著眼三個(gè)“能力”改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

〔摘" "要〕" 本文依據(jù)科學(xué)思維的內(nèi)涵及其主要特征，提出了“實(shí)驗(yàn)材料多樣化，培養(yǎng)發(fā)散思維能力”“實(shí)驗(yàn)方案多元化，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力”“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化，培養(yǎng)邏輯思維能力”三個(gè)指向科學(xué)思維的小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)策略。著眼三個(gè)“能力”，對(duì)教科版小學(xué)科學(xué)三年級(jí)下冊(cè)《影子的秘密》課實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)行了改進(jìn)。與原課題對(duì)比，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)不僅保留了該課的知識(shí)基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)原理，而且實(shí)驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)，有效地發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維能力。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué)；思維能力；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

〔中圖分類(lèi)號(hào)〕" G424" " " " " " " " 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕" A" " " " "〔文章編號(hào)〕" 1674-6317" " （2025）" 09" " 079-081

為深入學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想，落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)，促進(jìn)育人方式改革，引導(dǎo)廣大中小學(xué)校聚焦新課程、新教改目標(biāo)要求，提升科學(xué)教育質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、探究實(shí)踐能力、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任感，近年來(lái)，科學(xué)教育越來(lái)越強(qiáng)調(diào)思維型探究。即在探究實(shí)踐中，教師要充分激活學(xué)生的思維，讓學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲望，主動(dòng)參與到思維活動(dòng)中，樂(lè)于思考，學(xué)會(huì)分析數(shù)據(jù)、解釋現(xiàn)象并得出結(jié)論。《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，科學(xué)思維是從科學(xué)的視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，主要包括模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維等，具有深刻性、靈活性、批判性、獨(dú)創(chuàng)性和敏捷性等特征。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生思維能力的重要載體，從實(shí)驗(yàn)材料的選擇、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，每一個(gè)步驟都基于學(xué)生的思維情況進(jìn)行。然而，在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，很多教師對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的建構(gòu)和實(shí)驗(yàn)材料的處理不夠到位，導(dǎo)致學(xué)生的思維停留在表層。因此，本文基于科學(xué)思維提出了改進(jìn)小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的策略，并以《影子的秘密》一課為例，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材，旨在通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教具、完善實(shí)驗(yàn)方案，有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

一、指向科學(xué)思維的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)策略

（一）實(shí)驗(yàn)材料多樣化，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維能力

發(fā)散性思維又被稱(chēng)為擴(kuò)散性思維或求異性思維，是指站在多個(gè)維度、多個(gè)領(lǐng)域分析同一個(gè)問(wèn)題的思維方式。實(shí)驗(yàn)材料多樣化是要基于學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)，選擇具有代表性、多樣性和趣味性的材料。同時(shí)，也可以以生活中的事物為原型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將其遷移應(yīng)用到科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。學(xué)生在參與選擇不同種類(lèi)實(shí)驗(yàn)材料的過(guò)程中，不僅能培養(yǎng)觀察能力，還能不局限于教材，突破定勢(shì)。

（二）實(shí)驗(yàn)方案多元化，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力

創(chuàng)造性思維是在科學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)、科學(xué)問(wèn)題解決和科學(xué)創(chuàng)造活動(dòng)中，根據(jù)一定的目的，運(yùn)用一切已知信息，在新穎、獨(dú)特且有價(jià)值地產(chǎn)生某種產(chǎn)品的過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的智能品質(zhì)或能力。實(shí)驗(yàn)方案的多元化是在不偏離原實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生從多角度探究實(shí)驗(yàn)，參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和問(wèn)題解決的過(guò)程。學(xué)生在從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)不足，到根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程中，不僅體驗(yàn)了從批判、發(fā)散到集中的思維過(guò)程，還經(jīng)歷了一個(gè)完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程，培養(yǎng)了創(chuàng)造性思維能力以及模型建構(gòu)能力。

（三）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力

邏輯思維能力指的是對(duì)事物進(jìn)行觀察、比較、分析、綜合、抽象、判斷、推理的能力。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化是在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，使用顏色鮮明、形狀清晰的實(shí)驗(yàn)材料，以便學(xué)生更清楚地觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象。顯著直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不僅提高了實(shí)驗(yàn)的可視性，而且能讓學(xué)生更好地分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，理解實(shí)驗(yàn)原理，發(fā)展邏輯思維能力。

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例

（一）提出問(wèn)題

在教科版小學(xué)科學(xué)三年級(jí)下冊(cè)《影子的秘密》的學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過(guò)自己持手電筒改變照射物體的方向、改變手電筒與物體之間的距離發(fā)現(xiàn)了影子的變化。但是該實(shí)驗(yàn)存在較多不確定因素：手電筒測(cè)量角度和距離不精確，手工測(cè)量存在誤差，無(wú)法準(zhǔn)確比對(duì)對(duì)稱(chēng)位置的影子變化。筆者基于這些不確定因素，結(jié)合學(xué)生思維發(fā)展開(kāi)發(fā)了“影子無(wú)死角觀測(cè)器”。

（二）改進(jìn)思路

天文學(xué)中的日晷通過(guò)光源位置的改變顯示物體影子的變化規(guī)律。筆者從日晷模型中學(xué)習(xí)到，具體變化的影子源于有固定的照明軌道，即太陽(yáng)運(yùn)行軌跡。因此，以日晷為原型，使用同心圓木板為手電筒提供光源運(yùn)行的軌道，解決了“光源運(yùn)行距離有些許偏差”的弊端。同時(shí)，學(xué)生能迅速并精確地找到入射角以及對(duì)稱(chēng)角度，與教材原實(shí)驗(yàn)相比，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)更加直觀，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維。

天文學(xué)中還有一種儀器——圭表，它通過(guò)各個(gè)季節(jié)太陽(yáng)處于赤道位置的不同導(dǎo)致正午高度的不同，從光源照射距離的改變來(lái)發(fā)現(xiàn)物體影子變化的規(guī)律。以圭表為原型，用一根帶刻度的木條，為實(shí)驗(yàn)裝置提供調(diào)節(jié)光源照射距離的軌道。從隨意地改變光源與障礙物的距離，到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙⒐庠垂潭ㄔ谀緱l的某一刻度上，并融入天文學(xué)知識(shí)，發(fā)展了學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

醫(yī)療手術(shù)室中的無(wú)影燈是進(jìn)行手術(shù)時(shí)提供照明的醫(yī)用設(shè)備，此設(shè)備使用時(shí)有多光源照射物體，保證手術(shù)中動(dòng)刀部位不會(huì)有陰影區(qū)。結(jié)合無(wú)影燈的原理，筆者將照明角度拓展到半球界面，通過(guò)兩個(gè)半圓形的固定支架交叉搭建，撐起一半球形立體空間，為光源運(yùn)動(dòng)提供軌道。底座為精準(zhǔn)度數(shù)的羅盤(pán)，保證支架四角能完整地落在羅盤(pán)圓邊中。當(dāng)半球支架轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)讓光源到達(dá)半球界面內(nèi)任一角度，保證了實(shí)驗(yàn)的完整性，符合處于運(yùn)算階段學(xué)生的思維邏輯。

紅外狙擊步槍是根據(jù)物理學(xué)中“紅外線可定位”原理制成的武器，通常在瞄準(zhǔn)目標(biāo)前會(huì)使用到槍口上方的紅外光。由于光的直射，能保證槍手的目光、槍口和紅外光一致瞄準(zhǔn)目標(biāo)，提升了射擊的精準(zhǔn)度。根據(jù)此原理，筆者將教材中的普通手電筒換成激光手電筒，確保了實(shí)驗(yàn)中光源直射的準(zhǔn)確性。將生活中常見(jiàn)的激光手電筒應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中，不僅提高了實(shí)驗(yàn)的精確性，同時(shí)還革新了實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維。

（三）材料

2塊半徑為50cm的同心圓木板，1把激光手電筒、1個(gè)夾子、1塊邊長(zhǎng)為60cm的正方形紙板、1根25cm帶刻度的木條、1支馬克筆，2條半徑為50cm的量角器度數(shù)條。

（四）設(shè)計(jì)步驟

將同心圓木板經(jīng)過(guò)切割粘貼組裝成觀測(cè)四角，并貼上同樣半徑的量角器度數(shù)，作為電筒照射光的固定骨架。

在底座紙板上繪制圓圈羅盤(pán)度數(shù)。

將帶紅外線的小電筒固定在夾子上。

組裝各部件。

（五）結(jié)構(gòu)與功能

影子無(wú)死角觀測(cè)器將同心圓木板經(jīng)切割粘貼組裝成觀測(cè)四角，并貼上同樣半徑的量角器度數(shù)，作為小電筒照射光的固定骨架，能夠準(zhǔn)確觀測(cè)到入射光的角度。底座白紙上標(biāo)有圓圈羅盤(pán)度數(shù)，能夠精確觀察到觀測(cè)器底座四角的旋轉(zhuǎn)角度。搭架子的小電筒可固定在刻度條上，因此可隨意改變到障礙物的距離。利用紅外線可定位的原理，在開(kāi)啟光源前先用紅外線照射在遮擋物頂部正中央，以此保證接下來(lái)實(shí)驗(yàn)中的光源是直射在遮擋物上的，避免因?yàn)楣庠凑丈浣嵌鹊钠钜饘?shí)驗(yàn)現(xiàn)象誤差。具體裝置如圖1所示。

（六）實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)一，探究光照角度對(duì)影子的影響。

實(shí)驗(yàn)步驟：首先，組裝好實(shí)驗(yàn)器材。將木制量角器的四個(gè)腳完整貼合在含有方向度數(shù)標(biāo)注的圓圈上，同時(shí)將小電筒夾在木板軌道上。其次，把物體放在觀測(cè)器正中央，用紅外線瞄準(zhǔn)被照射物體頂部中央位置，以此確定光源是否剛好直射到物體上。最后，固定小電筒運(yùn)動(dòng)的軌跡，在入射光照30°，60°，120°，150°處描畫(huà)四種影子。具體如圖2所示。

現(xiàn)象：當(dāng)入射角度從銳角變?yōu)橹苯菚r(shí)，影子變小，方向朝向相同；當(dāng)入射角從直角變?yōu)殁g角時(shí)，影子變大，方向朝向變成反方向。

結(jié)論：光照角度變化時(shí)，物體影子的大小、形狀、方向都會(huì)發(fā)生改變。

實(shí)驗(yàn)二，探究光與遮擋物距離的變化對(duì)影子的影響。

實(shí)驗(yàn)步驟：首先，固定小電筒在觀測(cè)器正中央的刻度條上，開(kāi)啟紅外光使其瞄準(zhǔn)照在遮擋物體頂部正中央。接著，調(diào)整光源在刻度條上的位置以此改變光源到障礙物距離，同時(shí)換筆描畫(huà)兩種情況的影子。具體如圖3所示。

現(xiàn)象：光源與遮擋物距離越短，影子越大；距離越長(zhǎng)，影子越小。

結(jié)論：光源與遮擋物距離發(fā)生變化時(shí)，物體影子的大小會(huì)發(fā)生變化，而形狀、方向不會(huì)發(fā)生變化。

三、結(jié)語(yǔ)

筆者根據(jù)科學(xué)思維的內(nèi)涵以及現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)中科學(xué)思維的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了指向科學(xué)思維的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)策略。并以《影子的秘密》為例，對(duì)其實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)行了創(chuàng)新，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性：將同心圓木板經(jīng)切割粘貼組裝成觀測(cè)四角，并貼上同樣半徑的量角器度數(shù)，作為電筒照射光的固定骨架，能夠準(zhǔn)確觀測(cè)到入射光的角度。同時(shí)底座紙板上標(biāo)有圓圈羅盤(pán)度數(shù)，能夠精確觀察到觀測(cè)器底座四角的旋轉(zhuǎn)角度。直觀、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)材料更有利于學(xué)生邏輯思維的發(fā)展。

科學(xué)創(chuàng)新性：利用紅外線可定位的原理，在開(kāi)啟光源前先用紅外線照射在遮擋物頂部正中央，以此保證實(shí)驗(yàn)中的光源是直射在遮擋物上的，避免因?yàn)楣庠凑丈浣嵌鹊钠钜饘?shí)驗(yàn)現(xiàn)象誤差。在提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的同時(shí)，發(fā)展了學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

多學(xué)科融合：實(shí)驗(yàn)將天文學(xué)、醫(yī)學(xué)和物理學(xué)的知識(shí)有機(jī)地融合在了一起，這種融合不僅有助于拓寬學(xué)生的知識(shí)視野，更能培養(yǎng)他們的發(fā)散性思維。

【本文系西華師范大學(xué)“‘教練賽創(chuàng)’四維融合培養(yǎng)高素質(zhì)小學(xué)科學(xué)教師探索”項(xiàng)目的研究成果，項(xiàng)目編號(hào)為403789】

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