改進(jìn)“擺長(zhǎng)設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

高海鵬

小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)常有一些開放性的探究?jī)?nèi)容，但是由于學(xué)生自主探究能力不強(qiáng)，缺乏必要的科學(xué)素養(yǎng)，很容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。在教學(xué)“擺長(zhǎng)設(shè)計(jì)”這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，我改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過搭建“腳手架”給學(xué)生提供必要的引導(dǎo)和支撐，讓學(xué)生更加順利地進(jìn)行探究，提高課堂教學(xué)效率。

一、問題的產(chǎn)生

蘇教版小學(xué)科學(xué)四年級(jí)下冊(cè)第三單元第五課《擺》一課，在探究了“擺的快慢與什么因素有關(guān)”之后，教材給出了一個(gè)擺長(zhǎng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：全班分為10組，每個(gè)小組設(shè)計(jì)一個(gè)擺，使擺在15秒內(nèi)分別擺動(dòng)7，8，9……16次，然后把各小組的擺按順序掛在黑板上，最后觀察會(huì)呈現(xiàn)出什么樣的圖形。

這個(gè)活動(dòng)看似簡(jiǎn)單，但真正到了課堂上我才發(fā)現(xiàn)，學(xué)生花費(fèi)了整整一節(jié)課的時(shí)間也沒有設(shè)計(jì)出合格的擺長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)最終失敗了。課后分析原因，我認(rèn)為學(xué)生在探究“擺的快慢與什么因素有關(guān)”活動(dòng)中雖然已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了“擺的快慢與擺長(zhǎng)有關(guān)，擺線越長(zhǎng)，擺動(dòng)越慢;擺線越短，擺動(dòng)越快”，但具體到多長(zhǎng)的擺線可以使擺在15秒內(nèi)擺動(dòng)多少次，學(xué)生是沒有概念的。在這種情況下盲目去試，不僅不會(huì)得出滿意的結(jié)果，而且長(zhǎng)時(shí)間的失敗，也大大挫傷學(xué)生動(dòng)手制作的積極性。

二、利用“腳手架”降低實(shí)驗(yàn)難度

我決定對(duì)擺長(zhǎng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。鑒于學(xué)生對(duì)于擺長(zhǎng)與擺動(dòng)次數(shù)只具有初步的感性認(rèn)識(shí)，我決定先給學(xué)生搭建一個(gè)“腳手架”，提供一些具體的數(shù)據(jù)參考，讓學(xué)生建立起具體的數(shù)值概念。

我首先選擇了5個(gè)有代表性的數(shù)值：每15秒擺動(dòng)6，9，12，15，18次，先制作出這5個(gè)擺給學(xué)生進(jìn)行參考。為了減少嘗試次數(shù)，節(jié)約備課時(shí)間，我采用了先理論計(jì)算、再實(shí)際制作的方法。

根據(jù)單擺的周期公式：

可得擺長(zhǎng)計(jì)算方法：

據(jù)此可以計(jì)算出這5個(gè)擺的理論擺長(zhǎng)值分別為155cm，69cm，39cm，25cm、17cm（精確到1cm）。即當(dāng)擺長(zhǎng)為155cm時(shí)，擺在15秒內(nèi)的擺動(dòng)次數(shù)約為6次;當(dāng)擺長(zhǎng)為69cm時(shí)，擺在15秒內(nèi)的擺動(dòng)次數(shù)約為9次;當(dāng)擺長(zhǎng)為39cm時(shí)，擺在15秒內(nèi)的擺動(dòng)次數(shù)約為12次;當(dāng)擺長(zhǎng)為25cm時(shí)，擺在15秒內(nèi)的擺動(dòng)次數(shù)約為15次;當(dāng)擺長(zhǎng)為17cm時(shí)，擺在15秒內(nèi)的擺動(dòng)次數(shù)約為18次。如下表所示：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果制作出這5個(gè)擺后，逐一測(cè)試并微調(diào)擺長(zhǎng)。上課時(shí)，將這些擺分給學(xué)生，以小組為單位，測(cè)量出這5個(gè)擺的擺線長(zhǎng)度和15秒內(nèi)的擺動(dòng)次數(shù)。這里我沒有一上來就讓學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)擺，而是只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的測(cè)量活動(dòng)，這是因?yàn)橹挥薪?jīng)過了量擺長(zhǎng)、測(cè)次數(shù)這個(gè)過程，學(xué)生才能開始理解擺長(zhǎng)與次數(shù)的關(guān)系，并建立起初步的數(shù)值概念，最終獲得一個(gè)可以參考的“腳手架”，為下一步正式開始設(shè)計(jì)擺做好準(zhǔn)備。

接下來，我把這5個(gè)擺掛在黑板上，讓學(xué)生觀察擺線的變化規(guī)律，進(jìn)一步理解“擺的快慢與擺長(zhǎng)有關(guān)，擺線越長(zhǎng)，擺動(dòng)越慢;擺線越短，擺動(dòng)越快”。然后讓學(xué)生根據(jù)測(cè)量出來的數(shù)據(jù)猜測(cè)一下黑板上缺失的其他8個(gè)擺，即每15秒擺動(dòng)7，8，10，11，13，14，16，17次的擺，它們擺長(zhǎng)可能會(huì)是多少厘米。

由于剛剛經(jīng)歷了一個(gè)測(cè)量的過程，擺長(zhǎng)和次數(shù)已經(jīng)有了明確的數(shù)值參考，學(xué)生很容易就能推算出：每15秒擺動(dòng)7次的擺，擺長(zhǎng)介于155cm和69cm之間，更接近155cm，可能有120cm左右;每15秒擺動(dòng)8次的擺，擺長(zhǎng)也介于155cm和69cm之間，但是更接近于69cm，可能有90cm左右。其余幾個(gè)擺，同樣很容易推算出大概的擺長(zhǎng)。

接下來，就是驗(yàn)證猜測(cè)的過程。把制作這8個(gè)擺分成4組，臨近的兩個(gè)為一組，比如每15秒擺動(dòng)7次和8次的為一組，每15秒擺動(dòng)10次和11次的為一組，每個(gè)學(xué)習(xí)小組選擇一組擺進(jìn)行驗(yàn)證制作。

比如某個(gè)小組選擇了每15秒擺動(dòng)7次和8次的擺，先驗(yàn)證制作每15秒擺動(dòng)7次的擺，就先制作一個(gè)擺線長(zhǎng)度為120cm的擺，然后用秒表測(cè)試15秒內(nèi)的擺動(dòng)次數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)15秒內(nèi)擺動(dòng)次數(shù)多于7次，就說明擺得快了，也就說明擺線短了，要適當(dāng)增加擺長(zhǎng);如果測(cè)試發(fā)現(xiàn)15秒內(nèi)擺動(dòng)次數(shù)少于7次，則說明擺得慢了，也就說明擺線長(zhǎng)了，要適當(dāng)縮短擺長(zhǎng)。這樣，經(jīng)過幾次微調(diào)，就可以得出一個(gè)比較準(zhǔn)確的數(shù)值。用同樣的方法，可以制作出每15秒擺動(dòng)8次的擺。

為了培養(yǎng)學(xué)生的誤差意識(shí)，我采取了多組制作一個(gè)擺的方式。需要制作的擺只有4組，而學(xué)生的小組數(shù)則多得多，這樣每組擺都至少有兩個(gè)小組進(jìn)行驗(yàn)證制作，多個(gè)小組之間可以互相印證、對(duì)比，從而得到一個(gè)比較精確的結(jié)果。

學(xué)生制作完成后，把學(xué)生設(shè)計(jì)的擺按順序掛在黑板上的缺失處，讓學(xué)生觀察呈現(xiàn)出了什么圖形。學(xué)生很容易就可以觀察出：擺線越長(zhǎng)，擺動(dòng)越慢;擺線越短，擺動(dòng)越快。而且隨著擺動(dòng)次數(shù)的增加，擺長(zhǎng)會(huì)變得越來越短，但變化是不均勻的。每15秒擺6次和擺8次的兩個(gè)擺，擺長(zhǎng)相差很大，但是擺17次和擺18次的兩個(gè)擺，擺長(zhǎng)就相差很小，總體來看，相鄰兩個(gè)擺的擺長(zhǎng)差距是越來越小的。把所有擺錘用線連接起來后，在黑板上就形成了擺長(zhǎng)計(jì)算公式的函數(shù)曲線，雖然學(xué)生現(xiàn)在學(xué)不到這么高深的知識(shí)，但是可以借此初步領(lǐng)略到數(shù)學(xué)之美。

三、經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)

擺長(zhǎng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)屬于開放性的設(shè)計(jì)任務(wù)，對(duì)學(xué)生的要求很高，難以當(dāng)堂完成。而修改之后的擺長(zhǎng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，先讓學(xué)生通過測(cè)量活動(dòng)，得出明確的數(shù)值，獲得了一個(gè)可以倚靠的“腳手架”，然后以此為參考，先估計(jì)擺長(zhǎng)，再進(jìn)行實(shí)際的驗(yàn)證，最終制作出比較精確的擺。實(shí)驗(yàn)經(jīng)過這樣的修改之后，層層遞進(jìn)，化解困難，將開放式的高難度設(shè)計(jì)問題，轉(zhuǎn)變成了低難度的驗(yàn)證制作，對(duì)學(xué)生的要求低了許多。這大大減少了學(xué)生盲目嘗試的次數(shù)，保護(hù)了學(xué)生動(dòng)手制作的積極性，讓學(xué)生真正完成了知識(shí)的內(nèi)化，又體驗(yàn)了動(dòng)手的樂趣，提高了課堂效率。作為小學(xué)科學(xué)教師，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們不應(yīng)拘泥于教材，要根據(jù)學(xué)情，為學(xué)生搭好“腳手架”，靈活調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)，這樣才能獲得更好的教學(xué)效果。