陳晨 蔣曉妍

模擬環(huán)形山的形成是小學科學重要的模擬實驗之一，其目的在于讓學生了解月球表面的環(huán)形山是由隕石撞擊形成的，目前的實驗方法存在實驗現(xiàn)象不清晰、模擬效果不佳等問題。針對上述問題，對模擬環(huán)形山的形成實驗加以改進，通過使用過篩的沙子模擬月球表面的疏松結(jié)構(gòu)，再在其表面覆上黏土以使撞擊時能夠看到清晰的輻射紋，能夠形成典型的環(huán)形山結(jié)構(gòu)。

月球是距離地球最近的天體，從古到今，科學家們對月球進行了持續(xù)不斷的研究。對于月球表面的描述，也經(jīng)歷了一個發(fā)展的過程，古希臘哲學家阿那克薩格拉（Anaxagoras）第一個提出月球是巖石結(jié)構(gòu)，并且月亮反射太陽的光，他還根據(jù)想象描述了月亮上的山和居民。1609年，伽利略利用自己動手制作的30倍望遠鏡觀察到月球表面布滿了大大小小的圓形山脈，并將其命名為環(huán)形山。伽利略根據(jù)對地球環(huán)形山的觀察，推測這些環(huán)形山是由火山噴發(fā)形成的。直到美國地質(zhì)學家巴林杰（Barringer，Daniel Moreau）根據(jù)對美國亞利桑那州的巨型環(huán)形山的研究，提出了隕石撞擊說，才引發(fā)了人們對于月球環(huán)形山形成的重新思考。今天，隕石撞擊說成了月球環(huán)形山形成的主流解釋。真實的月球環(huán)形山大多是淺盤狀，并且周圍有擴散的輻射紋，以著名的第谷環(huán)形山為例，其直徑約85千米，深4850米左右，并且輻射紋長達1800千米。

描述月球表面的概況是小學科學課程標準中地球與宇宙領域三四年級的學習目標之一。模擬環(huán)形山的成因是了解月球表面概況的重要內(nèi)容。通過模擬實驗，學生觀察發(fā)現(xiàn)撞擊所形成的淺盤狀撞擊坑與火山的錐體形態(tài)之間的不同，從而在伽利略的火山說與巴林杰的隕石撞擊說之間進行判斷選擇。但是，受材料和裝置的影響，在實際教學的時候，實驗效果大打折扣。

因此，有必要對模擬環(huán)形山的形成實驗進行全面分析和改進：一是研究現(xiàn)有的實驗設計，分析其在教學中的不足;二是進行實驗設計改進，確定最優(yōu)的實驗材料和裝置;三是根據(jù)實驗改進，優(yōu)化教學設計。

一、現(xiàn)有實驗設計

（一）實驗意圖

以蘇教版小學科學四年級下冊為例，第5課《月球》中有關于探究月球表面環(huán)形山成因的實驗。實驗希望通過石子下落所形成的沖擊力，在沙子上形成凹坑，來模擬月球表面受到隕石撞擊，形成環(huán)形山。并且，利用不同高度和不同大小的石子下落所呈現(xiàn)的效果來模擬不同大小的環(huán)形山的形成，引導學生理解環(huán)形山的大小與隕石的大小和撞擊的速度有關（如圖1）。

（二）實驗設計

（三）實驗效果

根據(jù)教材中的實驗設計，分別利用細沙與面粉進行實驗，結(jié)果如表1，效果如圖2。

二、現(xiàn)有實驗設計問題分析

在實際教學中，現(xiàn)有實驗設計無論是用細沙還是面粉，疏松的程度都不足，在石子掉落的過程中，很難形成圓形的環(huán)形山結(jié)構(gòu)。尤其是用不規(guī)則形狀的石子的時候，凹坑形狀和石子形狀相同。相同大小的石子在不同高度落下的時候，效果基本相同，無法呈現(xiàn)對比效果。細沙與均不能形成清晰的輻射紋。

因為實驗現(xiàn)象不明顯，在教學的過程中，學生容易形成如下錯誤概念：

·環(huán)形山的大小與隕石大小大致相同，與速度無較大關聯(lián)。

·隕石都是球形或近似球形的，所以，環(huán)形山才是圓形的。

·缺乏對于月球表面輻射紋的認識。

模擬環(huán)形山的成因是一個典型的模擬實驗，重點在于利用實驗器材模擬隕石撞擊月球表面，形成環(huán)形山的結(jié)構(gòu)。學生需要觀察模擬形成的環(huán)形山的結(jié)構(gòu)，與真實的月球環(huán)形山進行對比。但是，教材卻加入了兩個不同條件的對比實驗，這兩個對比實驗指向的問題是環(huán)形山的大小與哪些因素有關，卻忽視了學生細致觀察實驗效果、將其與真實月球表面進行對比的過程。

三、實驗設計改進

現(xiàn)有實驗設計效果不佳的主要原因是，無論細沙還是面粉，結(jié)構(gòu)的疏松程度都不足，很難在石子下落的有限沖擊下，形成環(huán)形結(jié)構(gòu)。

針對以上問題，對現(xiàn)有實驗進行如下改進：

·將托盤改為10厘米深的塑料收納盒，可以鋪設更加厚實的材料，更大更深的收納盒也會減少材料的濺撒，保障實驗衛(wèi)生。

·采用更加疏松的低筋面粉，并且利用細網(wǎng)篩，一層層地將面粉篩入收納盒中，面粉厚度在6厘米到8厘米左右。

·在篩好的面粉上，用細篩網(wǎng)薄薄地篩上一層黏土。

實驗結(jié)果如表2，效果如圖3。

四、改進實驗設計的優(yōu)點

（一）能夠形成四周凸起的環(huán)形結(jié)構(gòu)

原有的實驗，因為沙子和不過篩的面粉的疏松度不足，在接收到?jīng)_擊的時候，難于形成比較明顯的環(huán)形結(jié)構(gòu)，通常什么形狀的石塊就會砸出什么形狀的坑，很難通過石塊下落時候的沖擊波，將模擬月球表面推出一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)出來。而過篩之后的低筋面粉更加疏松，覆蓋在面粉上的過篩黏土的顆粒也非常小，在石塊下落的過程中，能夠被沖擊波所作用，推出一個比“月球”表面略高的環(huán)形結(jié)構(gòu)。因為表面是被沖擊波推出的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所以，不管是什么形狀的石塊，都會形成一個比本身直徑要大一些的凹坑。在不同的實驗條件下，因為面粉層比較疏松和厚實，石塊會整體陷入面粉中，保留表面的凹坑，比較好地還原了隕石撞擊月球表面的過程。

（二）顯著的輻射紋更有利于學生觀察

輻射紋是科學家在觀察月球時比較重要的發(fā)現(xiàn)，巨大的輻射紋也是隕石撞擊說的重要證據(jù)，科學家通過對于輻射紋的研究，可以了解隕石撞擊的角度、能量等重要數(shù)據(jù)。我們在做這個實驗的時候，同一材質(zhì)很難有效地表達出輻射紋的拋撒飛濺。通過黏土與面粉的組合，在石塊撞擊之后，飛濺出來的白色面粉落在黃色的黏土上，可以非常清晰地顯示出放射狀的輻射紋，有效地模擬了太空中的隕石高速撞擊月球表面的場景，便于學生觀察。

（三）實驗教學改進

在實驗改進的基礎上，筆者進行了教學設計的調(diào)整，簡化了實驗的過程，讓學生專注于觀察實驗現(xiàn)象，進行分析比對，給出解釋。

教學片段：

師：當時，伽利略認為環(huán)形山是由月球上的火山噴發(fā)形成的，可是過了一些年，人們又在地球上發(fā)現(xiàn)了這個隕石坑，有人提出了環(huán)形山是由隕石撞擊而成的。

師：你們同意哪種說法？

生：我認為是隕石撞擊形成的。

師：為了驗證我們的觀點，我們來做個模擬實驗。

出示收納盒，里面放了一些面粉和黏土來模擬月球表面。老師為大家提供一塊石頭用來模擬隕石，請大家站起來，將石頭丟在盒子里，觀察月球表面的變化。請注意，是丟在盒子里，不是砸。

學生進行實驗。

師：請大家仔細觀察你們的實驗結(jié)果，對比屏幕上的月球環(huán)形山，比較一下，有什么相同的地方？

生：我發(fā)現(xiàn)，石塊下落的過程中，產(chǎn)生了沖擊波，將面粉推成了一個環(huán)形，這個環(huán)形比周圍稍微高一點點。

生：我發(fā)現(xiàn)面粉飛濺出去，形成的紋路和月球環(huán)形山周圍的紋路非常相似。

生：我發(fā)現(xiàn)，不管是什么形狀的石頭，形成的環(huán)形山都是圓形的，和月球上的很相似。

師：這樣的環(huán)形山有沒有可能是火山噴發(fā)形成的呢？

生：火山都比較高，火山口都比較小，和月球上的環(huán)形山不太一樣，我覺得月球的環(huán)形山應該是由隕石撞擊形成的。

在這個教學設計中，學生通過進行模擬實驗，通過觀察凹坑的結(jié)構(gòu)與輻射紋的形成，與月球表面圖片進行比較，發(fā)現(xiàn)用我們模擬的隕石撞擊月球表面比較符合月球表面的實際情況，從而能夠得出月球上的環(huán)形山形成原因的解釋。

模擬實驗可以讓學生在探究的過程中，通過建模、觀察，更有效地發(fā)現(xiàn)事物的內(nèi)在規(guī)律。通過模擬環(huán)形山成因?qū)嶒炘O計的改進，可以使實驗效果更加接近真實，增加實驗效果與真實情況之間的關聯(lián)度，增強了模擬實驗的可信度，讓學生可以通過實驗結(jié)果找出規(guī)律，有利于學生形成正確的科學概念。