小學科學實驗現(xiàn)象的可視化

李路加

小學科學是一門以培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)為宗旨的課程，實驗探究是其中的重要組成部分。然而，在教學過程中，我們發(fā)現(xiàn)：一些實驗產(chǎn)生的現(xiàn)象并不明顯，甚至我們根本看不到。因此，筆者以“聲音的變化”一課為例，通過實驗設計的優(yōu)化，在獲得實驗數(shù)據(jù)的基礎上，實現(xiàn)了實驗現(xiàn)象的“可視化”，促進了學生科學素養(yǎng)的提高。

小學科學把探究活動作為學生學習科學的主要方式，強調(diào)從學生熟悉的日常生活出發(fā)，通過學生親身經(jīng)歷和動手動腦等實踐活動，提高學生的科學能力。如果學生想從探究活動中獲得新知，實驗現(xiàn)象的直觀呈現(xiàn)是必不可少的。然而，有些實驗因為其相對抽象而難以直觀；有些實驗雖然可以達到教學效果，但是學生獲得實驗結(jié)果的方式主要依賴于聽、想，這樣也就失去了可視化的意義。因此，我們就有必要探究如何將科學實驗所獲得的現(xiàn)象“可視化”地呈現(xiàn)給學生。

一、實驗現(xiàn)象可視化的意義

一方面，實驗現(xiàn)象的可視化顯示，真實地反映了實驗的執(zhí)行過程，并且增大了教學的容量，使學生獲得了更為直觀形象的學習體驗。另一方面，實驗現(xiàn)象的可視化有利于學生掌握基本知識、基本方法，培養(yǎng)學生的技能和能力，使學生通過實驗，真正做到“我看到，很直觀，便真正理解了”。

二、實驗現(xiàn)象可視化的途徑

第一，借助計算機軟件將實驗現(xiàn)象更好地呈現(xiàn)出來。王甲春等通過Matlab這一計算軟件，采用了Matlab GUI技術，模擬工程力學實驗，可以視化實驗結(jié)果，并可任意改變實驗參數(shù)值對于實驗結(jié)果的影響，在力學實驗中，取得了良好的成效。

第二，通過圖形語言，如簡筆畫、示意圖、韋恩圖等方式，將實驗過程和實驗結(jié)果加以描述。小學生的思維模式以感性經(jīng)驗為主，在思維發(fā)展的過程中，需要具體形象的事物作為支撐，圖形語言恰好能滿足這點。

第三，運用相關實驗數(shù)據(jù)，將實驗中的相關現(xiàn)象加以可視化。在科學研究過程中，數(shù)據(jù)是進行實證的重要依據(jù)之一，它主要是指學生在觀察、實驗過程中所獲得的相關數(shù)字。實驗數(shù)據(jù)在科學研究過程中起到了不可替代的作用，正確地運用實驗數(shù)據(jù)，對于學生形成科學態(tài)度，提高科研能力，發(fā)展科學思維具有促進作用。

三、實驗現(xiàn)象可視化在小學科學中的應用

小學生對周圍世界具有強烈的好奇心和求知欲，這種好奇心和求知欲是推動學生科學學習的內(nèi)在動力。針對小學生這一心理發(fā)展特征，筆者認為實驗學習恰好可以起到作用?？紤]到小學階段的學生還難以應用較復雜的計算機軟件，因此在實驗現(xiàn)象的可視化途徑中，主要采用實驗數(shù)據(jù)和圖形語言相結(jié)合的方式，并依托小學生較熟知的excel軟件，將實驗現(xiàn)象可視化應用到小學科學的教學之中。

新的課程標準中指出：探究活動是學生學習科學的重要方式。探究活動涉及了提出問題、做出假設、設計實驗、驗證假設等多個環(huán)節(jié)。在探究過程中，將一些難以直觀的實驗現(xiàn)象，通過數(shù)據(jù)和圖表“可視化”，能夠使學生獲得更多的探究體驗。下面筆者以“聲音的變化”一課為例加以闡述。

1.明確實驗目的

本節(jié)課主要通過幾個實驗建立聲音的高低強弱與物體振動狀態(tài)的關系。其中，教參中已經(jīng)指出：將聲音高低的變化和物體振動的頻率聯(lián)系起來是本課的難點。因此，為了突破這一難點，我們將實驗目的確定為通過實驗，探究聲音高低的變化和物體振動頻率之間的關系。

2.改進實驗設計

四年級的教科版教材中，對于“觀察比較聲音高低的變化”一節(jié)，主要提供了兩個實驗，即“用小木棒敲擊裝水量不同的玻璃杯”和“撥彈松緊不同的橡皮筋”。兩個實驗雖然可以讓學生觀察到高低不同的聲音，然而，若想進一步明確聲音的高低與物體振動的關系，并且讓學生更為直觀地看到兩者振動快慢的不同，僅靠這兩個實驗是不夠的。因此，筆者經(jīng)過實踐摸索，決定使用兩種不同頻率的音叉，用橡皮錘分別對其進行敲擊。

（1）實驗猜想中的知識體系化

首先，在“音叉實驗”之前，為了更清楚地讓學生觀察到“高低不同的聲音”，筆者選擇了音樂課上常用到的鋁片琴。通過敲擊長短不同的鋁片，發(fā)出高低不同的聲音，讓學生明確：越短的鋁片發(fā)出的聲音越高；越長的鋁片發(fā)出的聲音越低。由此幫助學生構(gòu)建了一定的知識體系。在學生敲擊兩種長短（頻率）不同的音叉之前，很容易進行猜想：短的音叉發(fā)出高音；長的音叉發(fā)出低音。實驗進行至此，學生僅僅是“聽到了”，還未達成“看到了”這一目標。

（2）實驗操作中的現(xiàn)象可視化

接著，筆者借助輕小的物體——乒乓球。利用兩種敲擊過的音叉分別去觸碰乒乓球，由于敲擊后的音叉在不斷振動，因此其與乒乓球接觸后，會被彈起，并在短時間內(nèi)進行不斷的往復運動：接觸、彈起、接觸、彈起......基于此過程，學生可以較為清楚地看到乒乓球與音叉的碰撞情況。然而，在實際授課中，發(fā)現(xiàn)學生的關注點一部分集中于乒乓球被彈出的距離，即振動的幅度上，這與實驗目的相悖；同時，坐在班級位置靠后的學生無法清晰地觀察到實驗現(xiàn)象。

（3）實驗記錄中的結(jié)果可視化

于是，筆者結(jié)合四年級學生的認知水平，進一步改進實驗：請兩名同學來到講臺前，一名同學利用電子停表計時10s；另一名同學根據(jù)這10s內(nèi)兩種音叉與乒乓球的碰撞情況拍掌，即每接觸一次，拍掌一次。臺下的學生根據(jù)聽到的拍掌情況，畫出波形圖（注：每拍掌一次，畫出一個對應的波峰；拍掌間隙的圖形以水平直線表示）（圖1）。通過圖表，學生們很容易發(fā)現(xiàn)：相同時間內(nèi)，音調(diào)低的音叉出現(xiàn)的波峰次數(shù)較少（出現(xiàn)6次波峰），即與乒乓球的接觸次數(shù)較少；音調(diào)高的音叉出現(xiàn)的波峰次數(shù)較多（出現(xiàn)9次波峰），即與乒乓球的接觸次數(shù)較多。乒乓球與音叉的接觸正是由于音叉的振動所引起的。此時，學生可以清楚地認知：音調(diào)低的音叉振動頻率較慢；音調(diào)高的音叉振動頻率較快。

3.完善實驗結(jié)果

前文中，我們已經(jīng)提道，“探究聲音的高低與振動頻率的關系”是本節(jié)課的難點。關于“振動頻率”，物理中已經(jīng)給出了明確的定義：物體每秒鐘的振動次數(shù)。之前的實驗設計中，我們已經(jīng)測定了10秒內(nèi)兩個音叉與乒乓球的碰撞次數(shù)，因此我們很容易計算出每秒內(nèi)兩個音叉與乒乓球的碰撞次數(shù)，即兩個音叉的振動頻率。再利用excel軟件將獲得的數(shù)據(jù)整理成學生們已經(jīng)熟知的柱狀圖（圖2），經(jīng)過三組重復實驗的結(jié)果（長音叉的振動頻率分別為0.6、0.5、0.7次/秒；短音叉的振動頻率分別為0.9、0.8、1.1次/秒），得出結(jié)論：音調(diào)較高的音叉振動頻率較快；音調(diào)較低的音叉振動頻率較慢。于是，學生們也再次驗證了波形圖得到的結(jié)論，進一步理解、深化了知識。

【作者單位：天津外國語大學附屬濱海外國語學校 天津】