自制土壤滲水性監(jiān)測(cè)儀創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)

◇袁甜甜（廣東：深圳市龍華區(qū)未來小學(xué)）

一、研究背景

當(dāng)前，在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，廣大教師秉持著面向全體學(xué)生的課程理念。筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，教材中涉及的實(shí)驗(yàn)往往實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較明顯且差別較大，故往往借助簡單的實(shí)驗(yàn)材料就可以完成，但也有一小部分實(shí)驗(yàn)的成功率不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)效果不明顯或有可優(yōu)化的空間。多數(shù)科學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具致力于放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、精確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、具象化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等，以求得出更理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)論以幫助學(xué)生理解和記憶。同時(shí)，有一些教具，對(duì)于學(xué)生和教師來說也具有一定的拔高性和挑戰(zhàn)性。比如一些小學(xué)科學(xué)教育發(fā)展較快的地區(qū)，自制教具中也經(jīng)常出現(xiàn)多種類型傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、自主操縱平臺(tái)和函數(shù)圖像能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集、處理和描述，為科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究帶來新的理念和創(chuàng)新性的數(shù)字化手段。

本課《比較不同的土壤》的自制創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置立足于培養(yǎng)學(xué)生的推理論證能力、創(chuàng)新思維能力和模型建構(gòu)能力；著眼于四年級(jí)科學(xué)態(tài)度的學(xué)段目標(biāo)“學(xué)生樂于嘗試運(yùn)用多種材料、多種思路、多樣方法完成科學(xué)探究，體會(huì)創(chuàng)新樂趣”；基于自制實(shí)驗(yàn)教具的啟發(fā)性和直觀性原則進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生從不同角度分析和思考問題，綜合多種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論，從而加深他們對(duì)知識(shí)的理解，提高學(xué)習(xí)的效率，并能進(jìn)一步進(jìn)行抽象和概括，運(yùn)用模型分析和解釋現(xiàn)象。

二、教材中原實(shí)驗(yàn)的不足

教科版科學(xué)四年級(jí)上冊(cè)《比較不同的土壤》原實(shí)驗(yàn)中的土壤滲水實(shí)驗(yàn)成功率不高，尤其是黏質(zhì)土和壤土的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能比較接近，區(qū)分度不高甚至出現(xiàn)相反的結(jié)果，一直是許多科學(xué)老師集體教研和改進(jìn)的焦點(diǎn)之一。原實(shí)驗(yàn)裝置主要存在以下不足。

（一）實(shí)驗(yàn)材料不理想，使用不規(guī)范

原實(shí)驗(yàn)使用的三種土壤在介紹的時(shí)候往往是趨于理想化的，在實(shí)際生活中往往很難尋找三種典型的土壤，網(wǎng)上購買的土壤經(jīng)筆者多次對(duì)比，發(fā)現(xiàn)廠家對(duì)于同種土壤的認(rèn)定存在差異，并不完全符合三種土壤的相應(yīng)要求。如果直接拿來做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的成功是不能保證的，主要是壤土和黏質(zhì)土的差別不大，甚至出現(xiàn)相反的結(jié)果。

原實(shí)驗(yàn)材料使用的是紗布包裹，除表層倒水處全部被紗布覆蓋，水倒入含黏粒較多的黏質(zhì)土土壤后無法馬上吸收下滲，會(huì)出現(xiàn)積水的情況。此時(shí)會(huì)有部分水不經(jīng)過土壤坡面而是直接被紗布吸收從土壤兩側(cè)流出，存在較大的實(shí)驗(yàn)誤差，有時(shí)甚至能得到黏質(zhì)土比壤土滲水性好的相反結(jié)論。

原實(shí)驗(yàn)的裝土容器是漏斗狀或是立方體狀，其土壤厚度較淺，水流過土壤的時(shí)間較短，但土壤橫截面較大，往往只有中間部分的土壤與水充分接觸，旁邊土壤接觸較少，因此實(shí)驗(yàn)誤差較大。

（二）實(shí)驗(yàn)操作比較隨意

原實(shí)驗(yàn)未明確要求倒水環(huán)節(jié)如何操作，學(xué)生直接倒水可能因倒水高度不一致、倒水速度也不一致而影響水流速度，進(jìn)而將較為松軟的土沖刷出印跡，會(huì)在一定程度上影響水下滲的速度，使得本就不甚明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象差別更加模糊。

（三）結(jié)果觀察角度較為單一

原實(shí)驗(yàn)觀察滲水性的強(qiáng)弱，主要是觀察相同時(shí)間內(nèi)滲出水的量，滲出的水多則滲水性高，反之則差。這是一個(gè)非常直接的觀察角度，可以說是慣有的思維方式，然而關(guān)于滲水性不僅只有這一個(gè)角度，可觀察的角度還有留在土壤中的水和積留在土壤表面的水等。由于不透明紗布的充分包裹，使得學(xué)生無法觀察其余的兩個(gè)方面，思維受到局限，有時(shí)會(huì)使學(xué)生在活動(dòng)中錯(cuò)失發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。且實(shí)驗(yàn)過程主要是等待最后結(jié)果，缺乏過程性的觀察指標(biāo)，學(xué)生難免覺得無聊。一旦唯一觀察的指標(biāo)出現(xiàn)小組間不一致的情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的得出就會(huì)比較牽強(qiáng)，學(xué)生對(duì)于知識(shí)的掌握也會(huì)比較模糊。

三、實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新改進(jìn)

自制土壤滲水儀的改進(jìn)主要包括以下四點(diǎn)。其一，配置理想土壤，避免實(shí)驗(yàn)材料的差異及其對(duì)實(shí)操實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；其二，實(shí)操實(shí)驗(yàn)中規(guī)范實(shí)驗(yàn)材料的使用和實(shí)驗(yàn)方法，減小實(shí)驗(yàn)誤差；其三，借助傳感器自動(dòng)搜集和處理數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)量化實(shí)驗(yàn)結(jié)果；其四，豐富學(xué)生的觀察角度，學(xué)生可以從更多角度直接觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為提高實(shí)驗(yàn)成功率打開思路。

（一）實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

含有紅色色素的自來水、鐵架臺(tái)、滴漏、直徑為5cm 深度為6cm 的透明容器（底部有格柵）、小燒杯、濕度傳感器、液位傳感器、圖表轉(zhuǎn)化器（軟件）、濾紙、三種不同的土壤。

（二）實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，具體改進(jìn)如下。

土壤滲水性的區(qū)別主要是由于土壤顆粒大小不同所導(dǎo)致?，F(xiàn)實(shí)中理想土壤的尋找是不容易的，因此增加了不同大小的泡沫塑料球來模擬三種不同的土壤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作或原理講解。

將紗布改進(jìn)成只覆蓋土柱的底端，避免水直接經(jīng)紗布的毛細(xì)作用向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)而滲出。在圓筒底部放置格柵，防止因土壤自重過大超出濾紙承重能力造成破損或掉落。

倒水環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)化為滴漏裝置，保持出水量、出水速度、出水方向的均勻一致，同時(shí)添加了可以調(diào)節(jié)水流速度的旋轉(zhuǎn)閥門，避免出水速度過快造成的水溢出或土壤流失。

從結(jié)果的觀察上，除了豐富出水環(huán)節(jié)如出水速度和出水量之外，我們將普通的自來水替換成含有紅色色素的自來水，增加了水在土柱中的下行速度和土壤濕度等角度來觀察水的下滲速度以及留在土壤中的水量。

借助兩種傳感器，即濕度傳感器、液位傳感器來進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。三種土壤液位數(shù)據(jù)將根據(jù)程序后臺(tái)處理、整合成一張折線圖。

（三）實(shí)驗(yàn)探究過程

將濾紙墊在裝土容器的底部，分別裝入三種3cm高的土壤樣品。

取三個(gè)滴漏分別裝入50ml的紅色色素水。

分別將裝土容器、滴漏、含液位傳感器的燒杯固定在鐵架臺(tái)上。

連接好傳感器的線路，將濕度傳感器插入土壤樣本中。

在打開滴漏開關(guān)的同時(shí)開啟數(shù)據(jù)測(cè)量和處理按鈕，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束，清洗使用過的儀器，按順序擺好，擦干凈臺(tái)面。

（四）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

三種土壤加水后，水在土柱中下行速度最快的是沙質(zhì)土，其次是壤土，最慢的是黏質(zhì)土。

2 分鐘計(jì)時(shí)結(jié)束后，沙質(zhì)土表面沒有積水，土壤濕度最小，燒杯中有大量滲下來的水；壤土有少量積水，土壤濕度其次，燒杯中有一定量滲下來的水；黏質(zhì)土的積水最多，土壤濕度最大，燒杯中滲下來的水最少。

讀取折線圖數(shù)據(jù)，沙質(zhì)土的滲水速度和滲水量最快最多，其次是壤土，折線坡度最緩、峰值最低的是黏質(zhì)土。

四、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（一）注重實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，關(guān)注實(shí)驗(yàn)主體

容器內(nèi)的土壤與水充分接觸，使得在滲水性這樣一個(gè)側(cè)重水向下傳遞的實(shí)驗(yàn)中充分體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)主體，讓不同的土壤間的差異得到更明顯的呈現(xiàn)，放大了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提高了實(shí)驗(yàn)成功率。同時(shí)，規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作可以讓學(xué)生更加充分地理解對(duì)比實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)方法，即一次只改變一個(gè)條件的科學(xué)思考方法。

（二）多維思考，解決問題

原實(shí)驗(yàn)僅從一種角度觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)豐富為至少從三種角度觀察結(jié)果，這也是對(duì)學(xué)生思維方式的培養(yǎng)。小學(xué)生的思維發(fā)展比較慢，需要日積月累的培養(yǎng)，是我們培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要一環(huán)，但在日常教學(xué)中，這樣的訓(xùn)練，往往較為欠缺。

（三）創(chuàng)建理想模型，牢固知識(shí)掌握

土壤滲水性不同的原因主要是土壤顆粒組成比例的差異，增加的土壤模型既具象，又可以在一定程度上發(fā)展學(xué)生的抽象思維能力，幫助學(xué)生更直觀地了解不同土壤滲水性的區(qū)別和原因，加深學(xué)習(xí)印象，鍛煉學(xué)生模型建構(gòu)能力。

五、教學(xué)效果

（一）改造實(shí)驗(yàn)裝置，精確實(shí)驗(yàn)操作

本實(shí)驗(yàn)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)，在教材中的實(shí)施較為簡潔，但在實(shí)際操作中由于土壤等各方面的原因，尤其是滲水性實(shí)驗(yàn)中壤土和黏質(zhì)土差異不大。通過精細(xì)化實(shí)驗(yàn)條件，確保無關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)無干擾性，同時(shí)借助現(xiàn)代科技手段，將較為細(xì)微的差異放大并得到直觀體現(xiàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中收獲正向反饋，同時(shí)潤物無聲地告訴學(xué)生，我們站在巨人的肩膀上，才能看得更遠(yuǎn)，樹立對(duì)科學(xué)探索的向往和信心。

（二）增加觀測(cè)指標(biāo)，轉(zhuǎn)換思考維度

“條條大路通羅馬”，這句學(xué)生在生活中十分熟悉的話語，同樣適用于科學(xué)探索。在滲水實(shí)驗(yàn)中，我們通過流出來的水、留下來的水和水是怎樣下來三個(gè)角度來豐富學(xué)生對(duì)于土壤滲水性的判斷，加強(qiáng)學(xué)生通過不同渠道搜集和處理信息的能力，更加立體、多維地思考問題。

（三）借助理想模型，深入思考本質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以前幾課學(xué)習(xí)的知識(shí)為背景的理想模型，既是對(duì)舊知識(shí)進(jìn)行整理和串聯(lián)，化原本零散的知識(shí)點(diǎn)為完整的知識(shí)框架，又通過具體實(shí)驗(yàn)和理想模型相結(jié)合的方法，以實(shí)踐為基礎(chǔ)，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，幫助學(xué)生進(jìn)入更深層的思考，更概括、更深刻地理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和本質(zhì)。