《磁鐵能吸引什么》實(shí)驗(yàn)中的材料選擇和設(shè)計(jì)

〔摘""要〕"本文以小學(xué)二年級(jí)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)為基礎(chǔ)，結(jié)合科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求，探討科學(xué)活動(dòng)材料的選擇策略和設(shè)計(jì)原則。科學(xué)活動(dòng)材料的選擇和設(shè)計(jì)對(duì)科學(xué)課堂的組織和架構(gòu)具有極其重要的作用和影響。教科版科學(xué)教材以探究性學(xué)習(xí)為主，探究性學(xué)習(xí)以做實(shí)驗(yàn)為主，而做實(shí)驗(yàn)離不開實(shí)驗(yàn)材料的選擇和設(shè)計(jì)。課堂實(shí)驗(yàn)成功與否，課堂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能否引發(fā)學(xué)生思考，都與科學(xué)活動(dòng)材料的選擇與設(shè)計(jì)分不開。本文選擇教科版科學(xué)二年級(jí)教材中三個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)材料改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)案例，進(jìn)一步說明科學(xué)活動(dòng)材料的選擇策略和設(shè)計(jì)原則的重要性?！碴P(guān)鍵詞〕"小學(xué)科學(xué)；材料的選擇和設(shè)計(jì)；策略一、引言（一）材料選擇與設(shè)計(jì)的研究背景2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”，科學(xué)材料是科學(xué)探究活動(dòng)的基礎(chǔ)載體。皮亞杰的兒童認(rèn)知發(fā)展理論認(rèn)為，二年級(jí)學(xué)生處于具體運(yùn)算階段初期，依賴直觀體驗(yàn)，需通過材料操作實(shí)驗(yàn)構(gòu)建科學(xué)概念。（二）材料選擇與設(shè)計(jì)的研究意義優(yōu)化科學(xué)材料的選擇和設(shè)計(jì)可提升學(xué)生探究興趣，使科學(xué)實(shí)驗(yàn)更順暢，降低科學(xué)概念和知識(shí)的抽象性，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展。二、材料選擇的標(biāo)準(zhǔn)（一）安全性小學(xué)科學(xué)活動(dòng)材料的選擇應(yīng)避免使用有毒有害的材料，如腐蝕性、刺激性或有毒物質(zhì)；盡量不使用鋒利的工具以及高溫、易碎、易爆物品；對(duì)能用安全材料替代的盡量用安全材料替代。（二）結(jié)構(gòu)性材料需直接關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)主題，材料應(yīng)能直觀體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，應(yīng)便于控制變量，給學(xué)生的材料所選擇的結(jié)構(gòu)要具有層次性。（三）貼近生活易于獲取實(shí)驗(yàn)材料應(yīng)優(yōu)先選擇學(xué)生熟悉的日常物品，避免高價(jià)材料，盡量使用經(jīng)濟(jì)、低價(jià)的材料實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果?？梢越Y(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，選擇當(dāng)?shù)鼐哂械馁Y源做實(shí)驗(yàn)材料以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果。（四）操作簡(jiǎn)單，具有可操作性小學(xué)科學(xué)教學(xué)應(yīng)選擇易操作、趣味性強(qiáng)的材料實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果。應(yīng)適合學(xué)生的年齡特點(diǎn)，避免太復(fù)雜的組裝或者太難的操作，盡量使用具有可操作性的材料。（五）環(huán)保與可持續(xù)性小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)材料宜選擇使用耐用的、可重復(fù)利用的材料，鼓勵(lì)使用舊報(bào)紙、塑料瓶等可回收利用的材料，盡量使用實(shí)驗(yàn)后可降解的材料。（六）激發(fā)學(xué)生興趣與創(chuàng)造力小學(xué)科學(xué)活動(dòng)材料的選擇應(yīng)具有趣味性，可以加入色彩、聲音等元素，允許學(xué)生自主設(shè)計(jì)，讓學(xué)生體驗(yàn)自己的創(chuàng)造力，活動(dòng)材料也需適合小組合作。（七）符合科學(xué)規(guī)范性小學(xué)科學(xué)活動(dòng)材料的選擇需符合科學(xué)規(guī)范。比如測(cè)量工具需滿足基本精度，在給材料命名時(shí)需使用通用科學(xué)術(shù)語，在使用工具時(shí)應(yīng)貼好標(biāo)簽，實(shí)驗(yàn)中用好記錄表、記錄單。三、材料設(shè)計(jì)的原則（一）設(shè)置對(duì)照原則設(shè)置對(duì)照原則的目的是最大限度地減少誤差，設(shè)置對(duì)照是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基石，其核心在于通過嚴(yán)謹(jǐn)比較，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性和可靠性。通常通過對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的比較，排除無關(guān)變量的干擾，從而準(zhǔn)確評(píng)估實(shí)驗(yàn)處理的效果。在選擇小學(xué)科學(xué)活動(dòng)材料時(shí)通常設(shè)置對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組，根據(jù)對(duì)照類型（有空白對(duì)照、自身對(duì)照、條件對(duì)照、陽性對(duì)照、陰性對(duì)照）的不同，明確自變量，控制其他變量，并選擇簡(jiǎn)單、安全、結(jié)果明顯的實(shí)驗(yàn)材料，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性和可靠性。（二）單一變量原則單一變量原則是指在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，控制其他因素不變，只改變其中一個(gè)因素，以觀察其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。應(yīng)用單一變量原則的主要目的是排除其他因素的干擾，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。遵循這一原則，既有利于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)分析，又能增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度和說服力。在小學(xué)科學(xué)活動(dòng)材料的設(shè)計(jì)中也需控制單一變量，只有一個(gè)變量的材料不相同，其他變量的材料都相同，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。（三）平行重復(fù)原則在科學(xué)活動(dòng)中，遵循平行重復(fù)原則是確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性和可重復(fù)性的核心方法之一。其核心思想是通過多次獨(dú)立的重復(fù)實(shí)驗(yàn)或樣本設(shè)計(jì)，減少偶然誤差的影響，驗(yàn)證結(jié)果的穩(wěn)定性和一致性。平行性是在同一實(shí)驗(yàn)條件下，設(shè)置多個(gè)完全相同的處理組，以驗(yàn)證結(jié)果的穩(wěn)定性。重復(fù)性是在不同時(shí)間、批次或?qū)嶒?yàn)條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)，排除偶然因素或系統(tǒng)誤差的干擾。在活動(dòng)材料設(shè)計(jì)中應(yīng)用平行重復(fù)原則的方法如下：每組實(shí)驗(yàn)材料至少設(shè)計(jì)3個(gè)平行樣本（如3個(gè)重復(fù)樣本），避免單一樣本的偶然性；確保所有平行樣本的原料、制備工藝、處理?xiàng)l件完全一致（如溫度、時(shí)間、濃度等）；將材料樣本隨機(jī)分配到不同實(shí)驗(yàn)組，避免因批次不同或操作差異產(chǎn)生誤差。下面，筆者以教科版科學(xué)二年級(jí)下冊(cè)《磁鐵能吸引什么》實(shí)驗(yàn)為例，談一談對(duì)科學(xué)活動(dòng)材料選擇標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)原則的若干思考。四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例分析（一）材料的選擇和設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)性在教科版科學(xué)二年級(jí)下冊(cè)第一課《磁鐵能吸引什么》的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要知道磁鐵能吸引鐵、鎳、鈷等物體這個(gè)概念。教材通過設(shè)計(jì)用磁鐵吸引各種物體的活動(dòng)讓學(xué)生直接觀察到磁鐵能吸引鐵、鎳、鈷的現(xiàn)象。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，活動(dòng)材料的選擇和設(shè)計(jì)都是為了幫助學(xué)生形成概念。美國哈佛大學(xué)教授蘭本達(dá)在她的著作《小學(xué)科學(xué)教育的“探究-研討”教學(xué)法》中闡明了“結(jié)構(gòu)性材料”的理念。她說，科學(xué)教學(xué)中的材料結(jié)構(gòu)的概念指的是內(nèi)在的關(guān)系——和自然界的現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)的一種模式。本課的材料選擇也是有結(jié)構(gòu)的。筆者在了解學(xué)生前概念時(shí)發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生不知道磁鐵能吸引什么，但有相當(dāng)一部分知道磁鐵能吸引金屬，卻不清楚只能吸引鐵、鎳、鈷三種金屬。所以在選擇材料時(shí)，必須有能被磁鐵吸引的金屬鐵、鎳或鈷，也必須有不能被磁鐵吸引的銅和鋁等金屬，其他材料則可以自由選擇。這體現(xiàn)了概念決定材料的關(guān)系。而且要讓學(xué)生知道不是所有金屬都能被磁鐵吸引，只有金屬中的鐵、鎳、鈷能被磁鐵吸引這個(gè)有結(jié)構(gòu)層次的概念，給學(xué)生的材料的結(jié)構(gòu)也是有層次的。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，可以把給學(xué)生的材料分成兩組，第一組是其他材料，第二組是金屬材料；或者把所有材料都給學(xué)生，讓學(xué)生把所有材料分成兩組再做實(shí)驗(yàn)。通過分組，學(xué)生就形成了“能被磁鐵吸引的鐵、鎳、鈷都是金屬，不是所有的金屬都能被磁鐵吸引，比如銅、鋁等金屬”這些有結(jié)構(gòu)層次的概念。（二）材料的選擇和設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展過程的需要以教學(xué)《磁極與方向》一課為例，在開展制作懸掛的磁鐵指示南北方向這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生總是會(huì)碰到困難。有的小組的磁鐵掛上去就歪了，學(xué)生不知道怎么把它掛水平；有的小組的磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)起來之后很長(zhǎng)時(shí)間靜止不下來。筆者在組織學(xué)生開展磁鐵指示南北方向?qū)嶒?yàn)之后，添加一個(gè)小實(shí)驗(yàn)作為承上啟下的過渡，既能夠進(jìn)一步明確磁鐵能夠指示南北方向，又能夠引出指南針的構(gòu)造和原理。這個(gè)小實(shí)驗(yàn)是這樣的：把愛?？平滩牧习薪o學(xué)生用的指南針進(jìn)行拆解，把里面的刻度盤取下來，就成了一個(gè)磁針可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)（可以指示南北方向）的裝置，用這個(gè)裝置做實(shí)驗(yàn)，指針很快就能靜止下來指示南北方向了。這個(gè)拿掉刻度盤的實(shí)驗(yàn)裝置來自對(duì)指南針的簡(jiǎn)單改造，這是實(shí)驗(yàn)材料選擇具有生活化的體現(xiàn)。接下來把刻度盤放回盒子里面，裝置就變成了指南針。此時(shí)把指南針拿出來給學(xué)生觀察，學(xué)生對(duì)指南針的構(gòu)造和原理就可以理解了。本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)材料的設(shè)計(jì)和改進(jìn)使實(shí)驗(yàn)更符合學(xué)生認(rèn)知的需要（如圖：學(xué)生的認(rèn)知過程圖解）。對(duì)指南針的拆解過程展現(xiàn)了指南針的制作過程，材料的選擇和設(shè)計(jì)也是對(duì)自然現(xiàn)象和過程的展現(xiàn)。（三）材料的選擇和設(shè)計(jì)使實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，具有可操作性《磁鐵的兩極》一課的科學(xué)概念教學(xué)目標(biāo)為：通過實(shí)驗(yàn)探究讓學(xué)生知道條形磁鐵兩端磁力大，中間磁力小。磁鐵上磁力最強(qiáng)的部分叫磁極。本課老教材的實(shí)驗(yàn)方法是把回形針吸在磁鐵的各個(gè)部位，觀察哪個(gè)部位吸得的回形針多，哪個(gè)部位吸得的回形針少。做實(shí)驗(yàn)時(shí)比較難操作，而且回形針一個(gè)一個(gè)掛上去非常費(fèi)時(shí)間，學(xué)生在一節(jié)課時(shí)間里往往很難完成。為了更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，新教材對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，用測(cè)磁力卡測(cè)磁鐵各個(gè)部位的磁力大小，只用了5個(gè)回形針，觀察哪個(gè)回形針先被磁鐵吸引，在實(shí)驗(yàn)中可以動(dòng)態(tài)觀察回形針被磁鐵吸引的過程。實(shí)驗(yàn)過程可操作性更強(qiáng)，更簡(jiǎn)便，效果更顯著。本課的實(shí)驗(yàn)