改善實驗 突破“降水量”教學難點

〔摘" "要〕" 《測量降水量》是教科版科學三年級上冊“天氣”單元的重要內容。在實際教學中存在一些讓學生甚至教師都困惑的問題，如“降水量為什么用積水深度衡量而非降水體積”“雨量筒為什么是直筒形”。這些問題傳統教學法難以闡釋。通過改善實驗，突破“降水量”教學難點：一、設計模擬自然降水裝置，保障定量實驗數據精準；二、設置對比實驗，幫助學生理解標準化測量的重要性；三、分析對比實驗及數據體現降水量用積水深度衡量的優勢。填補小學科學教材中降水量測量原理的空白。

〔關鍵詞〕" 小學科學；對比實驗；降水量測量；標準化

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）15" " 0058-04

隨著科學教育的深入推進，越來越多的課程重視學生的實踐能力與概念理解。以《測量降水量》一課為例，其中的概念和原理學生理解難度較大，成為教學難點。本文改進了實驗方法，旨在幫助學生理解兩個核心問題：“雨量筒為何必須是直筒形”“為什么降水量測量積水深度而非降水體積”。

同時本地區的小學和初中科學教材中，有關《測量降水量》章節都未涉及對此原理的探究。很多公開的優質課，教師也未解決這些疑問。本文希望通過改進實驗，使學生更清楚地理解降水量測量方法背后的原理，彌補中小學科學教學銜接不足。

一、研究背景與問題

以皮亞杰認知結構結論為依據，兒童心理活動有一定的邏輯性，但思維活動仍舊需要具體內容的支持。因此，本研究在設計學習進階的過程中，始終以具體事實內容為設計前提，在實驗活動設計上以概念的形成為目的。基于皮亞杰的認知結構理論，了解小學階段學生的認知特點后，我們通過調查問卷來了解學生在“降水量”及“測量降水量”方面的前概念。對本校三年級（4）（5）兩個班級63名學生進行問卷調查得到以下反饋。

（一）學生降水量及其測量的前概念調查結果

降水量概念：92%的學生將降水量局限于天上降落雨的多少，即認為是降水的體積；65%的學生認為降水未涵蓋雪、冰雹等，即混淆降雨和降水概念；79.4%的學生對測量降水時需要計量時間的范圍理解單一，認為只能計量24小時內的降水才能區分降水等級。

雨量筒設計原理：95.2%的學生不確定雨量筒能否用其他形狀容器，認為只要不漏水且有刻度即可制作雨量筒；82.5%的學生認為雨量筒口徑越大越好，認為大口徑雨量筒能承接更多雨水，更接近真實降水量；77.8%的學生對教材配套的學具袋提供的雨量筒存在什么缺點不清楚。

從上述調查結果可以看出，學生在概念理解方面存在著廣泛的誤區。那么，這些誤區集中在哪些方面呢？針對《測量降水量》的教學內容展開了深入剖析。

（二）教學難點分析

《測量降水量》的教學難點主要體現在兩個選擇上。測量指標的選擇：降水量選擇積水深度而非積水體積。這涉及測量結果的易理解性和標準化，但傳統教學未能提供有效的直觀演示和體驗。雨量筒形狀的選擇：雨量筒必須是直筒形，這個問題涉及降水量測量的標準化、精確性和可操作性，對學生來說直筒形與測量結果的關聯性較為抽象。

二、研究方法

本研究通過改進模擬降水裝置，采用多種形狀容器進行測量，對測得的數據進行分析對比，幫助學生理解降水量的核心概念，突破上述兩個教學難點。具體實驗步驟如下。

（一）創新性改進模擬降水裝置

講授《測量降水量》課程時，正值冬季，而冬季普遍雨水少，用真實的降水進行多次實驗非常不現實。為此用模擬降雨裝置，突破時空的制約，是后續實驗順利開展的關鍵。

我嘗試了多種模擬降水教具。如教材上采用的灑水壺或在550ml礦泉水瓶蓋上均勻打孔制成的裝置。在使用時都存在同樣的問題：單個水流過大，同一平面內水柱分布不均勻，“雨簾”覆蓋面積小，導致流入雨量筒的“降水量”會因為雨量筒的位置不同而不同，最終使同種型號雨量筒在同一場“雨”中收集到的積水深度不同（如圖1）。

為了解決“雨簾”覆蓋面積不夠大的問題，也嘗試在5L大礦泉水瓶底均勻打孔（圖2）。但隨即發現瓶口灌入水后，即使擰緊瓶蓋，水依然會從瓶底全部流走。不像小礦泉水瓶，擰緊瓶蓋后底部出少量水，就會因為瓶內負壓水流停止，松開瓶蓋，水又開始落下，可控性強。

為了制造相對均勻且覆蓋面積較大的“降水”，把一個大面積淋浴花灑（如圖3）改裝成降雨裝置（如圖4）。反復實驗，發現此類裝置隨著上方儲水容器內水量減少，水壓下降，花灑周邊位置，距離中心水源較遠處小孔，開始出水比中間的小孔晚，停止出水又比中間小孔早。整個花灑在開始和結束時雨簾面積都會縮小（見圖5有些孔已經不出水了），這使放在花灑下面不同位置、同一型號雨量筒承接到的積水深度依然不同。反復測試發現，找到一個能持續且均勻噴水的降水裝置是后續定量實驗成功的關鍵。

最后我們通過反復實驗驗證，發現以下三種器材來模擬“降水”符合我們實驗的需求。

高壓噴壺模擬毛毛雨，雨滴細如絨毛，均勻度好，能較長時間持續均勻“降水”。把高壓噴壺噴嘴旋轉到最緊，舉高向下噴，可以增大降水面積，覆蓋較多接水容器，便于做對比實驗。在沒有風的條件下，用高壓噴壺噴水模擬降水，同一型號雨量筒測出的數值非常接近，且多次測量所得數據依然穩定。

特別指出：按壓式噴壺不能替代高壓噴壺。因為按壓式噴壺是一按一噴，不按不噴，降水總時間難以測量。測量降水時間有助于讓學生理解24小時內的降水（日降水量）的意義。

移動式電動淋浴花灑（有兩擋可調）可模擬大雨、中雨。電動花灑出水面積較大，在電動水泵壓力下出水速度均勻且能持續足夠時間，適合做定量實驗。便攜性好不受水源限制，教室里實驗只需提前準備一桶水。

如果沒有以上器材，也可以自己制作雨罐（如圖6）來模擬降水：用2個大的容器（如3kg容量的洗衣液瓶）制作模擬降水的罐子。用一個圖釘、一張紙、一支鉛筆，畫出2厘米見方或1厘米見方的紙（根據所需降雨的大小調節孔的間距）。貼在瓶口附近，然后用圖釘推入打孔。這種雨罐，可以通過擠壓瓶身，提供持續、大面積的降水，均勻的孔讓水流分布更均勻。

（二）使用不同形狀的容器進行降水測量對比

讓學生使用直筒形、錐形和球形、方形等不同形狀，不同大小、不同高度甚至不同材質（塑料、紙質、玻璃等）的容器來測量同一模擬降水下的降水量。每組學生用不同形狀的容器在自己制造的同一場“降雨”中，進行降水量測量，記錄實驗數據，對比分析各種容器測量結果，讓學生直觀地發現直筒形容器在測量降水中的一致性。

對比降水深度與體積的差異：用各種不同口徑，卻都是直筒形的容器（如直筒圓柱體和直筒長方體容器）來測量降水。對比這些容器中的積水深度和積水體積，分析實驗數據發現積水深度和降水量大小之間存在著穩定的關系，但體積大小卻不存在這樣的關系。

讓學生通過第二環節中得到的積水深度，試著對整場“雨”的降水體積進行計算。在計算中遇到的問題讓學生領悟降水量測量中使用積水深度而非體積的原因。

三、對比實驗的教學實踐

（一）"雨量筒形狀實驗

為了解決“為什么雨量筒必須是直筒形”的難點，設計以下具體實驗步驟。

雨量筒模型準備：準備不同形狀：直筒形、錐形、球形、方形和圓錐形的容器，且不同材質如紙、塑料、玻璃等。設置“紙杯”作為測量容器的意義是讓學生在實驗中直觀獲知不透明容器在測量降水時讀數不方便，且紙杯不防水，多次實驗后容易破損。另外還可以增加底部凸起和底部凹陷的容器做對比，以便于學生發現用平底的容器能讓測量結果更準確。

模擬降雨進行對比實驗：在模擬降雨的條件下（可用高壓噴壺模擬小雨、雨罐或移動淋浴器等模擬大雨）讓學生使用事先準備好的各種形狀的容器承接“雨水”。舉高模擬降水裝置，讓所有容器都能被“雨簾”完全覆蓋，注意模擬小雨時需要在無風的環境中實驗，否則“雨簾”容易被風吹偏，導致測量失敗。

記錄并比較結果：學生在記錄不同容器中積水深度后，讓他們從眾多形狀、材質都不相同的容器中觀察選出具有相同水位高度的容器，并分析這些容器具有哪些共同特點？引導學生歸納這些容器具有的共同特點：容器的開口和底部包括瓶身大小都是一樣的；瓶身和地面是垂直的；容器的底是平的（如圖7）。

通過本實驗讓學生發現盡管容器口徑、形狀、高低都不同，但符合平底直筒條件的容器內積水深度驚人一致，非直筒形容器內水位深度卻各不相同。實驗現象幫助學生理解，直筒形容器具有穩定的水位深度與降水量大小關系，而非直筒形容器不具備測量結果與降水量大小之間穩定相關性，即不能保證測量的標準化。這樣很自然地解決了“為什么雨量筒必須是直筒形”的難點，而不需要通過文字和圖畫從理論上解釋測量降水為什么要用直筒形容器。

（二）口徑不同但都是直筒的容器降水量測量實驗

為了解決“為什么測量降水量使用積水深度而不是體積”的難點，設計了以下具體步驟。

準備不同口徑的直筒形容器測量：讓學生把口徑、高度都不同的直筒形雨量筒或形狀不同圓柱體和長方體容器放在同一場均勻下落的雨簾中。

測量積水的體積：記錄不同口徑直筒雨量筒內水位高度，再分別用量筒測量各個雨量筒承接“雨水”的體積，對比雨水體積是否相同？

通過對比“積水體積”，學生發現雨量筒內積水的體積會因為雨量筒的口徑大小不同而不同，但積水深度卻幾乎相同。

嘗試用體積公式計算整場“降水”的體積。積水深度乘以降水面積可計算降水體積，但在多次實驗中學生能夠憑直覺體會到，實際生活中一場雨的實際覆蓋面積難以精確測量，即無法精準計算出一場雨的降水總體積。但計算在已知面積上的降水體積，還是可以做到的。

通過多次對比實驗學生發現：用積水高度來表達降水量更符合在同一場降水中測量結果應具備一致性的要求，這種一致性有助于在不同地點、不同口徑的雨量筒測量同一場降水具備標準化比較；測量積水深度在操作上更便捷，可以直接讀取雨量筒的水深，比轉換成體積來得更快速準確，不需獲知降水覆蓋面積，也不需要換算；地面上的積水程度能直接被人觀察到，相比復雜且難以確定的降水體積計算，更便于大眾理解和使用；在氣象觀測和實際應用場景中，這種相對簡單直接的衡量方式更符合操作便捷性的需求，能為氣象分析和相關決策提供更快速、實用的數據依據。

通過這些對比實驗讓學生直觀地理解用積水深度來衡量降水量有著獨特的優勢和合理性，測量積水“深度”比測量積水“體積”更具便捷可操作性、更易標準化。

四、改善實驗后的教學效果分析

經過以上的對比實驗與數據分析，改進后的教學方法顯著提升了學生對降水量的理解。

大多數學生通過實驗認識到直筒形容器在降水量測量中的重要性，理解測量降水量與容器口徑大小無關但和容器是否直筒形有關。糾正了“容器開口越大，測量越準確”的誤解。也理解了測量需要統一標準化的特點。

在對比積水深度與體積的過程中，學生能獨立思考并理解積水深度作為降水量指標的合理性、便捷性，提升了他們的數據分析應用能力。通過多次降水量測量實驗及數據記錄，讓學生在降水量的數據后很自然地寫上毫米單位，部分學生還能在日常生活中通過觀察雨滴大小和降雨時間估算降水量。

運用不同形狀的容器開展不同測量內容以及數據對比的實驗，順利解決了學生原有的困惑，改變了他們錯誤的認知，有效激發了學生的學習興趣。許多學生由此還發現了學具袋中雨量筒的不少問題。如筒身短，僅"6"厘米。在大雨時雨水容易溢出，致使無法測量。而且低矮的筒身，使地面雨水容易反濺到筒內進一步導致測量不準確。筒身太輕，穩定性差，在有風的環境下極易被吹倒，從而影響測量工作的正常進行。雨水附著在筒的內壁，干擾了測量的準確性。在測量微小降水量方面有明顯缺陷，對于小于"1"毫米的降雨，該雨量筒無法讀數。

這些問題的發現促使學生積極主動尋求改進。如使用漏斗解決雨水掛壁問題，在筒內放置細口徑量筒解決讀數不夠精準的問題。這些都展現了他們強烈的求知欲和創新精神。

改進實驗方法后，成功突破了"“為何雨量筒必須是直筒形”"以及"“測量降水量為何使用積水深度而非體積”"這兩大教學難點。在實踐操作中，學生深刻理解以積水深度作為降水量的測量標準，是一種既簡便又可靠的方式，在不同環境和條件下能夠保持良好的一致性，確保結果的準確性和科學性。在實踐過程中出現的種種問題，為學生制作更為精確的雨量計提供了極具價值的改進方向和啟示。

綜上所述，改善實驗方法在科學概念教學中具有重要的作用，通過設置不同變量或條件進行實驗比較，幫助學生更精準地理解科學概念。在對比分析和解釋實驗結果過程中還培養了他們的批判性思維能力，讓他們更深入地理解科學方法和思維過程。同時，視覺和動手操作體驗加深了學生對知識的記憶，而不同實驗數據使信息更加鮮明，也有助于長期記憶的形成。動手實驗更有利于培養學生的科學素養和創新精神。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]李海軍.關于小學科學課堂趣味實驗教學策略的分析[J].天天愛科學（教育前沿），2021（9）.