改進“擺長設計”實驗設計

◇高海鵬（山東：肥城市汶陽鎮中心小學）

小學科學實驗教學中經常有一些開放性的探究內容，但是由于學生自主探究能力不強，缺乏必要的科學素養，很容易導致實驗失敗。在教學“擺長設計”這個實驗時，我改進了實驗設計，通過搭建“腳手架”給學生提供必要的引導和支撐，讓學生更加順利地進行探究，提高課堂教學效率。

一、問題的產生

蘇教版小學科學四年級下冊第三單元第五課《擺》一課，在探究了“擺的快慢與什么因素有關”之后，教材給出了一個擺長設計實驗：全班分為10組，每個小組設計一個擺，使擺在15 秒內分別擺動7，8，9……16 次，然后把各小組的擺按順序掛在黑板上，最后觀察會呈現出什么樣的圖形。

這個活動看似簡單，但真正到了課堂上我才發現，學生花費了整整一節課的時間也沒有設計出合格的擺長，實驗最終失敗了。課后分析原因，我認為學生在探究“擺的快慢與什么因素有關”活動中雖然已經認識到了“擺的快慢與擺長有關，擺線越長，擺動越慢；擺線越短，擺動越快”，但具體到多長的擺線可以使擺在15 秒內擺動多少次，學生是沒有概念的。在這種情況下盲目去試，不僅不會得出滿意的結果，而且長時間的失敗，也大大挫傷學生動手制作的積極性。

二、利用“腳手架”降低實驗難度

我決定對擺長設計實驗進行改進。鑒于學生對于擺長與擺動次數只具有初步的感性認識，我決定先給學生搭建一個“腳手架”，提供一些具體的數據參考，讓學生建立起具體的數值概念。

我首先選擇了5 個有代表性的數值：每15秒擺動6，9，12，15，18次，先制作出這5 個擺給學生進行參考。為了減少嘗試次數，節約備課時間，我采用了先理論計算、再實際制作的方法。

根據單擺的周期公式：

可得擺長計算方法：

據此可以計算出這5 個擺的理論擺長值分別為155cm，69cm，39cm，25cm、17cm（精確到1cm）。即當擺長為155cm時，擺在15 秒內的擺動次數約為6 次；當擺長為69cm 時，擺在15 秒內的擺動次數約為9 次；當擺長為39cm 時，擺在15秒內的擺動次數約為12 次；當擺長為25cm 時，擺在15 秒內的擺動次數約為15 次；當擺長為17cm 時，擺在15 秒內的擺動次數約為18次。如下表所示：

6 15秒內擺動次數理論擺長（cm）9 69 155 12 39 15 25 18 17

根據計算結果制作出這5 個擺后，逐一測試并微調擺長。上課時，將這些擺分給學生，以小組為單位，測量出這5 個擺的擺線長度和15秒內的擺動次數。這里我沒有一上來就讓學生動手設計擺，而是只進行了簡單的測量活動，這是因為只有經過了量擺長、測次數這個過程，學生才能開始理解擺長與次數的關系，并建立起初步的數值概念，最終獲得一個可以參考的“腳手架”，為下一步正式開始設計擺做好準備。

接下來，我把這5 個擺掛在黑板上，讓學生觀察擺線的變化規律，進一步理解“擺的快慢與擺長有關，擺線越長，擺動越慢；擺線越短，擺動越快”。然后讓學生根據測量出來的數據猜測一下黑板上缺失的其他8 個擺，即每15 秒擺動7，8，10，11，13，14，16，17 次的擺，它們擺長可能會是多少厘米。

由于剛剛經歷了一個測量的過程，擺長和次數已經有了明確的數值參考，學生很容易就能推算出：每15 秒擺動7次的擺，擺長介于155cm 和69cm 之間，更接近155cm，可能有120cm 左右；每15 秒擺動8 次的擺，擺長也介于155cm和69cm 之間，但是更接近于69cm，可能有90cm 左右。其余幾個擺，同樣很容易推算出大概的擺長。

接下來，就是驗證猜測的過程。把制作這8 個擺分成4組，臨近的兩個為一組，比如每15 秒擺動7 次和8 次的為一組，每15 秒擺動10 次和11 次的為一組，每個學習小組選擇一組擺進行驗證制作。

比如某個小組選擇了每15 秒擺動7次和8 次的擺，先驗證制作每15 秒擺動7次的擺，就先制作一個擺線長度為120cm 的擺，然后用秒表測試15 秒內的擺動次數，如果發現15 秒內擺動次數多于7 次，就說明擺得快了，也就說明擺線短了，要適當增加擺長；如果測試發現15秒內擺動次數少于7 次，則說明擺得慢了，也就說明擺線長了，要適當縮短擺長。這樣，經過幾次微調，就可以得出一個比較準確的數值。用同樣的方法，可以制作出每15秒擺動8次的擺。

為了培養學生的誤差意識，我采取了多組制作一個擺的方式。需要制作的擺只有4組，而學生的小組數則多得多，這樣每組擺都至少有兩個小組進行驗證制作，多個小組之間可以互相印證、對比，從而得到一個比較精確的結果。

學生制作完成后，把學生設計的擺按順序掛在黑板上的缺失處，讓學生觀察呈現出了什么圖形。學生很容易就可以觀察出：擺線越長，擺動越慢；擺線越短，擺動越快。而且隨著擺動次數的增加，擺長會變得越來越短，但變化是不均勻的。每15秒擺6次和擺8次的兩個擺，擺長相差很大，但是擺17 次和擺18 次的兩個擺，擺長就相差很小，總體來看，相鄰兩個擺的擺長差距是越來越小的。把所有擺錘用線連接起來后，在黑板上就形成了擺長計算公式的函數曲線，雖然學生現在學不到這么高深的知識，但是可以借此初步領略到數學之美。

三、經驗和教訓

擺長設計實驗屬于開放性的設計任務，對學生的要求很高，難以當堂完成。而修改之后的擺長設計實驗，先讓學生通過測量活動，得出明確的數值，獲得了一個可以倚靠的“腳手架”，然后以此為參考，先估計擺長，再進行實際的驗證，最終制作出比較精確的擺。實驗經過這樣的修改之后，層層遞進，化解困難，將開放式的高難度設計問題，轉變成了低難度的驗證制作，對學生的要求低了許多。這大大減少了學生盲目嘗試的次數，保護了學生動手制作的積極性，讓學生真正完成了知識的內化，又體驗了動手的樂趣，提高了課堂效率。作為小學科學教師，在實驗教學中，我們不應拘泥于教材，要根據學情，為學生搭好“腳手架”，靈活調整教學設計，這樣才能獲得更好的教學效果。