模拟实验为自主探究搭建“脚手架”

　　一、主题与背景

　　《小学科学课程标准》中指出：“小学科学课程是以培养科学素养为宗旨的科学启蒙课程。科学学习要以探究为核心。”科学实验是培养科学素养和科学探究能力的主要方式之一。其中的模拟实验不仅有利于充分发挥学生的想象力、洞察力、判断力，提高处理问题能力、自我建构的认知能力，启迪学生创造性思维,培养创造能力。还是研究极其宏观或微观对象的重要手段。尤其在有关地球、宇宙等内容的学习过程中，模拟实验的作用就显得更为重要了。如教科版小学科学五年级下册第四单元“地球的运动”第4课时——《谁先迎来黎明》。本课是在学生认识由于地球的自转形成昼夜交替的现象和知道地球在自转的基础上，重点探究有关地球自转方向的问题。学生在做地球自转模拟实验的过程中，会认识到地球自转的方向不同，北京和乌鲁木齐看到日出的先后顺序就不相同。如何确定地球自转的方向就成了需要解决的重要问题。而人们是通过天体的周日视运动来认识地球的自转方向的。哥白尼已经指出，天体每天东升西落的现象，不是天体的真实运动，而是地球自转导致的。本课教学就是指导学生根据太阳东升西落的现象来推理地球的自转方向。由于相对运动，人们看到日月星辰的运动的方向刚好和地球自转的方向相反。观察天体的周日视运动方向，就可以得知地球的自转方向。因此有必要先让学生通过几个活动来建立相对运动的概念，这几个活动要从易到难展开。当学生认识到这一切都可以通过相对运动来解释时，就自然会根据太阳的视运动——东升西落来解释地球自转的方向了。

　　五年级的学生，通过各种媒体及各科的渗透教学，已经熟悉了地球、宇宙飞船、星球等词汇，夜空中闪烁的星星和弯弯的月亮是儿童文学作品中司空见惯的主题，它能激发学生强烈的好奇心与无限的遐想。学生对学习地球知识有着浓厚的兴趣，要让学生获得表面性的知识并不难，难的是让学生经历、理解科学概念的获得过程。让科学概念和科学探究得到和谐发展，让探究活动为构建概念搭建“脚手架”，帮助学生理解地球的自转方向与天体的东升西落相反。然而这部分的内容在时空尺度上比较宏观，某些知识的理解要依靠比较强的思维空间想象能力。使得不少学生产生“畏”的情绪，从而挫伤了学习的积极性。

　　因此，在教学中要注意根据小学生的实际认识水平，把握、调整教学难易的度，让学生在现有的水平上得以发展。但在这一过程中，不仅需要学生对证据进行批判性的逻辑加工，还需要具有一定的空间想象力。这些对于大多数学生来说仍然是一个不小的挑战。所以，只有开展好有效的模拟实验，为学生的自主探究搭建好“脚手架”，才能为他们学习目标的达成保驾护航。

　　二、情景与描述

　　(一)唤醒已有的感性认识，激起思维的火花。

　　建构主义认为，学生的前概念是极其重要的，它能对学生概念的形成起促进和帮助作用。一个概念的形成，必须建立在学生自己原有的生活经验的基础上，新概念必然是对生活中原有概念进行重新组合、转化的一个过程。课前需要了解学生对于地图和现实生活的方位掌握情况，了解学生对需要探究的问题已经形成的初步认识。在此基础上将学习内容转化为“问题”，学生在探究中就有了思维的起点，行动的指标，学生知道自己在干什么，把探究内化为学生自己的事情。让学生在真实的问题情境中，不断激起思维的火花。所以我首先通过谈话引入，出示北京和乌鲁木齐的精美图片并做简要介绍，把学生的注意力集中到课堂上。紧接着我让学生借助地图来确定北京和乌鲁木齐的相对位置后，出示北京和乌鲁木齐黎明时的图片。提出“这两个城市每天迎来黎明的时间先后一样吗?哪个城市会先迎来黎明呢?”这个问题，在学生猜测的过程中自然地引出本节课学习的内容。虽然通过地图确定了北京和乌鲁木齐的地理位置以后，学生发现仍然不能直接判断出北京和乌鲁木齐谁先迎来黎明。我顺势加以引导：因为地球实在是太大了，我们无法看到它的真面目，但可以通过做模拟实验来观察。

　　【教学实录片段】激趣导入

　　师：同学们都喜欢外出旅游吧!去过北京和乌鲁木齐吗?

　　生A：我没有去过啊，好想去哦。

　　生B：我几年前跟爸爸一起去过北京，那里很漂亮啊。

　　师：(出示北京和乌鲁木齐图片)北京，是我们祖国的首都，是我们祖国的政治经济文化中心。自从2008年北京奥运会成功举办之后，更成为世界人民瞩目的焦点;乌鲁木齐也是一个不错的城市，是新疆的首府所在地。

　　师：你们知道这两个城市分别在我国的什么位置吗?我们可以通过地图来观察一下(出示中国地图)。我们通常在地图上怎样确定方向呢?

　　生：上北下南，左西右东。

　　师：你们同意吗?

　　生：同意。

　　师：那——北京和乌鲁木齐的位置关系是怎样的?

　　生:北京在东边，乌鲁木齐在西边。

　　师：不错，有同学还可以说得更具体一些吗?

　　生：北京在乌鲁木齐的东边，乌鲁木齐在北京的西边。

　　师：你说得真好，(出示北京和乌鲁木齐黎明时的图片)我们知道地球不停的自转产生了昼夜交替现象。那北京和乌鲁木齐这两个城市每天迎来黎明的时间先后一样吗?哪个城市会先迎来黎明呢?

　　生A：我觉得是北京。

　　生B：我说是乌鲁木齐。

　　生C：我觉得是北京，因为北京在东边，太阳是从东方升起的。

　　师：这些都只是你们的猜测，你们有办法证明吗?让我们一起来探讨一下这个问题吧!(师板书课题)

　　师：虽然我们已经确认了北京和乌鲁木齐的位置关系，但我们还是不能直接判断出它们谁先迎来黎明。因为地球实在是太大了，我们无法看到它的真面目。在这种情况下通常可以用做模拟实验的方法来观察。

　　(二)开展有效的模拟实验，追求经历过程与学会技能的和谐统一。

　　模拟实验是科学实验和科学模型方法的有机结合。而不少科学教师在实际教学中进行的模拟实验往往是做做样子。一是忽视对模拟实验科学性的研究。对模拟实验设计的科学性思考不够，使两者的相似性得以弱化。二是忽视对模拟实验技能训练的重视。许多教师往往只将模拟实验作为一种手段，其目的就是为了获得对研究对象的认识、以揭示其本质和规律，结果导致学生只能在教师的指导下运用模拟实验来探究事物。没有对学生运用模拟实验的能力进行系统的指导与训练，所以模拟实验就成了游离于学习方法之外的方法，使得学习活动的价值大打折扣。我让学生用手电筒和地球仪来进行模拟实验。在学生制定实验方案和讨论实验要求时，我就有针对性的提出了“迎来黎明之前，北京和乌鲁木齐是白天还是黑夜呢?我们该怎么表示呢?”、“怎样来确定手电筒和地球仪之间的距离呢?”等问题让学生讨论。学生通过讨论明白了手电筒的光应照亮半个地球仪，北京和乌鲁木齐迎来黎明之前应处在地球仪没有被照亮的那一面等问题。学生在做这个模拟实验的过程中兴趣盎然、分工合作、认真操作、探究和想象。模拟实验取得较好的效果，发挥出“千言万语道不清，一做实验便分明”的奇效。为学生自主探究这个在时空尺度上比较宏观、理解起来比较抽象的内容搭建了必不可少的“脚手架”。让学生的模拟实验技能在亲身经历实验的过程中得到了系统的训练和指导，实现了经历过程与学会技能的和谐统一。

　　如果对模拟实验的科学性思考不够，没有在实验之前提出这些有针对性的问题让学生进行讨论，学生不明白手电筒的光应照亮半个地球仪，北京和乌鲁木齐迎来黎明之前应处在地球仪没有被照亮的那一面等问题。学生可能用手电筒只照亮地球仪很小的一部分，并且一开始是照在两座城市的中间。这样就会导致地球仪自西向东转动时，乌鲁木齐先被照亮;地球仪自东向西转动时，北京先被照亮，得出一个错误的结论。如果按照教科版小学科学五年级下册第四单元79页的方法来做这个模拟实验。即找几个同学手拉手面朝外围成圆圈，一个同学身上贴上写有“北京”和“东”的纸片表示北京，一个同学身上贴上写有“乌鲁木齐”和“西”的纸片表示乌鲁木齐，一同学站在圈外举一红色圆纸片表示“太阳”。围成圈的同学分别按照自西向东(逆时针)和自东向西(顺时针)的方向转动，转动分别表示地球自转的方向。在转动过程中，两位同学看到太阳时就喊一声“天亮了”，即表示这座城市迎来了黎明。大家都知道，小学生都很喜欢做实验，所以大家都想参与。而由于场地的限制，又只能选几位同学来进行模拟实验。没有被选中参与模拟实验的同学会非常失落，不但没有认真观察、思考和想象，甚至会趴在桌子上看也不看一眼。参与模拟实验的几位同学可能十分得意，不仅在模拟过程中不能很好地配合，也不会在模拟过程中认真思考和想象，课堂气氛瞬间降温。此时，就算老师生硬地把实验结论端出来，又有多少学生是从内心真正信服的呢?这样的模拟实验就完全是做做样子的，其效果也就不言而喻了。

　　【教学实录片段】模拟实验：地球的自转方向决定了不同地区迎来黎明的时间不同

　　师：(出示手电筒和地球仪图片)如果老师只提供一只手电筒和一个地球仪给你们，想一想：用什么模拟什么?怎么做这个模拟实验?

　　生A:手电筒当太阳，地球仪当地球。用手电筒的光当太阳光照地球。

　　生B:把地球仪转动起来，看北京和乌鲁木齐谁先被手电筒照亮，谁就先迎来黎明。

　　生C:因为地球仪太小，不好观察，要先在地球仪上找到北京和乌鲁木齐的位置，做一个明显的记号。

　　师：迎来黎明之前，北京和乌鲁木齐是白天还是黑夜呢?我们该怎么做?

　　生：是夜晚，应该让北京和乌鲁木齐都处在夜晚。

　　师：怎么来表示北京和乌鲁木齐都处在夜晚?

　　生：让北京和乌鲁木齐都在没有被手电筒照亮的那一面。

　　师：孩子们真棒!大家的意思就是要先找到北京和乌鲁木齐的位置，让它们都处在夜晚，再用手电筒的光照着地球仪，地球仪慢慢的转动起来，观察北京和乌鲁木齐谁先被手电筒的光照亮，谁就先迎来黎明。(幻灯片出示这段话)

　　师：再想一想，在做这个实验的时候，还有什么需要注意的吗?

　　生A:地球仪不要转动得太快，快了看不清楚。

　　生B：两个方向都要转一转。

　　生C:还要注意观察和记录。

　　师：怎样来确定手电筒和地球仪之间的距离呢?

　　生：手电筒的光线要照亮半个地球仪。

　　(幻灯片出示实验注意事项：地球仪不要转动的太快;注意调节手电筒和地球仪之间的距离，光线照亮半个地球仪即可;调整后，手电筒不要随便乱动;自西向东转几圈，自东向西转几圈;把你观察到的填在模拟实验记录单上。)

　　师：自西向东和自东向西怎么转呢?(师用大地球仪演示，生练习做)

　　师：小组内先分工，明确各自的任务以后再操作。

　　(生操作时，师巡视指导)

　　师：在什么情况下，北京先迎来黎明?在什么情况下，乌鲁木齐先迎来黎明?

　　生A：当地球自东向西转动时，乌鲁木齐先迎来黎明;

　　当地球自西向东转动时，北京先迎来黎明。

　　师：你们同意他的观点吗?

　　生：同意。

　　师：和这一组的实验结果相同的请举手。

　　(我一看，都举手了)

　　师：为什么会出现两种情况呢?

　　生：因为地球的自转方向不同，迎来黎明的时间先后就不同。

　　师：但是地球自转的方向不可能有两种，究竟是怎样的呢?让我们继续研究。

　　(三)借助感性认识和模拟实验，在推理中赋予思维空间。

　　推理能力是科学素养的重要组成部分，运用推理是科学探究的重要方法。而“具有初步推理能力，能从个别推出一般，或从一般识别个别，具有初步分析、归纳、综合的能力，能对事物、现象的各个方面或各个部分加以分析、综合，认识局部与整体的关系”也正是9～12岁儿童应该具有的科学素养之一。科学概念的学习应该是主动地构建意义，是学习者通过新旧知识经验间的反复的、双向的相互作用过程而建构的。推理过程也可以看成是对刚构建起来的新概念的一种迁移运用，更是对新构建的科学概念的一种完善和巩固。

　　但由于各种原因，学生平时接受的推理能力方面的训练不多，这方面的能力比较弱。对从没接触过“相对运动”的小学生而言，理解“相对运动”成为本课的一个难点。为了解决这个问题，我除了注意结合、利用学生的已有经验，从学生的当前经验和实际水平出发之外，还通过模拟实验，让学生亲身体验汽车在前进和倒退时、以及乘坐旋转木马时看到周围静止物体的相对运动状态，得出相对运动的规律。在此基础上引导学生来推想大转椅顺时针或逆时针转动时周围物体的相对运动状态，再根据推想请学生真正乘坐转椅体验。在学生理解相对运动的基础上，打开学生的思维空间，引导学生观察地球以外天体的运动方向来反推地球的自转方向。把较为宏观、抽象的内容转化为学生容易感知和感受的情境，使其具体化、形象化。以学生的认知为起点，步步为营，层层递进。学生在理解相对运动的基础上，从太阳的东升西落推出地球的自转方向是“自西向东”就水到渠成了。确定了地球自转的方向是自西向东，学生就自然能判断出北京比乌鲁木齐先迎来黎明了。

　　【教学实录片段】理解相对运动，知道地球自转的方向与天体的东升西落相反

　　师:为了帮助我们研究，我们先来回忆与感受几个生活中常见的几种运动现象，看看有什么规律?做完后及时记录。

　　(1)模拟汽车向前行驶：(学生站在空的地方向前走)

　　师：你看到身边的桌子等物体是怎样运动的?

　　生A：看到桌子向后运动。

　　生B：看到桌子向后移动，给我移动的方向相反。

　　(2)模拟汽车向后倒退：(学生站在空的地方向后退)

　　师：你看到身边的桌子等物体又是怎样运动的?

　　生A：我向后，桌子向前。

　　生B：感觉桌子向前跑。

　　(3)模拟乘坐旋转木马：(学生站在空的地方顺时针和逆时针方向转动身体)

　　师：你们看到身边的桌子等物体又是怎样运动的?

　　生A：我顺时针方向转时，黑板逆时针方向运动。

　　生B：周围的物体的运动方向与我的运动方向是反的。

　　师：看看记录表，想想生活中类似的经历，你有什么发现吗?

　　(课件出示)规律：当我们乘坐在行驶的汽车或旋转木马(运动的物体)时，看到外面的景物是做(相反方向)运动的。像这样的运动方式我们称之为相对运动。

　　师：乘上转椅时，看到周围的景物是顺时针方向旋转，你的转椅应该往哪个方向旋转?为什么?

　　生A：逆时针方向旋转，因为方向是反的。

　　生B：逆时针方向，因为看到周围物体的运动方向给我们转动的方向是相反的。

　　师：我们在地球大转椅上，我们每天看到地球周围有哪些星体在运动，它们的运动方向是怎样的?

　　生：我们看到太阳每天东升西落啊。

　　师：也就是说我们在自转的地球上看到太阳自东向西运动。由此，你们推断地球的自转方向是怎样的?

　　生：自西向东。

　　师：(播放地球自转视频)在自转的地球上看到的其它星体东升西落，这其实正是地球与他们相对运动的结果。而地球自转的方向，正好与它们自东向西运动的方向相反，是自西向东。

　　三、诠释与研究

　　小学科学教育具有开放性和活动性，是一门实践性很强的学科，科学教育的课堂要以探究为主要形式的思想是大家所公认的。当然，作为小学科学内容之一的地球单元，也应该体现科学探究的内涵与本质，并且更有必要体现科学探究的学习方式。因此，在课堂上，教师就应该以现代建构主义的理论为指导，注重探究活动的设计和组织。重视对模拟实验科学性的思考，重视对学生进行模拟实验技能系统的指导和训练。有效地开展好模拟实验，让模拟实验发挥出“千言万语道不清，一做实验便分明”的奇效。给学生更多的体验机会，为学生在体验、实践中理解抽象的地球的知识，感受关于地球科学探究的乐趣搭建好“脚手架”。

　　四、问题与讨论

　　这一课的教学最为突出的有三点：

　　一是注意结合、利用学生的已有经验，从学生的当前经验和实际水平出发，通过各种形象化的方法把较为宏观、抽象的内容转化为学生容易感知和感受的情境，使其具体化、形象化。并注意根据小学生的实际认识水平，把握、调整教学难易的度，让学生在现有的水平上得以发展。

　　二是将学习内容转化为“问题”。教学中就有“北京和乌鲁木齐迎来黎明的时间先后一样吗?”、“地球自转时到底是自西向东还是自东向西呢?”、“北京和乌鲁木齐迎来黎明的时间相差几小时呢?”等。因为地球单元的内容学生缺乏经验，认识上往往非常零碎，如果没有一个问题的引领，学生往往会迷失探究的真正目的，不知所措，认识上没有系统性。把学习内容转化为问题，学生在探究中就有了思维的起点，行动的指标，学生知道自己在干什么，为什么这样干，把探究内化为学生自己的事情。有了这些主干问题的引领，学生在真实的问题情境中，不断激起思维的火花，自己提出问题，循序渐进地思考解决问题，积极构建科学概念，提高了自主探究的有效性。

　　三是开展了有效的模拟实验。这课中的模拟实验为系统地指导、训练学生的模拟实验技能和学生的自主探究能力搭建了平台。为学生理解宏观、抽象的地球知识搭建了必不可少的“脚手架”，帮助他们达成了学习目标。

　　有老师也提出：我让学生向前走、向后退、乘坐转椅等方式来模拟汽车运动的速度不够。其实我在设计这个模拟实验时也反复思考过这个问题。我原来的想法是播放视频，但没有找到合适的视频。我反复体验过很多次，向前走、向后退和转动身体都能看到身边的物体在做相对运动。我又想让学生在已有感性认识的基础上再亲身去体验，所以我才这样设计的。当然，这课中模拟实验的材料的选择也是值得研究的。总之，只有关注学生的前概念，从学生的当前经验和实际水平出发，符合学生的认知规律的设计才是唯一合理的。

　　五、反思与评价

　　我这一课的教学和设计都注意了结合、利用学生的已有经验，从学生的当前经验和实际水平出发，通过各种形象化的方法把较为宏观、抽象的内容转化为学生容易感知和感受的情境，使其具体化、形象化。降低了学生学习的难度，同时也诱发了学生探究的热情。尤其是模拟实验的有效开展，不仅为学生理解宏观、抽象的地球知识搭建了必不可少的“脚手架”，增强了学生学习的自信心，还让学生的模拟实验技能得到系统的训练和指导。实现了经历过程与学会技能的和谐统一，也为学生以后的自主探究奠定了坚实的基础。