“研究紙的吸水性”實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

◇王朝君 王 芳 童 顏 黎怡君 張旭梅 葉 超（通訊作者）（四川樂(lè)山師范學(xué)院）

一、引言

小學(xué)科學(xué)是一門實(shí)踐性課程，2017年國(guó)家頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）倡導(dǎo)探究式學(xué)習(xí)，學(xué)生通過(guò)動(dòng)手動(dòng)腦活動(dòng)，獲得直觀的知識(shí)，并在做的過(guò)程中，掌握科學(xué)方法、發(fā)展科學(xué)精神、樹(shù)立科學(xué)觀念。從《課程標(biāo)準(zhǔn)》的敘述中不難看出，當(dāng)代小學(xué)科學(xué)教師要具有創(chuàng)造性思維，能深入剖析教材實(shí)驗(yàn)的不足之處，充分利用各種資源，在遵循一定原則的基礎(chǔ)上對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)以提高教學(xué)效果。

此外，《課程標(biāo)準(zhǔn)》指出了小學(xué)科學(xué)課程內(nèi)容主要包含物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)、技術(shù)與工程四個(gè)領(lǐng)域。在技術(shù)與工程領(lǐng)域的內(nèi)容中，特別強(qiáng)調(diào)STEM 教育即科學(xué)（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）和數(shù)學(xué)（mathematics），要求實(shí)現(xiàn)學(xué)生的跨界學(xué)習(xí)與整合。基于STEM 教育理念，教師可以與學(xué)生一起探討新穎的想法、鉆研教具的創(chuàng)新。本文中，筆者將在理解《課程標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)上，以“研究紙的吸水性”實(shí)驗(yàn)為例，在STEM 教育理念的背景之下，分析現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的不足之處，并進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新、提出建議。

二、“研究紙的吸水性”實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀分析

（一）教材中“研究紙的吸水性”實(shí)驗(yàn)原型分析

“研究紙的吸水性”實(shí)驗(yàn)選自蘇教版小學(xué)科學(xué)三年級(jí)下冊(cè)四單元“身邊的材料”中的第二課《紙》，教材中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是將不同類型的紙裁好平鋪于桌面上，再用滴管吸取有顏色的水滴在紙上，通過(guò)觀察水跡大小即水在紙上的擴(kuò)散速度，來(lái)判定不同類型的紙的吸水性強(qiáng)弱，擴(kuò)散速度越快的紙吸水性越好，擴(kuò)散速度越慢的紙吸水性就越差。

在該實(shí)驗(yàn)中，為了讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，加入了有色素的水。但仍然存在一些不足之處待改進(jìn)。

1．無(wú)關(guān)變量干擾

在該實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生用滴管吸取含有色素的水，滴在不同材質(zhì)的紙的中央。在這一步驟中，滴等量水的公平性和滴水的同時(shí)性兩個(gè)無(wú)關(guān)變量的影響是無(wú)法控制的，因而會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。

2．實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確

該實(shí)驗(yàn)研究紙的吸水性強(qiáng)弱的方法是通過(guò)肉眼觀察水滴的擴(kuò)散速度，而這種比較方法很容易受主觀因素的影響，不同的學(xué)生對(duì)水滴的擴(kuò)散速度的觀察結(jié)果也有可能不一樣，容易造成學(xué)生之間獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異太大的現(xiàn)象。

3．被測(cè)樣本數(shù)少

該實(shí)驗(yàn)方法只能觀察兩三種材質(zhì)的紙上的水滴擴(kuò)散速度，不能觀察、比較水在多種材質(zhì)的紙上的擴(kuò)散速度，并且在短時(shí)間內(nèi)完成滴水、觀察、做好實(shí)驗(yàn)記錄等操作，對(duì)小學(xué)三年級(jí)的學(xué)生而言本身就具有一定的難度。

（二）“研究紙的吸水性”實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀

根據(jù)文獻(xiàn)及相關(guān)資料的查閱發(fā)現(xiàn)，對(duì)“研究紙的吸水性”這一實(shí)驗(yàn)已經(jīng)有了如下的一些改進(jìn)：

1．實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)

《自制“紙的吸水性”裝置》一文提出將大小相同、材質(zhì)不同的紙條粘在木板一端的同一高度處，然后將木板放在水槽中，紙條落入水中，觀察“水上升”的過(guò)程，最后把每條紙吸收的水?dāng)D在5 ml 的小量筒中，通過(guò)比較水的多少來(lái)判斷紙的吸水性的強(qiáng)弱。該實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生的現(xiàn)象比較明顯，并且形象直觀，在量筒中比較水的多少這一現(xiàn)象也一目了然。然而由于紙條過(guò)輕再加上空氣的作用，將木板放入水槽的過(guò)程中紙條容易飄起來(lái)，從而導(dǎo)致其不能同時(shí)接觸水面；此外，“擠水”的操作也會(huì)隨著學(xué)生使出的勁兒的大小不同而產(chǎn)生不同的結(jié)果。

除了用“擠”的方法比較紙吸水的多少，還可以將材質(zhì)不同、大小相同的紙張同時(shí)放入含有等量水的水杯中，等待一定的時(shí)間后，取出紙張，測(cè)量水杯中的水下降了多少，得出各種紙的吸水性強(qiáng)弱。此方法操作簡(jiǎn)單，但取出紙張時(shí)，紙張上還有未被吸收的水滴，這一部分水不能算作被紙張吸收的水，所以也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。

2．實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)

為了在科學(xué)課堂中引入現(xiàn)代教學(xué)儀器，以Arduino 為核心的自制教具——“看‘水’跑得快”，通過(guò)在Arduino 編碼簡(jiǎn)單函數(shù)并結(jié)合水滴傳感器來(lái)檢測(cè)紙張吸水的情況，能高效、直觀、精準(zhǔn)地判斷不同紙張的吸水快慢。但是在Arduino 中編碼函數(shù)，對(duì)低齡段的學(xué)生來(lái)說(shuō)是具有挑戰(zhàn)性的。其次，像Arduino 這類現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)手段，對(duì)學(xué)校設(shè)施資源和教師要求相對(duì)較高，故不能全面適用于設(shè)施資源相對(duì)缺乏的農(nóng)村小學(xué)和偏遠(yuǎn)地區(qū)小學(xué)。

三、實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

如何保證實(shí)驗(yàn)的等時(shí)性和公平性？如何消除主觀因素，用相同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果？筆者的回答是減少向紙滴水的操作，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)字化，把吸水速度這一抽象的概念轉(zhuǎn)化為學(xué)生可以直接獲得的數(shù)據(jù)。

基于以上分析和教材原有實(shí)驗(yàn)的不足，筆者將實(shí)驗(yàn)裝置做了如下改進(jìn)。

（一）實(shí)驗(yàn)裝置及其改進(jìn)思路

裝置的最外面為一個(gè)水箱，水箱上方左右兩端設(shè)計(jì)兩個(gè)相同尺寸的缺口，為了防止實(shí)驗(yàn)的紙條在放入容器的過(guò)程中受到空氣的作用飄起來(lái)，從而保證所有的紙條能同時(shí)接觸到水箱中的水，特地給紙條設(shè)計(jì)了一個(gè)卡槽，卡槽中有四個(gè)等高等寬的卡位，最上面有對(duì)應(yīng)的四個(gè)小掛桿，可以將四張尺寸相同、材質(zhì)不同的紙條插入不同卡位且固定在掛桿上，紙條插入卡位中可避免大面積與空氣接觸，在每個(gè)卡位邊上都刻有刻度，可直觀讀出最高水跡的高度，較客觀地得出結(jié)果。

該實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)選用亞克力板來(lái)完成。圖1所示亞克力板拼接的水箱的尺寸（單位mm），用于盛水。再用圖2 所示尺寸的亞克力板拼接成紙條的卡槽，卡槽中有四個(gè)卡位可放置各種不同材料的紙條，每個(gè)卡位邊刻有對(duì)應(yīng)的刻度（單位cm），如圖3所示。整個(gè)裝置的組裝效果圖如圖4所示。

圖1 水箱尺寸圖

圖2 卡槽尺寸圖

圖3 卡槽效果圖

圖4 整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置效果圖

（二）實(shí)驗(yàn)裝置的使用方法

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先選擇四種不同材質(zhì)的紙為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，接著將它們裁剪為長(zhǎng)13cm 寬2cm 的紙條，分別固定在四個(gè)掛桿上，插入對(duì)應(yīng)卡位中。然后在水箱中加入深度為2～3cm的水，并慢慢將卡槽準(zhǔn)確地放在水箱的缺口處，保證四張紙條同時(shí)浸入水中且最初深度相同；等待2～3 分鐘，讀出四張紙條水跡最高處的示數(shù)，及時(shí)將數(shù)據(jù)記錄在活動(dòng)記錄單中（表1）。最后通過(guò)分析、比較數(shù)據(jù)，得出不同紙的吸水性的結(jié)論。

表1 “研究紙的吸水性”活動(dòng)記錄單

本實(shí)驗(yàn)中選擇牛皮紙、蠟光紙、皺紋紙、普通A4紙。

（三）注意事項(xiàng)

首先，裁剪紙條時(shí)要用直尺測(cè)量，不能超出卡槽的長(zhǎng)和寬；其次，要先加入水后再放紙條；最后，水箱里加入水后要靜置1 分鐘左右，等水面靜止后再放紙條，以此保證紙條同時(shí)接觸水面且與水接觸的面積相等。

四、改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新性及優(yōu)點(diǎn)

筆者設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置不僅現(xiàn)象明顯，還具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（一）化繁為簡(jiǎn)，避免無(wú)關(guān)變量的影響

等待紙條將水滴徹底吸收的過(guò)程是比較漫長(zhǎng)的，如果將紙條放在水箱中，比較相同的時(shí)間里水跡上升的高度，不僅避免了同時(shí)性這一無(wú)關(guān)因素的影響，而且時(shí)間這一因素就變成了可控的，教師可以根據(jù)教學(xué)進(jìn)度自行把控時(shí)間長(zhǎng)短。

（二）精準(zhǔn)量化，化模糊為具體

在教材實(shí)驗(yàn)中，無(wú)論學(xué)生怎樣把控在紙面上滴水的速度，都不可能保證同時(shí)讓水滴落在紙面上，即使解決了水滴同時(shí)滴落到紙上的問(wèn)題，然而教材中也沒(méi)有給出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)量水跡大小，當(dāng)水跡大小差別不大時(shí)，由學(xué)生的主觀意識(shí)判斷得到的結(jié)果是不可靠的，并且主觀意識(shí)產(chǎn)生的誤差是不可能減小或消除的。而筆者設(shè)計(jì)的教具將比較水跡的大小轉(zhuǎn)化為比較水跡上升的高度，且結(jié)合刻度可直觀讀出上升數(shù)值，避免了學(xué)生在比較時(shí)的主觀性，使模糊的結(jié)果變成具體的、可測(cè)的，提高了結(jié)論的準(zhǔn)確度。

（三）輕松實(shí)現(xiàn)多種紙質(zhì)同時(shí)比較

筆者設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，一次可以比較四種不同材質(zhì)的紙張的吸水性。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，教師可以根據(jù)課堂需求自行決定此裝置尺寸的大小。無(wú)論是比較兩種還是多種紙張的吸水性，此裝置都是進(jìn)行教學(xué)的較好選擇。

（四）發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力

此裝置選用亞克力板，用AB 膠黏合而成，用材相對(duì)簡(jiǎn)單，制作容易，可反復(fù)使用，較好地彌補(bǔ)了教材實(shí)驗(yàn)的不足。在學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)和生活中，經(jīng)常會(huì)接觸到這兩種物質(zhì)，運(yùn)用它們完成教具創(chuàng)新，能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，發(fā)展他們運(yùn)用簡(jiǎn)單的材料來(lái)解決各種問(wèn)題的實(shí)踐能力。

五、改進(jìn)過(guò)程中的思考與建議

怎樣運(yùn)用簡(jiǎn)單的材料完成教具的創(chuàng)新？這是筆者思考的首要問(wèn)題。在很多人的意識(shí)里，教具創(chuàng)新就是要用高大上的材料重新制作一個(gè)器材，使其看上去十分專業(yè)。將簡(jiǎn)單的東西復(fù)雜化，這其實(shí)是一個(gè)誤區(qū)。教師使用的教具一旦超出了學(xué)生的認(rèn)知能力，忽視它本身的實(shí)用性，反而會(huì)給學(xué)生造成一定的困擾，特別是對(duì)于新穎事物有強(qiáng)烈興趣的小學(xué)生來(lái)說(shuō)，他們很可能會(huì)糾結(jié)在教具的某個(gè)點(diǎn)上出不來(lái)。因此，創(chuàng)新教具要考慮使用的對(duì)象，本著簡(jiǎn)單易操作的原則進(jìn)行。其次，創(chuàng)新教具最主要的目的是把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象形象直觀地展示給學(xué)生，在達(dá)到這一目的的基礎(chǔ)上，所用的材料、操作的步驟當(dāng)然越簡(jiǎn)單越好。

在教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、合理性、可操作性、安全性等，是遵循小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到較好教學(xué)效果的重要前提。此外，隨著“雙減”政策的提出，像科學(xué)這樣的學(xué)科必然會(huì)越來(lái)越受到重視，它不僅是一門學(xué)科，更是發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新思維能力和探索精神的有效途徑。想要適應(yīng)這種趨勢(shì)，科學(xué)教師就要不斷累積經(jīng)驗(yàn)、鉆研教材、深入了解學(xué)生，還要結(jié)合自身和學(xué)生，反思教學(xué)效果，尋求新教法、探索新教具，將科學(xué)的態(tài)度展現(xiàn)給學(xué)生。