◇袁甜甜（廣東：深圳市龍華區(qū)未來(lái)小學(xué)）

一、研究背景

當(dāng)前，在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，廣大教師秉持著面向全體學(xué)生的課程理念。筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，教材中涉及的實(shí)驗(yàn)往往實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較明顯且差別較大，故往往借助簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)材料就可以完成，但也有一小部分實(shí)驗(yàn)的成功率不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)效果不明顯或有可優(yōu)化的空間。多數(shù)科學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具致力于放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、精確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、具象化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等，以求得出更理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)論以幫助學(xué)生理解和記憶。同時(shí)，有一些教具，對(duì)于學(xué)生和教師來(lái)說(shuō)也具有一定的拔高性和挑戰(zhàn)性。比如一些小學(xué)科學(xué)教育發(fā)展較快的地區(qū)，自制教具中也經(jīng)常出現(xiàn)多種類型傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、自主操縱平臺(tái)和函數(shù)圖像能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集、處理和描述，為科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究帶來(lái)新的理念和創(chuàng)新性的數(shù)字化手段。

本課《比較不同的土壤》的自制創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置立足于培養(yǎng)學(xué)生的推理論證能力、創(chuàng)新思維能力和模型建構(gòu)能力；著眼于四年級(jí)科學(xué)態(tài)度的學(xué)段目標(biāo)“學(xué)生樂(lè)于嘗試運(yùn)用多種材料、多種思路、多樣方法完成科學(xué)探究，體會(huì)創(chuàng)新樂(lè)趣”；基于自制實(shí)驗(yàn)教具的啟發(fā)性和直觀性原則進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生從不同角度分析和思考問(wèn)題，綜合多種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論，從而加深他們對(duì)知識(shí)的理解，提高學(xué)習(xí)的效率，并能進(jìn)一步進(jìn)行抽象和概括，運(yùn)用模型分析和解釋現(xiàn)象。

二、教材中原實(shí)驗(yàn)的不足

教科版科學(xué)四年級(jí)上冊(cè)《比較不同的土壤》原實(shí)驗(yàn)中的土壤滲水實(shí)驗(yàn)成功率不高，尤其是黏質(zhì)土和壤土的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能比較接近，區(qū)分度不高甚至出現(xiàn)相反的結(jié)果，一直是許多科學(xué)老師集體教研和改進(jìn)的焦點(diǎn)之一。原實(shí)驗(yàn)裝置主要存在以下不足。

（一）實(shí)驗(yàn)材料不理想，使用不規(guī)范

原實(shí)驗(yàn)使用的三種土壤在介紹的時(shí)候往往是趨于理想化的，在實(shí)際生活中往往很難尋找三種典型的土壤，網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)的土壤經(jīng)筆者多次對(duì)比，發(fā)現(xiàn)廠家對(duì)于同種土壤的認(rèn)定存在差異，并不完全符合三種土壤的相應(yīng)要求。如果直接拿來(lái)做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的成功是不能保證的，主要是壤土和黏質(zhì)土的差別不大，甚至出現(xiàn)相反的結(jié)果。

原實(shí)驗(yàn)材料使用的是紗布包裹，除表層倒水處全部被紗布覆蓋，水倒入含黏粒較多的黏質(zhì)土土壤后無(wú)法馬上吸收下滲，會(huì)出現(xiàn)積水的情況。此時(shí)會(huì)有部分水不經(jīng)過(guò)土壤坡面而是直接被紗布吸收從土壤兩側(cè)流出，存在較大的實(shí)驗(yàn)誤差，有時(shí)甚至能得到黏質(zhì)土比壤土滲水性好的相反結(jié)論。

原實(shí)驗(yàn)的裝土容器是漏斗狀或是立方體狀，其土壤厚度較淺，水流過(guò)土壤的時(shí)間較短，但土壤橫截面較大，往往只有中間部分的土壤與水充分接觸，旁邊土壤接觸較少，因此實(shí)驗(yàn)誤差較大。

（二）實(shí)驗(yàn)操作比較隨意

原實(shí)驗(yàn)未明確要求倒水環(huán)節(jié)如何操作，學(xué)生直接倒水可能因倒水高度不一致、倒水速度也不一致而影響水流速度，進(jìn)而將較為松軟的土沖刷出印跡，會(huì)在一定程度上影響水下滲的速度，使得本就不甚明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象差別更加模糊。

（三）結(jié)果觀察角度較為單一

原實(shí)驗(yàn)觀察滲水性的強(qiáng)弱，主要是觀察相同時(shí)間內(nèi)滲出水的量，滲出的水多則滲水性高，反之則差。這是一個(gè)非常直接的觀察角度，可以說(shuō)是慣有的思維方式，然而關(guān)于滲水性不僅只有這一個(gè)角度，可觀察的角度還有留在土壤中的水和積留在土壤表面的水等。由于不透明紗布的充分包裹，使得學(xué)生無(wú)法觀察其余的兩個(gè)方面，思維受到局限，有時(shí)會(huì)使學(xué)生在活動(dòng)中錯(cuò)失發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。且實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要是等待最后結(jié)果，缺乏過(guò)程性的觀察指標(biāo)，學(xué)生難免覺(jué)得無(wú)聊。一旦唯一觀察的指標(biāo)出現(xiàn)小組間不一致的情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的得出就會(huì)比較牽強(qiáng)，學(xué)生對(duì)于知識(shí)的掌握也會(huì)比較模糊。

三、實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新改進(jìn)

自制土壤滲水儀的改進(jìn)主要包括以下四點(diǎn)。其一，配置理想土壤，避免實(shí)驗(yàn)材料的差異及其對(duì)實(shí)操實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；其二，實(shí)操實(shí)驗(yàn)中規(guī)范實(shí)驗(yàn)材料的使用和實(shí)驗(yàn)方法，減小實(shí)驗(yàn)誤差；其三，借助傳感器自動(dòng)搜集和處理數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)量化實(shí)驗(yàn)結(jié)果；其四，豐富學(xué)生的觀察角度，學(xué)生可以從更多角度直接觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為提高實(shí)驗(yàn)成功率打開(kāi)思路。

（一）實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

含有紅色色素的自來(lái)水、鐵架臺(tái)、滴漏、直徑為5cm 深度為6cm 的透明容器（底部有格柵）、小燒杯、濕度傳感器、液位傳感器、圖表轉(zhuǎn)化器（軟件）、濾紙、三種不同的土壤。

（二）實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，具體改進(jìn)如下。

土壤滲水性的區(qū)別主要是由于土壤顆粒大小不同所導(dǎo)致?，F(xiàn)實(shí)中理想土壤的尋找是不容易的，因此增加了不同大小的泡沫塑料球來(lái)模擬三種不同的土壤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作或原理講解。

將紗布改進(jìn)成只覆蓋土柱的底端，避免水直接經(jīng)紗布的毛細(xì)作用向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)而滲出。在圓筒底部放置格柵，防止因土壤自重過(guò)大超出濾紙承重能力造成破損或掉落。

倒水環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)化為滴漏裝置，保持出水量、出水速度、出水方向的均勻一致，同時(shí)添加了可以調(diào)節(jié)水流速度的旋轉(zhuǎn)閥門(mén)，避免出水速度過(guò)快造成的水溢出或土壤流失。

從結(jié)果的觀察上，除了豐富出水環(huán)節(jié)如出水速度和出水量之外，我們將普通的自來(lái)水替換成含有紅色色素的自來(lái)水，增加了水在土柱中的下行速度和土壤濕度等角度來(lái)觀察水的下滲速度以及留在土壤中的水量。

借助兩種傳感器，即濕度傳感器、液位傳感器來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。三種土壤液位數(shù)據(jù)將根據(jù)程序后臺(tái)處理、整合成一張折線圖。

（三）實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程

將濾紙墊在裝土容器的底部，分別裝入三種3cm高的土壤樣品。

取三個(gè)滴漏分別裝入50ml的紅色色素水。

分別將裝土容器、滴漏、含液位傳感器的燒杯固定在鐵架臺(tái)上。

連接好傳感器的線路，將濕度傳感器插入土壤樣本中。

在打開(kāi)滴漏開(kāi)關(guān)的同時(shí)開(kāi)啟數(shù)據(jù)測(cè)量和處理按鈕，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束，清洗使用過(guò)的儀器，按順序擺好，擦干凈臺(tái)面。

（四）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

三種土壤加水后，水在土柱中下行速度最快的是沙質(zhì)土，其次是壤土，最慢的是黏質(zhì)土。

2 分鐘計(jì)時(shí)結(jié)束后，沙質(zhì)土表面沒(méi)有積水，土壤濕度最小，燒杯中有大量滲下來(lái)的水；壤土有少量積水，土壤濕度其次，燒杯中有一定量滲下來(lái)的水；黏質(zhì)土的積水最多，土壤濕度最大，燒杯中滲下來(lái)的水最少。

讀取折線圖數(shù)據(jù)，沙質(zhì)土的滲水速度和滲水量最快最多，其次是壤土，折線坡度最緩、峰值最低的是黏質(zhì)土。

四、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（一）注重實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，關(guān)注實(shí)驗(yàn)主體

容器內(nèi)的土壤與水充分接觸，使得在滲水性這樣一個(gè)側(cè)重水向下傳遞的實(shí)驗(yàn)中充分體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)主體，讓不同的土壤間的差異得到更明顯的呈現(xiàn)，放大了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提高了實(shí)驗(yàn)成功率。同時(shí)，規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作可以讓學(xué)生更加充分地理解對(duì)比實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)方法，即一次只改變一個(gè)條件的科學(xué)思考方法。

（二）多維思考，解決問(wèn)題

原實(shí)驗(yàn)僅從一種角度觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)豐富為至少?gòu)娜N角度觀察結(jié)果，這也是對(duì)學(xué)生思維方式的培養(yǎng)。小學(xué)生的思維發(fā)展比較慢，需要日積月累的培養(yǎng)，是我們培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要一環(huán)，但在日常教學(xué)中，這樣的訓(xùn)練，往往較為欠缺。

（三）創(chuàng)建理想模型，牢固知識(shí)掌握

土壤滲水性不同的原因主要是土壤顆粒組成比例的差異，增加的土壤模型既具象，又可以在一定程度上發(fā)展學(xué)生的抽象思維能力，幫助學(xué)生更直觀地了解不同土壤滲水性的區(qū)別和原因，加深學(xué)習(xí)印象，鍛煉學(xué)生模型建構(gòu)能力。

五、教學(xué)效果

（一）改造實(shí)驗(yàn)裝置，精確實(shí)驗(yàn)操作

本實(shí)驗(yàn)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)，在教材中的實(shí)施較為簡(jiǎn)潔，但在實(shí)際操作中由于土壤等各方面的原因，尤其是滲水性實(shí)驗(yàn)中壤土和黏質(zhì)土差異不大。通過(guò)精細(xì)化實(shí)驗(yàn)條件，確保無(wú)關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)無(wú)干擾性，同時(shí)借助現(xiàn)代科技手段，將較為細(xì)微的差異放大并得到直觀體現(xiàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中收獲正向反饋，同時(shí)潤(rùn)物無(wú)聲地告訴學(xué)生，我們站在巨人的肩膀上，才能看得更遠(yuǎn)，樹(shù)立對(duì)科學(xué)探索的向往和信心。

（二）增加觀測(cè)指標(biāo)，轉(zhuǎn)換思考維度

“條條大路通羅馬”，這句學(xué)生在生活中十分熟悉的話語(yǔ)，同樣適用于科學(xué)探索。在滲水實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)流出來(lái)的水、留下來(lái)的水和水是怎樣下來(lái)三個(gè)角度來(lái)豐富學(xué)生對(duì)于土壤滲水性的判斷，加強(qiáng)學(xué)生通過(guò)不同渠道搜集和處理信息的能力，更加立體、多維地思考問(wèn)題。

（三）借助理想模型，深入思考本質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以前幾課學(xué)習(xí)的知識(shí)為背景的理想模型，既是對(duì)舊知識(shí)進(jìn)行整理和串聯(lián)，化原本零散的知識(shí)點(diǎn)為完整的知識(shí)框架，又通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)和理想模型相結(jié)合的方法，以實(shí)踐為基礎(chǔ)，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，幫助學(xué)生進(jìn)入更深層的思考，更概括、更深刻地理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和本質(zhì)。