初中科學模擬實驗促概念理解的研究

吳建平

摘 要：筆者由一次學區(qū)教研活動和平時作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的問題，由此想到了模擬實驗在初中科學教學中存在的問題，并從廣泛應用入手進行深入研究，發(fā)現(xiàn)模擬實驗是如何幫助學生理解科學概念的，以此梳理出一些案例僅供讀者參考。

關鍵詞：初中科學；模擬實驗；概念理解

一、研究問題的情境性分析

在一次學區(qū)教研活動中，一位年輕教師開設了一節(jié)“物質(zhì)的構成”公開課，在課中有一個模擬實驗內(nèi)容是黃豆與芝麻的混合。教科書編者的本意是通過這個模擬實驗讓學生進一步理解“酒精與水混合后的總體積小于水和酒精的體積之和”。而這位教師在演示完這個模擬實驗后，得出的結論是：構成物質(zhì)的分子之間存在著空隙?？赡苁悄贻p教師對模擬實驗理解有問題，也有可能是她的口誤，但也從側(cè)面反映出教師對模擬實驗不夠重視，在設置實驗時目標指向性不夠明確。

另外，在浙教版科學配套的作業(yè)本七年級上B本第23頁到24頁中有這么一道題目：結合“鉛筆在籃球和木板上移動”的活動，回答下列問題：（3）本活動合理地說明了（ ）。A.物體長短與運動表面大小有關；B.物體長短與觀測距離有關；C.地球是個球體；D.物體長短與觀測角度有關。作業(yè)本答案是選C。我們知道這個模擬實驗是用來模擬“海面上遠去的船只為什么船身比桅桿先消失”這一現(xiàn)象的。通過這個模擬實驗，是讓學生理解海面是一個曲面而不是平面，從而促進學生理解“海面上遠去的船只為什么船身比桅桿先消失”這一現(xiàn)象，然后通過這一現(xiàn)象推測出地球是個球體。筆者認為這是教科書編寫者使用的一個非常合理的邏輯順序，但是作業(yè)本的這道題目卻省略了中間的一個環(huán)節(jié)，直接問說明了什么，是不符合學生的認知規(guī)律的，會誤導學生認為模擬實驗就是真實現(xiàn)象的錯覺。本題在筆者所教兩個班級里錯誤率達到67.4%。

上述問題的出現(xiàn)不是偶然現(xiàn)象，而是教師對模擬實驗的認識不夠深刻，總感覺學生應該能對這樣的實驗很好理解，不用多做解釋。模擬實驗非常直觀，這就是模擬實驗的優(yōu)點，但是更要教師好好利用這個“載體”去幫助學生進一步理解科學概念，而不是去誤導學生做出錯誤的判斷?；谝陨线@些，筆者認為有必要對初中的科學課堂教學中如何運用模擬實驗來促進學生對概念的進一步理解做一些研究。

另外，對于剛從小學升到初中的孩子，都有一個“初一不適癥”，很多孩子不適應突然拔高的學習科目難度和急劇加大的知識量。到了初中，教師教學方式和風格的轉(zhuǎn)變，對學生的自主性要求大大提高，并且初中將學習大量的、重要的科學概念、規(guī)律、能力和科學素養(yǎng)，而這些概念、規(guī)律、能力和科學素養(yǎng)，是解決各類問題的基礎，是探究物質(zhì)世界的基本素養(yǎng)，因此要真正理解、掌握知識和培養(yǎng)能力。

二、核心概念的操作定義

首先，所謂模擬實驗，就是根據(jù)相似理論，先設計與自然事物、自然現(xiàn)象及其發(fā)展變化過程相似的模型，然后通過對模型的實驗和研究，間接地認識原型事物的性質(zhì)和規(guī)律性。

其次，操作流程圖：

再次，模擬實驗的特點：

（1）模擬實驗直接作用于模型而非實際的研究對象（原型）；

（2）模擬實驗根據(jù)的是相似性原理：模型和研究對象之間具有相似性，模型所處的實驗條件與研究對象所處的實際條件也是極為相似的；

（3）要運用類比推理的方法，將模擬實驗的結果類推到原型上去，以揭示研究對象的本質(zhì)和規(guī)律。

三、研究過程

1.模擬實驗促抽象概念的理解

【案例1】初一科學新教材第一冊第四章第三節(jié)《物質(zhì)的密度》第一課時

師：老師手上拿著兩個用紙包裹著的物體，它們的外形是一樣的，便于區(qū)分老師涂了不同的顏色，接下來我請同學感受下，外形相同的兩個物體它們到底有什么不同？

生1：（感受下）一個特別重，一個很輕。

師：在我們科學中，“重”和“輕”你覺得指的是什么？

生：（齊答）質(zhì)量。

師：我們再請幾位同學感受下。

生2：一個特別重，一個特別輕。

生3：一個質(zhì)量大，一個質(zhì)量小。

師：同學們是不是很想知道老師在這里面包裹的是什么物質(zhì)呢？

（拆開紙一個是鐵，一個是木頭）

師：鐵和木頭相比，哪個重？

生：鐵比木頭重。

師：（教師拿出一個小鐵釘和一根夸張的大木棒）一枚鐵釘比一塊木頭重嗎？（學生否定）那你為什么就說鐵比木頭重呢？（引發(fā)沖突）請修正原來的表述。

生：體積相同的鐵，要比木頭重。

師：但如果不是比輕重，而是比質(zhì)量大小呢？

生：體積相同的鐵，質(zhì)量比木頭要大。

師：很好！體積相同的不同物質(zhì)，質(zhì)量大小并不相同。

師：（介紹器材及使用）……有的小組是三塊木塊，有的小組是三塊橡皮，有的小組是三塊鐵塊，我們要測量什么？

生：測量它們的質(zhì)量和體積。

師：等下在做實驗時我們要測量這些數(shù)據(jù)，同時還要對這些數(shù)據(jù)進行分析，看看我們同學能不能發(fā)現(xiàn)它們是否存在某種關系。記錄表如下：

由于前概念具有頑固性，而學生更相信自己的眼睛而不是耳朵，所以，教學中提問第一小組學生：（投影表格）我們測量的是鐵塊，數(shù)據(jù)請看表格

師：你們發(fā)現(xiàn)了什么規(guī)律？

生：三塊鐵塊，體積越大，質(zhì)量越大，然后我們和其他小組交流發(fā)現(xiàn)質(zhì)量與體積的比值是相同的。

第二小組學生：我們發(fā)現(xiàn)木塊的質(zhì)量與體積是成正比的，因為測出來的數(shù)據(jù)分析比值是一樣的。

（教師投影各小組的數(shù)據(jù)）

師：你們找到規(guī)律了嗎？

生1：質(zhì)量與體積的比值是一樣的。

生2：木塊和鐵塊，它們的質(zhì)量與體積的比值是不一樣的，應該在前面加一個前提，同一物質(zhì)的質(zhì)量與體積的比值是相同的。endprint

師：還發(fā)現(xiàn)了什么？

生3：我還發(fā)現(xiàn)了不同物質(zhì)的質(zhì)量與體積的比值是不一樣的。

師：大家說得很好，我們發(fā)現(xiàn)相同的物質(zhì)質(zhì)量與體積的比值是相同的，不同的物質(zhì)它們的比值是不一樣的，那么這個比值就能反映這種物質(zhì)的一種特性，在科學中我們把這個比值命名為密度。

生4：老師，為什么不用體積與質(zhì)量的比值呢？我發(fā)現(xiàn)也是一定的。（課堂一片安靜）

師：其他同學說說看，行嗎？

生5：我覺得行，因為相同的物質(zhì)體積與質(zhì)量的比值是相同的，不同的物質(zhì)它們的比值是不同的，就能反映這種物質(zhì)的一種特性。

生6：我覺得不行，這樣的話鐵的體積與質(zhì)量的比值就比木塊小了，小的反而說明它的密度大，好像比較“搞不拎清”。（全班一片笑聲）

師：其實理論上也可以用體積與質(zhì)量之比來衡量質(zhì)量分布，即單位質(zhì)量所占用的空間體積越小則密度越大。這就像速度大小通常用路程與時間之比來衡量一樣，其實也可以用時間與路程之比來衡量——賽跑就是用的這種方式來比較速度大小的，相同的路程誰用的時間少誰平均速度就大。但是，要進行理論研究總得有個統(tǒng)一的標準吧？所以速度是路程與時間之比，密度是質(zhì)量與體積之比，類似的定義還有很多，而且這種定義用起來也很方便，因此，科學上就采用密度是質(zhì)量與體積之比。

在上面這堂密度概念教學課中，老師已經(jīng)很好地優(yōu)化了概念教學，但是他忽略了一點，密度是單位體積的某種物質(zhì)的質(zhì)量。對于初一學生來說，“單位體積”是這個概念中非常抽象的一個詞語，需要幫助學生理解。因此建立了密度模擬實驗：首先，由原型建立模型如圖1，用兩個體積相同透明塑料盒代替木塊和鐵塊，然后在透明塑料盒中分別裝入不同的物質(zhì)模擬內(nèi)部結構如圖2，例如一個盒子中裝入米粒模擬木塊，一個盒子中裝入沙子模擬鐵塊。然后放在天平上稱量，一個質(zhì)量小，一個質(zhì)量大，讓學生首先建立相同體積這個前提。接著把兩個塑料盒等分如圖3，兩個塑料盒中取其中一格再放到天平上去稱量，發(fā)現(xiàn)還是一個質(zhì)量小，一個質(zhì)量大。這時就可以反饋回原型提出“單位體積”這個概念，學生就能理解它的含義了。

【案例2】初一科學新教材第一冊第四章第4節(jié)《物質(zhì)的比熱》

對于初一學生，比熱概念更加難以理解，第一步：根據(jù)原型建立模型如圖4，兩個質(zhì)量一樣的圓柱形桶，一個模擬煤油的比熱，一個模擬水的比熱；第二步：再準備等量的紅墨水，模擬熱量；第三步：實施實驗，例如：吸收相同的熱量哪種物質(zhì)升高的溫度快？把等量的紅墨水倒入兩個圓桶可以發(fā)現(xiàn)，模擬煤油的圓桶中的液面比水的圓桶中的液面高，液面高低模擬溫度高低。第四步：反饋到原型，吸收相同的熱量煤油升溫快，學生就較容易理解了。

通過以上兩個模擬實驗案例可見，模擬實驗能夠為學生搭建起一個由具體到抽象思維的橋梁，讓學生容易去接受和理解一些抽象概念。

2.模擬實驗促微觀概念的理解

【案例3】初一科學新教材第一冊第四章第1節(jié)《物質(zhì)的構成》

教材中有一個芝麻和黃豆混合的模擬實驗，它是用來模擬水和酒精混合后的總體積小于水和酒精的體積之和的，這就是典型的微觀概念。對于學生來說微觀概念由于很難觀察到所以理解起來有很大的困難，所以教材中放了這么一個模擬實驗。在教學過程中，有很多老師還會補充一個實驗，就是拿針筒壓縮氣體，說明分子之間有空隙，應該效果不錯的，但是應該補充一個模擬實驗，例如：用一塊海綿模擬氣體為什么能被壓縮，學生是不是更加容易理解分子之間存在空隙這個概念。

其實這個方法在以后的化學反應中更有用，例如：用搭積木游戲來模擬化學反應，當我們搭好一個積木的形狀的時候，如果不喜歡我們就會把它推倒重新搭，搭成我們喜歡的樣子，在這個過程中我們發(fā)現(xiàn)，積木塊的數(shù)量種類都沒有變，這就好比化學反應。如圖5，左下角是原來搭好的積木，不喜歡了推倒重新搭，搭成另外一個樣子。

微觀世界對于學生來說是非常陌生的，為了讓學生理解微觀概念，模擬實驗就充當了一個橋梁的作用，把不可見的用模型來模擬，從而促進學生對概念的理解。

3.模擬實驗促不易觀察概念的理解

所謂不易觀察的概念指的是一些地殼變動、火山地震、泥石流、地球自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)、月相、日食和月食、生物體內(nèi)部結構等，這些都是學生不易觀察的概念，要理解這些概念用模擬實驗就比較方便了。

【案例4】七年級上第三章第5節(jié)《泥石流》

我們不可能親臨現(xiàn)場觀察，但我們一樣可以認識泥石流的形成原因——模型。

模型：圖3-47 土質(zhì)山谷模型

說明：制作此模型時需注意：使用的土壤質(zhì)地要比較細，質(zhì)地粗的土壤滲水比較快，坡面水流比較小，因此沙土也不適宜使用。土壤堆成山谷后不要壓緊，可以先用水試驗后確定的壓實的程度，以水能沖走土壤為宜。坡面的坡度應大于45°，坡面也要有適當?shù)拈L度，以80cm左右為宜。

活動：（1）①在土質(zhì)山谷模型的坡面上灑水，觀察圖3-47A處發(fā)生的現(xiàn)象。②加大灑水的量，使坡度形成較大水流，再次觀察在A處發(fā)生的現(xiàn)象?！嗍鞯某梢颍捍罅康牧魉?/p>

（2）若改變坡度，會有何現(xiàn)象呢？陡峭VS平坦→泥石流的成因：地形

（3）引導：模型上的土壤會有影響嗎？→泥石流的成因：坡面物質(zhì)性質(zhì)

其實模擬實驗在生命科學中的運用是非常普遍的，例如：呼吸運動的教學對于學生很難理解，教材中用了一個錐形罩內(nèi)氣球的模擬實驗，但是這個模擬實驗只能讓學生理解膈肌在呼吸運動中的變化，于是要補充一個模擬實驗，如圖6。

這個模擬實驗能夠模擬肋骨的變化和胸腔容積的變化，同時可以體會到肋間肌是收縮還是舒張。具體說明：黑線模擬肋間外肌，在人吸氣時，發(fā)現(xiàn)黑線變短，模擬收縮的過程，另外一根白線表示肋間內(nèi)肌就相反。還能體會到肋骨向上向外的運動原理。

雖然在研究過程中建立了多個模擬實驗，但是有些還沒有運用到課堂中去實踐，因此，還有許多要改進的地方，還要調(diào)查學生對這些模擬實驗的反饋如何，效果如何，這些都是未來仍需要去完善的地方?！奥仿湫捱h兮，吾將上下而求索！”

參考文獻：

1.鄭青岳.模擬實驗及其開發(fā)[J].中學物理教學參考，1995（06）.

2.劉水明.模擬實驗及其在生物教學中的應用[J].中學生物教學，2005（Z1）.

（作者單位：浙江省杭州市余杭區(qū)中泰中學）endprint