小学科学模拟实验的教学策略

2022-09-12

从小学科学教材的内容上看，模拟实验在小学科学学习中占有相当的分量，如：教科版小学科学(下同)五上教材中的《建立栖息地》、《设计太阳能热水器》等;五下教材中的《研究小车的载重》、《研究钟摆》、《做一个生态瓶》，《地球的运动》等;六上教材中的《研究起重机原理》、《桥的研究》、《永不停步的旅行家》(模拟大自然中水的循环运动)等;六下教材中的《建一个垃圾填埋场》、宇宙单元中《月相的变化》、《环形山》、《日食和月食》、《太阳系、星座》等等，都是运用模拟实验的方法来探索、研究的。因此，我们说如何引导孩子们做好模拟实验，直接关系到孩子们学习科学的质量、提高科学探究的效率。下文就小学科学模拟实验的基本类型及教学策略谈谈自己的思考与做法。

1 小学科学模拟实验的基本类型

根据小学科学教材所呈现的内容和孩子们的认知水平及探究能力，结合本人的教学实践研究，从方便操作、利于探究的层面来看，我们将模拟实验分为以下几大类型。

根据分类，下面将对三种基本类型的模拟实验教学策略加以论述。

2 小学科学模拟实验的教学策略

2.1 限制条件型

这类模拟装置，只要对研究的对象所产生的现象，能够模拟出来且与原型相似即可，与要研究的对象虽有联系，但不影响其研究结果的其他条件加以限制。有针对性地选择出需要研究的对象来建立模型，再由“模型”呈现的现象去解释相关“原型”在自然状态下的现象，其基本策略为。

2.1.1 建立模型，依照原型客体提供模拟载体

我们说：“科学课”它所研究的对象是自然科学，它包括了自然界中的物质世界、生命世界和地球与宇宙三大领域的各种自然景物与现象，它小可以小到微观世界，大又可以大到整个宇宙空间。然而小学科学课中的内容与知识，虽然没有真正意义上的“自然科学”所要研究的那么深、那么广，它仅限于“自然科学”中浅层次的观察与研究，但是，让孩子们来学习和认识自然科学，必须是直观、形象的，却又不可能将小至“用肉眼看不见或难以分辨的微小世界”在孩子们的面前直接摆出，也不可能将大至宇宙空间等的研究对象搬进课堂，也就是说，孩子们在许多的时候，无法对要研究对象进行直接的探究，这就需要孩子们对研究对象进行模拟——建立模型，并用模拟建立的认识去解释研究的对象。

因此我们首先要从原型客体——研究的对象出发，用“模型”的方式将其要研究的要素呈现出来。模拟实验中的“模型”是孩子们进行实验研究的载体，所以，从某种意义上讲，建立模型是进行模拟实验的基础。

如《永不停步的旅行家》这一课，怎样建立这个模型呢?根据学生们的合理推测，引导孩子们找到代替原型的方法(即孩子们在科学课堂中进行实验探究的模型)。孩子们可以在大烧杯内的一侧装一些湿沙，铺成斜坡状，杯底注入一些水，来代替陆地和海洋。用橡皮筋把一张塑料薄膜扎在杯口上，上面放一块冰代替高空中的冷环境。在杯的底部用酒精灯(加热)代替太阳的热量。这样模拟自然界水循环运动的模型就建立起来了。

如五下《地球运动》单元，学生通过昼夜交替现象、不同的地方清晨和黄昏是不一样的现象、极地为什么白天那么长的现象等来解释地球在自转、自转的方向是自西向东的、地球自传的地轴是倾斜的科学道理。下面看看昼夜交替的解释这一课中的模拟实验是怎样进行的?首先选择地球和太阳建立一个“模型”。让孩子们对地球上有白天和黑夜，而且昼夜交替的出现这一现象作出推测性解释，一般有以下几种 (1) 地球不动，太阳绕着地球转; (2) 太阳不动，地球围着太阳转(地球不自转); (3) 太阳不动，地球在自转(不公转); (4) 太阳不动，地球围着太阳转同时在自转。(除太阳和地球外，其它的星球均给予限制)哪一种解释是真实的情况?针对这些推测性解释，我们用地球仪或其它小球代表地球，用手电筒或其他光源代表太阳来建立模型;接着运用模型进行模拟实验，分析每一个假设进行模拟实验后的现象从而检验每一种假设的真伪。我们先来看第一种假设：“地球不动，太阳绕着地球转”。除两极外，地球上某个地方都能出现昼夜交现象。其余三种都能成立。再提供一些数据，如太阳与地球之间的距离是1.5 2亿千米，算一算它绕地球一周路程有多远?太阳运行的速度是每秒2 5 0千米，照这样计算，太阳绕地球一圈要花多少小时?2 4小时绕地球转一圈可能吗?……我们再来看第二种假设：“太阳不动，地球围着太阳转(地球不自转)”：虽然也能发生地球上的昼夜变化，但得到的结果是地球绕着太阳转一圈才会有一次昼夜交替，2 4小时绕太阳转一圈可能吗?……这样排除了1、2两种的可能，可以肯定地球在自转，至于 (3) (4) 两种情况哪种是正确呢?让我们在后面的课中继续研究。

2.1.2 提供参照物

有利于孩子们在模拟实验过程中有参照、有依据的建立认识。"是清晨还是黄昏”一课是探究地球自转方向的，这一现象也要通过模拟实验来解释，前面昼夜交替现象说明地球是在自转，那么自转的方向又是如何呢?

首先根据太阳东升西落的现象，学生的推测有“自西向东”或“自东向西”两种可能，到底哪种是正确的?必须要通过相对运动的模拟实验后方能建立认识，而要研究相对运动，又必须先对参照物(假设不动的对象)的概念有所认识。教材中设置的情景是：坐在向前行驶的车上，向车外望去，看到马路两边的树木是怎样的?这是经验的回忆。坐在转椅上旋转时，看到周围的景物是怎样的?孩子们很难感觉到景物在转动，原因在于孩子们对这时的“参照物”认识不够;还有把自己当做地球，用模拟实验来说明太阳每天东升西落的原因，对于孩子们来说也同样很难找到确切的参照物。本人认为，需要把这两个实验进行适当的改进。怎么改呢?把教室四周的墙壁作为天空，把自己作为地球，并且侧坐或反坐在高靠背的转椅上，找一个红色的小球作为太阳，把小球固定在一根细棒上，举起小球与视线平行的高度，小球不动，转动转椅，让转椅的靠背能落在观察者的视角内，眼睛观察转椅的靠背，用余光感受教室四周的墙壁及小球，这时就能感觉到墙壁及小球在与自己旋转的反方向移动，效果相当不错。其实小球和墙壁并没有移动，而是自己跟着转椅一起在转动，是观察者拿转椅作为“参照物”，是自己与转椅之间没有动，从而感觉到小球和墙壁相对于转椅在作反方向移动，让孩子们从潜意识里感受到“相对运动”。这样，我们运用在“模型”中发现的现象，来解释自然界中“原型”的现象，太阳东升西落的实质是：太阳并没有绕地球转动，而是地球在自西向东的自转。

2.1.3 运用对比的方法

进行模拟实验，有利于孩子们发现现象、发现规律。如“极地的白天为什么那么长”是探究地球在自转时，地轴相对于公转轨道的平面是倾斜的。这个模拟实验，需要用小地球仪代表地球，用手电筒代替太阳。在小球或地球仪上标出南极和北极，先是小地球仪竖直自西向东的自转，用手电筒的光平射到小地球仪上，看看两极有没有发生极昼极夜的现象，发现并没有想象中极昼极夜的现象出现。再是把地球仪稍微的倾斜着，手电筒的光还是平射到地球仪上，学生就会惊奇的发现北极极昼出现，南极就极夜，相反的角度倾斜，就出现北极极夜，南极就极昼。接着，孩子们应用两次对比性模拟实验中发现的现象解释“极地为什么那么长?”的原因是地球在自转时，地轴始终是倾斜的，而且倾斜的方向保持不变。

2.2 改变条件型

模拟实验不仅要与原型相似，有时还要有目的地改变一些条件，这样，能够有针对性地揭示研究对象中各部分之间在不同条件下的相互关系。

2.2.1 建立的模型中，只改变其中的一个条件

建立的模型中，只改变其中的一个条件，而其他条件不变，观察研究对象与环境的关系。如课例3：五上《生物与环境(一)》单元“建立栖息地”一课，通过为鱼建立的模拟栖息地，来探究动物的形态结构、行为方式与环境的关系。怎样建立栖息地呢?其中非常重要的一点是引导孩子们讨论建立模拟的栖息地需要考虑哪些环境条件。如，用什么容器?放在什么地方?容器中放上哪些水生植物?等等。建立栖息地的模型要尽量与自然界鱼的栖息地的原型相近。引导孩子们观察：鱼在哪里生活?身体有几部分?怎样运动?用身体的哪些部分运动、怎样吃东西?身体的哪些部分参与吃食?躲藏的地方?生活的环境中对光的明暗情况?等等。接着对外界的环境进行一些改变，再观察其结果。如只改变光线的强弱或水温的高低一个条件，而其他条件不变，……然后再来观察鱼的各种反映现象。这样更能有利于解释自然界中动物的形态、行为方式与环境的关系。

2.2.2 建立的模型中，增加（或减少）某一个条件

建立的模型中，增加(或减少)某一个条件，观察研究对象与环境的关系。如五下《生物与环境(二)》单元中的《做一个生态瓶》、这些课是让孩子们建立一个模拟池塘的生态瓶，认识生物之间是相互依存、相互作用和相互制约的关系。建造一个模拟池塘的生态瓶，在教学中我们引导孩子们从以下几个方面讨论：我们的生态瓶准备让哪些生物来生活?为了让这些生物在生态瓶里生活得更好些，我们还要为它们考虑些什么?接下来做一个生态瓶，将生态瓶置于教室窗台上或通风的地方，每天注意观察生态瓶里的变化，如观察水生植物、小鱼小虾或其他动物、非生物的变化以及生物之间相互依存关系。除了要进行以上观察外，还要改变生态瓶的条件，如添加动物、其它不变，看看生态瓶内会出现什么情况?或者添加某种植物其它不变，看看生态瓶内会出现什么情况?这样孩子们更能形成对生物之间的依存关系，形成对自然界的生态系统是一个和谐的整体的认识。

2.3 直接型模拟装置

直接型模拟装置是对身边普遍存在、随处可见的机械、工具类设施的模拟，建构的模拟装置实质上也就是所要研究的原型对象。这类模拟装置除了形体的差别外，其构建的基本结构、内在的特点与工作原理在本质上无差别。

如课例4：五下《运动和力》单元中的设计我们的赛车，《时间》单元中的用摆计时的钟，六上《机械和工具》单元中的打开盖子的工具、动滑轮和定滑轮、起重机等，《形状与结构》中的抵抗弯曲、塔的研究、桥的研究等课。像这一类课的模拟实验中，设计模型的关键是搞清原型的结构。通过对模拟实验观察研究，有利于分析解释其内在的特点与工作原理。

如摆钟的研究，先观察钟摆有哪两个部分?然后细绳代替摆绳，用钩码代替摆锤，用铁架台作为支架，就做成一个最简单的摆的模型。再利用模型研究摆每分钟摆动的次数与什么有关?发现最简单的摆摆动一次的时间，只与摆绳的长短有关，不但跟摆动的幅度的大小没有关系，而且跟摆锤的重量也没有关系，只要摆绳的长度一定，摆动一次的时间就一定，这就是单摆的等时性。最后让孩子们解释摆为什么能较准确地计时的科学道理。……

又如“桥的研究”一课，教材主要呈现了两类桥——拱桥和拉索桥。要研究桥，首先让孩子们观察现实生活中这两类桥的结构，然后建立桥的模型，其中拱桥的结构主要有桥拱和桥面两部分组成(有的有桥面、桥拱和钢绳三部分)，桥面与桥拱的位置，桥面有在桥拱上面的，也有在桥拱中间的，还有在桥拱下面的;拉索桥的结构主要有钢缆、桥塔、桥面三部分组成。然后设计建造模型。如，用硬纸板做桥面，用棉线做钢绳、用竹棒做桥拱。在桥面上压重物，体会每一部分的作用，桥面在拱下方的拱桥，桥面可以拉住拱足，抵消拱产生的外推力。桥面被水平方向的力拉紧，还增加了桥面的抗弯曲能力，桥拱和桥面之间用钢绳拉住桥面，通过钢绳力作用在桥拱上，桥拱上的力又分散拱足上。最后，让孩子们用这样的认知去解释现实中各种桥的结构之所以能承受巨大的压力。

综上所述，在小学科学课的学习中，通过模拟实验不仅有助于孩子们理解生活中常见事物的科学道理，而且根据模拟实验的一般方法与规律，根据小学生的认知水平与特点、根据自然界中原型的现象与特征，开展模拟探究活动，还有助于提高孩子们的动手操作能力、科学探究的能力与实证能力，从而培养孩子们探究科学的强烈欲望与浓厚的兴趣。

摘要：模拟是一种间接的实验方法, 它是根据研究对象的本质特性, 建立或选择一种与对象客体相似的模型, 在模型上进行实验研究, 然后将研究的结果推广到对象客体中去, 从而达到解释对象、认识对象的目的。因此, 一般把实际存在的研究对象叫做“原型”, 而把相应的模拟装置叫做“模型”。在小学科学课中孩子们的一些科学探究活动受到时间、空间以及条件的限制, 他们无法对研究对象进行直接的探究, 这就需要教师和孩子们一起对研究对象进行模拟, 并用模拟建立的认识去解释研究的对象, 从而达成教学目标。

关键词：模型,模拟,原型,实验