自制土壤滲水性監測儀創新實驗教學

◇袁甜甜（廣東：深圳市龍華區未來小學）

一、研究背景

當前，在小學科學教學中，廣大教師秉持著面向全體學生的課程理念。筆者在教學實踐中發現，教材中涉及的實驗往往實驗現象比較明顯且差別較大，故往往借助簡單的實驗材料就可以完成，但也有一小部分實驗的成功率不穩定，實驗效果不明顯或有可優化的空間。多數科學創新實驗教具致力于放大實驗現象、精確實驗數據、具象化實驗現象等，以求得出更理想的實驗結論以幫助學生理解和記憶。同時，有一些教具，對于學生和教師來說也具有一定的拔高性和挑戰性。比如一些小學科學教育發展較快的地區，自制教具中也經常出現多種類型傳感器、多通道的數據采集器、自主操縱平臺和函數圖像能力，實現數據同步采集、處理和描述，為科學實驗教學和研究帶來新的理念和創新性的數字化手段。

本課《比較不同的土壤》的自制創新實驗裝置立足于培養學生的推理論證能力、創新思維能力和模型建構能力；著眼于四年級科學態度的學段目標“學生樂于嘗試運用多種材料、多種思路、多樣方法完成科學探究，體會創新樂趣”；基于自制實驗教具的啟發性和直觀性原則進行改進創新。鼓勵和引導學生從不同角度分析和思考問題，綜合多種實驗現象得出結論，從而加深他們對知識的理解，提高學習的效率，并能進一步進行抽象和概括，運用模型分析和解釋現象。

二、教材中原實驗的不足

教科版科學四年級上冊《比較不同的土壤》原實驗中的土壤滲水實驗成功率不高，尤其是黏質土和壤土的實驗結果可能比較接近，區分度不高甚至出現相反的結果，一直是許多科學老師集體教研和改進的焦點之一。原實驗裝置主要存在以下不足。

（一）實驗材料不理想，使用不規范

原實驗使用的三種土壤在介紹的時候往往是趨于理想化的，在實際生活中往往很難尋找三種典型的土壤，網上購買的土壤經筆者多次對比，發現廠家對于同種土壤的認定存在差異，并不完全符合三種土壤的相應要求。如果直接拿來做實驗，實驗的成功是不能保證的，主要是壤土和黏質土的差別不大，甚至出現相反的結果。

原實驗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土土壤后無法馬上吸收下滲，會出現積水的情況。此時會有部分水不經過土壤坡面而是直接被紗布吸收從土壤兩側流出，存在較大的實驗誤差，有時甚至能得到黏質土比壤土滲水性好的相反結論。

原實驗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，因此實驗誤差較大。

（二）實驗操作比較隨意

原實驗未明確要求倒水環節如何操作，學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，進而將較為松軟的土沖刷出印跡，會在一定程度上影響水下滲的速度，使得本就不甚明顯的實驗現象差別更加模糊。

（三）結果觀察角度較為單一

原實驗觀察滲水性的強弱，主要是觀察相同時間內滲出水的量，滲出的水多則滲水性高，反之則差。這是一個非常直接的觀察角度，可以說是慣有的思維方式，然而關于滲水性不僅只有這一個角度，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，使得學生無法觀察其余的兩個方面，思維受到局限，有時會使學生在活動中錯失發現的機會。且實驗過程主要是等待最后結果，缺乏過程性的觀察指標，學生難免覺得無聊。一旦唯一觀察的指標出現小組間不一致的情況，實驗結果的得出就會比較牽強，學生對于知識的掌握也會比較模糊。

三、實驗的創新改進

自制土壤滲水儀的改進主要包括以下四點。其一，配置理想土壤，避免實驗材料的差異及其對實操實驗結果的影響；其二，實操實驗中規范實驗材料的使用和實驗方法，減小實驗誤差；其三，借助傳感器自動搜集和處理數據，精準量化實驗結果；其四，豐富學生的觀察角度，學生可以從更多角度直接觀察實驗現象，為提高實驗成功率打開思路。

（一）實驗儀器和藥品

含有紅色色素的自來水、鐵架臺、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、圖表轉化器（軟件）、濾紙、三種不同的土壤。

（二）實驗裝置的改進

改進后的實驗裝置如圖所示，具體改進如下。

土壤滲水性的區別主要是由于土壤顆粒大小不同所導致。現實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行實驗操作或原理講解。

將紗布改進成只覆蓋土柱的底端，避免水直接經紗布的毛細作用向下運動進而滲出。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。

倒水環節標準化為滴漏裝置，保持出水量、出水速度、出水方向的均勻一致，同時添加了可以調節水流速度的旋轉閥門，避免出水速度過快造成的水溢出或土壤流失。

從結果的觀察上，除了豐富出水環節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、液位傳感器來進行實時數據的準確監測。三種土壤液位數據將根據程序后臺處理、整合成一張折線圖。

（三）實驗探究過程

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。

在打開滴漏開關的同時開啟數據測量和處理按鈕，學生觀察實驗現象。

實驗結束，清洗使用過的儀器，按順序擺好，擦干凈臺面。

（四）實驗現象

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

2 分鐘計時結束后，沙質土表面沒有積水，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。

讀取折線圖數據，沙質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、峰值最低的是黏質土。

四、創新實驗的優點

（一）注重實驗細節，關注實驗主體

容器內的土壤與水充分接觸，使得在滲水性這樣一個側重水向下傳遞的實驗中充分體現實驗主體，讓不同的土壤間的差異得到更明顯的呈現，放大了實驗現象，提高了實驗成功率。同時，規范實驗操作可以讓學生更加充分地理解對比實驗的試驗方法，即一次只改變一個條件的科學思考方法。

（二）多維思考，解決問題

原實驗僅從一種角度觀察實驗現象，改進后的實驗豐富為至少從三種角度觀察結果，這也是對學生思維方式的培養。小學生的思維發展比較慢，需要日積月累的培養，是我們培養學生科學素養的重要一環，但在日常教學中，這樣的訓練，往往較為欠缺。

（三）創建理想模型，牢固知識掌握

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展學生的抽象思維能力，幫助學生更直觀地了解不同土壤滲水性的區別和原因，加深學習印象，鍛煉學生模型建構能力。

五、教學效果

（一）改造實驗裝置，精確實驗操作

本實驗的三個實驗，在教材中的實施較為簡潔，但在實際操作中由于土壤等各方面的原因，尤其是滲水性實驗中壤土和黏質土差異不大。通過精細化實驗條件，確保無關變量對實驗無干擾性，同時借助現代科技手段，將較為細微的差異放大并得到直觀體現，學生在實驗中收獲正向反饋，同時潤物無聲地告訴學生，我們站在巨人的肩膀上，才能看得更遠，樹立對科學探索的向往和信心。

（二）增加觀測指標，轉換思考維度

“條條大路通羅馬”，這句學生在生活中十分熟悉的話語，同樣適用于科學探索。在滲水實驗中，我們通過流出來的水、留下來的水和水是怎樣下來三個角度來豐富學生對于土壤滲水性的判斷，加強學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

本實驗教學，以前幾課學習的知識為背景的理想模型，既是對舊知識進行整理和串聯，化原本零散的知識點為完整的知識框架，又通過具體實驗和理想模型相結合的方法，以實踐為基礎，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，幫助學生進入更深層的思考，更概括、更深刻地理解實驗現象產生的原因和本質。