“用氣球驅(qū)動小車”實驗教學改進

一、原實驗不足之處

《用氣球驅(qū)動小車》一課指向兩個核心問題：是什么力讓物體從靜止變?yōu)檫\動以及物體運動的距離或速度與反沖力的關(guān)系。教材安排了3個探究活動：①感受氣球的噴氣方向和運動方向，指向初步感受反沖力；②組裝利用氣球驅(qū)動的小車，指向利用反沖力驅(qū)動小車；③思考如何讓小車行駛得更遠，指向控制反沖力的大小。從單元角度來看，“運動和力”單元主要是讓學生初步認識和感受重力、反沖力、彈力、摩擦力等幾個簡單的力，利用的器材有小車、墊圈、氣球、橡皮筋、彈簧測力計等，材料豐富實用，有助于解決本單元的核心問題。但課時之間缺乏聯(lián)系，材料與實際生活的聯(lián)系不夠緊密，導致學生難以將所學知識運用于生活中。

1.觀察難——反沖力不可視、方向不可控

探究活動①中，由于氣球太輕，噴氣方向和運動方向時刻在改變，導致學生難以觀察和感受。探究活動②中，氣球的噴氣方向和運動方向都是水平的，導致學生缺少了對水平方向的感受與研究。

2.思維窄——易演變成吹氣球比賽

原實驗過于追求小車行駛的距離，導致實驗轉(zhuǎn)變成看誰能將氣球吹得更大的比賽，而氣球的承受能力有限，增加了實驗危險性。學生多想到通過改變氣球大小來改變小車運動的距離，很難想到其他方法，如更換氣球、噴嘴口等，思維發(fā)散不夠，難以進入深度學習。

3.操作難——氣球大小難控制、無明確衡量標準

氣球大小全靠學生主觀控制，沒有明確的衡量標準，具體操作時還容易漏氣，難以與結(jié)論之間建立因果關(guān)系。這些都導致最終結(jié)論的得出全靠學生的前概念，實驗失去了應(yīng)有的意義。

二、實驗改進

針對以上分析，我們設(shè)計了“返回基地——反沖力實驗裝置”，它由軌道支架、月球車、噴嘴和皮卷尺等構(gòu)成（如圖1）。軌道支架的上部固定一根鐵絲，上面串有氣球固定裝置，氣球與滴管相連并在此穿入，使氣球可以自由地在水平方向上運動。支架兩邊粘貼絲帶，可將氣球噴出的氣可視化。噴嘴有三個：兩個無閥門，但噴嘴口大小不同；一個有閥門，閥門噴嘴的氣球上標記線段AB。

這套器材的改進及其在實際教學中的應(yīng)用，主要為了更好地解決本課的兩個核心問題（如圖2）。

1.化抽象為具象

在具體教學時，首先，我們要用齊、用足、用好現(xiàn)有實驗材料，讓學生在不斷動手探究的過程中解決科學問題，獲得科學知識，提高探究能力。其次，針對現(xiàn)有實驗材料的不足，我們應(yīng)適當改進部分構(gòu)造來優(yōu)化實驗，化抽象為具象。

（1）加滴管——使豎直方向的反沖力變直觀

將1 mL塑料滴管的頂部減掉，用膠帶將其固定在氣球出氣口上。塑料滴管膨大的頂部能與氣球的出氣口較好地吻合，保證密封性，且1 mL塑料滴管的重量合適，既不會太輕使氣球亂飛，也不會太重使氣球飛不起來。這樣的組合能較好地保證氣球的噴氣方向和運動方向。教學時，我們還增加了雙手的體驗。

體驗感受：一名學生把氣球吹大，用拇指堵住噴氣口并將氣球調(diào)整成豎直，另一名學生將一只手放于氣球上方，另一只手放于噴氣口下方，感受噴氣，并抓住氣球。一輪結(jié)束后，更換新的氣球，輪流體驗。

通過體驗感受，學生清晰地感受到氣球的運動跟噴氣時的一種推力有關(guān)。氣球向下噴氣時會向上運動，方向正好相反。

（2）加支架——研究水平方向的反沖力

學生將裝有滴管的氣球安裝在支架上，研究氣球在水平方向的運動，從而更精細、更全面地研究反沖力與噴氣方向的關(guān)系。

直觀現(xiàn)象：一名學生將氣球吹大并用拇指堵住噴氣口，松手后借助絲帶觀察氣球的噴氣方向和氣球的運動方向。交換氣球放置方向后再試一次，記錄結(jié)果。交換氣球放置位置后，再來一次。

通過直觀現(xiàn)象學生發(fā)現(xiàn)，在水平方向上，氣球的運動方向也與噴氣方向相反。這兩次體驗讓學生對反沖力及其方向有了豐富的體驗和直觀的認知，能科學地解釋是反沖力使氣球從靜止到運動的，還能準確地判斷氣球運動的方向，從而順利解決本課第一個核心問題。

總的來說，改進后的實驗具有以下優(yōu)點：從體驗到直觀，再到判斷，現(xiàn)象對學生的視覺沖擊逐漸加強；氣球運動時，兼顧豎直方向與水平方向，注重細節(jié)的考量；增加支架構(gòu)造后，將不可見的反沖力轉(zhuǎn)化為可見的氣球運動，將不可見的噴氣轉(zhuǎn)化為手的觸覺和絲帶的飄動，化抽象為具象。

2.化定式為發(fā)散

教學中，教師應(yīng)提供更多項目式學習、創(chuàng)新發(fā)明制作等活動，激發(fā)學生的好奇心、想象力和探求欲，引導他們參與探究實踐，并在此過程中獲得科學知識、掌握科學方法、解決科學問題，從而促進其思維發(fā)展，化定式為發(fā)散。

（1）改進教材任務(wù)，提升探究意義

教師創(chuàng)設(shè)一個讓月球車返回基站的情境（如圖3），學生就不會再一味地想把氣球吹到最大，而是有計劃地通過改變氣球大小、噴嘴口大小等來改變反沖力大小及其持續(xù)時間。這樣做的危險性更小，趣味性、科學性更強。

（2）創(chuàng)設(shè)遞進項目，促進思維進階

教師設(shè)置遞進性的項目（見表1），在第三層級教師提供多種組合條件，不設(shè)限制，促進學生思維的進階。

教學時，學生首先需要利用反沖力讓月球車運動起來——先組裝月球車，將裝有氣球的噴嘴安裝到月球車上；再吹大氣球，用拇指堵住噴氣口；然后，將月球車放在水平桌面上，觀察月球車是否運動起來；最后，學生控制反沖力的方向，讓月球返回基地。一輪結(jié)束后，重復上述操作，將月球車放到支架起點處，改變噴嘴口朝向，觀察月球車是否能返回基地。這兩個層級的項目是對反沖力及其方向的理解應(yīng)用。

任務(wù)來到第三層級，學生需要控制月球車運動的距離，使其精準到達基地。學生容易想到，可以通過改變氣球和噴嘴口的大小來改變反沖力的大小和持續(xù)時間，最終實現(xiàn)精準到達。但在具體操作時，學生會遇到一些困難，如吹完氣球用拇指去堵住時會漏氣、無法精確調(diào)整氣球的大小等。學生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題并思考解決方法，能激發(fā)他們繼續(xù)學習的內(nèi)在動機，讓他們綜合判斷已有現(xiàn)象和事實，不斷質(zhì)疑、改進、修正，突破定式思維，變?yōu)榘l(fā)散思維。

3.化煩瑣為精簡

“物質(zhì)的運動與相互作用”這一核心概念的抽象程度較高，對學生探究水平的要求也較高，涉及的探究活動數(shù)量也較多。一節(jié)課的探究時間有限，所以，教師要精心設(shè)計實驗材料，減少實驗中過于煩瑣的步驟，避免學生因操作不當?shù)贸鲥e誤結(jié)論。此外，還要明確衡量指標。針對學生在學習時發(fā)現(xiàn)的問題，教師要提出合理的解決方案，提供改進材料，讓他們繼續(xù)探究。

（1）巧妙利用閥門，精簡細化操作

將輸液管中的閥門剪下，加在噴嘴和氣球之間，這樣既能保證氣球吹大后不用手堵住也不漏氣，又能調(diào)節(jié)噴嘴大小，從而研究噴氣多少對反沖力的影響。這樣做還讓氣球運動的方向更穩(wěn)定，使學生的操作更嚴謹、更簡便，大大優(yōu)化了直觀體驗。

（2）線段標記氣球，明確衡量指標

先在氣球兩端標記AB兩點（如圖4），再用打氣筒將氣球吹大，將AB兩點沿皮尺劃線連接，最后將氣球恢復到原樣。在具體操作時，隨著氣球被吹大，線段AB的長度也會變長，起到了標記氣球大小的作用。

具體實驗時，首先打開閥門，將氣球吹大，再關(guān)閉閥門，將整個氣球裝到月球車上，有閥門的一面朝上（以防氣球吹大后接觸地面）。接著，用皮卷尺測量氣球上線段AB的長度并記錄在活動記錄單上（見表2）。然后，將月球車放到軌道支架的起點處，用拇指堵住噴氣口，打開閥門，松開拇指，觀察月球車是否到達基地。最后，根據(jù)實驗結(jié)果不斷修正，直至月球車成功到達基地。

結(jié)合實驗，學生交流。除氣球充氣多少以外，學生還會從閥門打開的大小、氣球本來的大小和伸縮能力等多方面進行分析，發(fā)散思維。至此，本課第二個核心問題也得以解決。

此時，課堂接近尾聲，教師鼓勵學生繼續(xù)探究，將項目延伸到課外，繼續(xù)設(shè)計實驗。在持續(xù)探究中，學生思維不斷發(fā)散，他們得以有機會真正解決生活實際問題。

三、實驗優(yōu)點

1.實驗材料生活化

本次實驗創(chuàng)新改進的材料均來自課堂和生活實際，易取得、成本低、易推廣，便于學生在課后繼續(xù)探究，也便于家長的參與。

2.實驗器材通用化

本套器材還具有通用化的特點，能用到“運動和力”單元的其他課時，如第1課《讓小車運動起來》、第3課《用橡皮筋驅(qū)動小車》、第5課《運動與摩擦力》，以及三年級“物體的運動”單元的部分課時。教師可以“返回基地”為主項目，形成一系列相互關(guān)聯(lián)的項目群，從而將“物質(zhì)的運動與相互作用”這一核心概念所涉及的課時加以融合，實現(xiàn)各學段的有機銜接。

3.學生思維主動化

本套器材可以使實驗操作更簡便，效果更明顯，記錄更方便，有助于提高學生操作的科學性和嚴謹性。項目化的任務(wù)驅(qū)動讓學生從被動接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃铀伎迹ㄟ^設(shè)計實驗和改進完善，提升了他們思維的主動性以及建構(gòu)知識的系統(tǒng)性。

參考文獻

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