這個實驗中，活動材料的選擇和設計都是為了幫助學生形成概念。美國哈佛大學教授蘭本達在她的著作《小學科學教育的“探究-研討”教學法》中闡明了“結構性材料”的理念。她說，科學教學中的材料結構的概念指的是內在的關系——和自然界的現象相關聯的一種模式。本課的材料選擇也是有結構的。筆者在了解學生前概念時發現，很多學生不知道磁鐵能吸引什么，但有相當一部分知道磁鐵能吸引金屬，卻不清楚只能吸引鐵、鎳、鈷三種金屬。所以在選擇材料時，必須有能被磁鐵吸引的金屬鐵、鎳或鈷，也必須有不能被磁鐵吸引的銅和鋁等金屬，其他材料則可以自由選擇。這體現了概念決定材料的關系。而且要讓學生知道不是所有金屬都能被磁鐵吸引，只有金屬中的鐵、鎳、鈷能被磁鐵吸引這個有結構層次的概念，給學生的材料的結構也是有層次的。在這個實驗中，可以把給學生的材料分成兩組，第一組是其他材料，第二組是金屬材料；或者把所有材料都給學生，讓學生把所有材料分成兩組再做實驗。通過分組，學生就形成了“能被磁鐵吸引的鐵、鎳、鈷都是金屬，不是所有的金屬都能被磁鐵吸引，比如銅、鋁等金屬”這些有結構層次的概念。

（二）材料的選擇和設計符合學生認知發展過程的需要

以教學《磁極與方向》一課為例，在開展制作懸掛的磁鐵指示南北方向這個實驗時，學生總是會碰到困難。有的小組的磁鐵掛上去就歪了，學生不知道怎么把它掛水平；有的小組的磁鐵轉動起來之后很長時間靜止不下來。筆者在組織學生開展磁鐵指示南北方向實驗之后，添加一個小實驗作為承上啟下的過渡，既能夠進一步明確磁鐵能夠指示南北方向，又能夠引出指南針的構造和原理。這個小實驗是這樣的：把愛牛科教材料包中給學生用的指南針進行拆解，把里面的刻度盤取下來，就成了一個磁針可以自由轉動（可以指示南北方向）的裝置，用這個裝置做實驗，指針很快就能靜止下來指示南北方向了。這個拿掉刻度盤的實驗裝置來自對指南針的簡單改造，這是實驗材料選擇具有生活化的體現。接下來把刻度盤放回盒子里面，裝置就變成了指南針。此時把指南針拿出來給學生觀察，學生對指南針的構造和原理就可以理解了。本實驗通過對材料的設計和改進使實驗更符合學生認知的需要（如圖：學生的認知過程圖解）。對指南針的拆解過程展現了指南針的制作過程，材料的選擇和設計也是對自然現象和過程的展現。

（三）材料的選擇和設計使實驗操作簡單，具有可操作性

《磁鐵的兩極》一課的科學概念教學目標為：通過實驗探究讓學生知道條形磁鐵兩端磁力大，中間磁力小。磁鐵上磁力最強的部分叫磁極。本課老教材的實驗方法是把回形針吸在磁鐵的各個部位，觀察哪個部位吸得的回形針多，哪個部位吸得的回形針少。做實驗時比較難操作，而且回形針一個一個掛上去非常費時間，學生在一節課時間里往往很難完成。為了更好地實現教學目標，新教材對實驗進行了改進，用測磁力卡測磁鐵各個部位的磁力大小，只用了5個回形針，觀察哪個回形針先被磁鐵吸引，在實驗中可以動態觀察回形針被磁鐵吸引的過程。實驗過程可操作性更強，更簡便，效果更顯著。本課的實驗還可以做另一種改進，筆者五個回形針掛起來，用磁鐵去靠近回形針，改進后也可以動態觀察到回形針被磁鐵吸引的過程。我把三個實驗的過程拍照進行了比較（如圖：三個實驗磁鐵磁力大小比較的示意圖），從圖中可以明顯觀察到第二、三兩個實驗磁鐵的兩極對回形針的吸引作用比較大，而且能觀察到條形磁鐵兩極磁力強，效果比第一個實驗要顯著得多，可操作性更強。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]中華人民共和國教育部.基礎教育課程改革綱要（試行）[S].北京：教基〔2001〕17號，2001：6.