初中科学模拟实验促概念理解的研究

一、研究问题的情境性分析 
  在一次学区教研活动中,一位年轻教师开设了一节“物质的构成”公开课,在课中有一个模拟实驗内容是黄豆与芝麻的混合。教科书编者的本意是通过这个模拟实验让学生进一步理解“酒精与水混合后的总体积小于水和酒精的体积之和”。而这位教师在演示完这个模拟实验后,得出的结论是:构成物质的分子之间存在着空隙。可能是年轻教师对模拟实验理解有问题,也有可能是她的口误,但也从侧面反映出教师对模拟实验不够重视,在设置实验时目标指向性不够明确。 
  另外,在浙教版科学配套的作业本七年级上B本第23页到24页中有这么一道题目:结合“铅笔在篮球和木板上移动”的活动,回答下列问题:(3)本活动合理地说明了( )。A.物体长短与运动表面大小有关;B.物体长短与观测距离有关;C.地球是个球体;D.物体长短与观测角度有关。作业本答案是选C。我们知道这个模拟实验是用来模拟“海面上远去的船只为什么船身比桅杆先消失”这一现象的。通过这个模拟实验,是让学生理解海面是一个曲面而不是平面,从而促进学生理解“海面上远去的船只为什么船身比桅杆先消失”这一现象,然后通过这一现象推测出地球是个球体。笔者认为这是教科书编写者使用的一个非常合理的逻辑顺序,但是作业本的这道题目却省略了中间的一个环节,直接问说明了什么,是不符合学生的认知规律的,会误导学生认为模拟实验就是真实现象的错觉。本题在笔者所教两个班级里错误率达到67.4%。 
  上述问题的出现不是偶然现象,而是教师对模拟实验的认识不够深刻,总感觉学生应该能对这样的实验很好理解,不用多做解释。模拟实验非常直观,这就是模拟实验的优点,但是更要教师好好利用这个“载体”去帮助学生进一步理解科学概念,而不是去误导学生做出错误的判断。基于以上这些,笔者认为有必要对初中的科学课堂教学中如何运用模拟实验来促进学生对概念的进一步理解做一些研究。 
  另外,对于刚从小学升到初中的孩子,都有一个“初一不适症”,很多孩子不适应突然拔高的学习科目难度和急剧加大的知识量。到了初中,教师教学方式和风格的转变,对学生的自主性要求大大提高,并且初中将学习大量的、重要的科学概念、规律、能力和科学素养,而这些概念、规律、能力和科学素养,是解决各类问题的基础,是探究物质世界的基本素养,因此要真正理解、掌握知识和培养能力。 
  二、核心概念的操作定义 
  首先,所谓模拟实验,就是根据相似理论,先设计与自然事物、自然现象及其发展变化过程相似的模型,然后通过对模型的实验和研究,间接地认识原型事物的性质和规律性。 
  其次,操作流程图: 
  再次,模拟实验的特点: 
  (1)模拟实验直接作用于模型而非实际的研究对象(原型); 
  (2)模拟实验根据的是相似性原理:模型和研究对象之间具有相似性,模型所处的实验条件与研究对象所处的实际条件也是极为相似的; 
  (3)要运用类比推理的方法,将模拟实验的结果类推到原型上去,以揭示研究对象的本质和规律。 
  三、研究过程 
  1.模拟实验促抽象概念的理解 
  【案例1】初一科学新教材第一册第四章第三节《物质的密度》第一课时 
  师:老师手上拿着两个用纸包裹着的物体,它们的外形是一样的,便于区分老师涂了不同的颜色,接下来我请同学感受下,外形相同的两个物体它们到底有什么不同? 
  生1:(感受下)一个特别重,一个很轻。 
  师:在我们科学中,“重”和“轻”你觉得指的是什么? 
  生:(齐答)质量。 
  师:我们再请几位同学感受下。 
  生2:一个特别重,一个特别轻。 
  生3:一个质量大,一个质量小。 
  师:同学们是不是很想知道老师在这里面包裹的是什么物质呢? 
  (拆开纸一个是铁,一个是木头) 
  师:铁和木头相比,哪个重? 
  生:铁比木头重。 
  师:(教师拿出一个小铁钉和一根夸张的大木棒)一枚铁钉比一块木头重吗?(学生否定)那你为什么就说铁比木头重呢?(引发冲突)请修正原来的表述。 
  生:体积相同的铁,要比木头重。 
  师:但如果不是比轻重,而是比质量大小呢? 
  生:体积相同的铁,质量比木头要大。 
  师:很好!体积相同的不同物质,质量大小并不相同。 
  师:(介绍器材及使用)……有的小组是三块木块,有的小组是三块橡皮,有的小组是三块铁块,我们要测量什么? 
  生:测量它们的质量和体积。 
  师:等下在做实验时我们要测量这些数据,同时还要对这些数据进行分析,看看我们同学能不能发现它们是否存在某种关系。记录表如下: 
  由于前概念具有顽固性,而学生更相信自己的眼睛而不是耳朵,所以,教学中提问第一小组学生:(投影表格)我们测量的是铁块,数据请看表格 
  师:你们发现了什么规律? 
  生:三块铁块,体积越大,质量越大,然后我们和其他小组交流发现质量与体积的比值是相同的。 
  第二小组学生:我们发现木块的质量与体积是成正比的,因为测出来的数据分析比值是一样的。 
  (教师投影各小组的数据) 
  师:你们找到规律了吗? 
  生1:质量与体积的比值是一样的。 
  生2:木块和铁块,它们的质量与体积的比值是不一样的,应该在前面加一个前提,同一物质的质量与体积的比值是相同的。
 师:还发现了什么? 
  生3:我还发现了不同物质的质量与体积的比值是不一样的。 
  师:大家说得很好,我们发现相同的物质质量与体积的比值是相同的,不同的物质它们的比值是不一样的,那么这个比值就能反映这种物质的一种特性,在科学中我们把这个比值命名为密度。 
  生4:老师,为什么不用体积与质量的比值呢?我发现也是一定的。(课堂一片安静) 
  师:其他同学说说看,行吗? 
  生5:我覺得行,因为相同的物质体积与质量的比值是相同的,不同的物质它们的比值是不同的,就能反映这种物质的一种特性。 
  生6:我觉得不行,这样的话铁的体积与质量的比值就比木块小了,小的反而说明它的密度大,好像比较“搞不拎清”。(全班一片笑声) 
  师:其实理论上也可以用体积与质量之比来衡量质量分布,即单位质量所占用的空间体积越小则密度越大。这就像速度大小通常用路程与时间之比来衡量一样,其实也可以用时间与路程之比来衡量——赛跑就是用的这种方式来比较速度大小的,相同的路程谁用的时间少谁平均速度就大。但是,要进行理论研究总得有个统一的标准吧?所以速度是路程与时间之比,密度是质量与体积之比,类似的定义还有很多,而且这种定义用起来也很方便,因此,科学上就采用密度是质量与体积之比。 
  在上面这堂密度概念教学课中,老师已经很好地优化了概念教学,但是他忽略了一点,密度是单位体积的某种物质的质量。对于初一学生来说,“单位体积”是这个概念中非常抽象的一个词语,需要帮助学生理解。因此建立了密度模拟实验:首先,由原型建立模型如图1,用两个体积相同透明塑料盒代替木块和铁块,然后在透明塑料盒中分别装入不同的物质模拟内部结构如图2,例如一个盒子中装入米粒模拟木块,一个盒子中装入沙子模拟铁块。然后放在天平上称量,一个质量小,一个质量大,让学生首先建立相同体积这个前提。接着把两个塑料盒等分如图3,两个塑料盒中取其中一格再放到天平上去称量,发现还是一个质量小,一个质量大。这时就可以反馈回原型提出“单位体积”这个概念,学生就能理解它的含义了。 
  【案例2】初一科学新教材第一册第四章第4节《物质的比热》 
  对于初一学生,比热概念更加难以理解,第一步:根据原型建立模型如图4,两个质量一样的圆柱形桶,一个模拟煤油的比热,一个模拟水的比热;第二步:再准备等量的红墨水,模拟热量;第三步:实施实验,例如:吸收相同的热量哪种物质升高的温度快?把等量的红墨水倒入两个圆桶可以发现,模拟煤油的圆桶中的液面比水的圆桶中的液面高,液面高低模拟温度高低。第四步:反馈到原型,吸收相同的热量煤油升温快,学生就较容易理解了。 
  通过以上两个模拟实验案例可见,模拟实验能够为学生搭建起一个由具体到抽象思维的桥梁,让学生容易去接受和理解一些抽象概念。 
  2.模拟实验促微观概念的理解 
  【案例3】初一科学新教材第一册第四章第1节《物质的构成》 
  教材中有一个芝麻和黄豆混合的模拟实验,它是用来模拟水和酒精混合后的总体积小于水和酒精的体积之和的,这就是典型的微观概念。对于学生来说微观概念由于很难观察到所以理解起来有很大的困难,所以教材中放了这么一个模拟实验。在教学过程中,有很多老师还会补充一个实验,就是拿针筒压缩气体,说明分子之间有空隙,应该效果不错的,但是应该补充一个模拟实验,例如:用一块海绵模拟气体为什么能被压缩,学生是不是更加容易理解分子之间存在空隙这个概念。 
  其实这个方法在以后的化学反应中更有用,例如:用搭积木游戏来模拟化学反应,当我们搭好一个积木的形状的时候,如果不喜欢我们就会把它推倒重新搭,搭成我们喜欢的样子,在这个过程中我们发现,积木块的数量种类都没有变,这就好比化学反应。如图5,左下角是原来搭好的积木,不喜欢了推倒重新搭,搭成另外一个样子。 
  微观世界对于学生来说是非常陌生的,为了让学生理解微观概念,模拟实验就充当了一个桥梁的作用,把不可见的用模型来模拟,从而促进学生对概念的理解。 
  3.模拟实验促不易观察概念的理解 
  所谓不易观察的概念指的是一些地壳变动、火山地震、泥石流、地球自转公转、月相、日食和月食、生物体内部结构等,这些都是学生不易观察的概念,要理解这些概念用模拟实验就比较方便了。 
  【案例4】七年级上第三章第5节《泥石流》 
  我们不可能亲临现场观察,但我们一样可以认识泥石流的形成原因——模型。 
  模型:图3-47 土质山谷模型 
  说明:制作此模型时需注意:使用的土壤质地要比较细,质地粗的土壤渗水比较快,坡面水流比较小,因此沙土也不适宜使用。土壤堆成山谷后不要压紧,可以先用水试验后确定的压实的程度,以水能冲走土壤为宜。坡面的坡度应大于45°,坡面也要有适当的长度,以80cm左右为宜。 
  活动:(1)①在土质山谷模型的坡面上洒水,观察图3-47A处发生的现象。②加大洒水的量,使坡度形成较大水流,再次观察在A处发生的现象。→泥石流的成因:大量的流水 
  (2)若改变坡度,会有何现象呢?陡峭VS平坦→泥石流的成因:地形 
  (3)引导:模型上的土壤会有影响吗?→泥石流的成因:坡面物质性质 
  其实模拟实验在生命科学中的运用是非常普遍的,例如:呼吸运动的教学对于学生很难理解,教材中用了一个锥形罩内气球的模拟实验,但是这个模拟实验只能让学生理解膈肌在呼吸运动中的变化,于是要补充一个模拟实验,如图6。 
  这个模拟实验能够模拟肋骨的变化和胸腔容积的变化,同时可以体会到肋间肌是收缩还是舒张。具体说明:黑线模拟肋间外肌,在人吸气时,发现黑线变短,模拟收缩的过程,另外一根白线表示肋间内肌就相反。还能体会到肋骨向上向外的运动原理。 
  虽然在研究过程中建立了多个模拟实验,但是有些还没有运用到课堂中去实践,因此,还有许多要改进的地方,还要调查学生对这些模拟实验的反馈如何,效果如何,这些都是未来仍需要去完善的地方。“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索!” 
  参考文献: 
  1.郑青岳.模拟实验及其开发[J].中学物理教学参考,1995(06). 
  2.刘水明.模拟实验及其在生物教学中的应用[J].中学生物教学,2005(Z1). 
  (作者单位:浙江省杭州市余杭区中泰中学)
浏览次数:  更新时间:2017-12-03 07:30:57
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