小学科学教师入门十课
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|第二节|模拟实验课

在科学探究过程中,有些问题单凭观察是难以得出结论的,这时就需要通过实验来探究。实验当然也离不开观察,但与单纯的观察不同的是,实验是在人为控制研究对象的条件下进行的观察。在难以直接拿研究对象做实验时,就可以用模型来做实验,即模仿实验对象制作模型,或者模拟某些条件进行实验,这样的实验叫做模拟实验。

模拟实验是科学实验的一种基本类型,有利于充分发挥学生的想象力、洞察力、判断力,提高处理问题的能力、自我建构的认知能力,启迪学生的创造性思维,培养创造力。

小学科学中常见的模拟实验有三类。一是模拟运动,如模拟昼夜、四季、月相的规律等,通过模拟实验和建构模型等方法,了解由于地球的自转和公转运动产生的昼夜交替、四季变化等自然现象和规律。二是模拟成因,如模拟火山、地震、岩石风化、地表变化,模拟风、雨、露的形成等,通过对地球上的大气、水体、土壤、生物、岩石等组成物质,以及一些自然现象和规律的观察、实验、分析、推理,初步认识地球物质不断变化并且互相影响。三是模拟原理,如模拟呼吸运动、消化系统、血液循环等,初步认识人体的结构组成以及保健常识,进而形成健康生活的意识,养成良好的生活和行为习惯。

案例1——模拟自然现象:雨的形成
【案例背景】本课是在了解凝结的基础上,通过模拟实验探究雨是怎样形成的。这个活动具有很大的开放性,但同时雨又是日常生活中常见的现象之一,学生有一定的兴趣。我们在设计时要力求在学生自主探究、小组合作的基础上进行实验操作,帮助学生再次感知物质状态的变化,尤其是水的三态之间循环往复的变化,通过实践发现这种变化是可逆的过程,从中初步体验自然现象的变化规律,体会到科学技术的运用可以影响雨的形成,改善干燥的环境。

【案例描述】

教学环节一:复习“凝结”的相关知识

师:水蒸气是什么样的?什么叫凝结?

生:水蒸气变成水的过程叫凝结。

教学环节二:推想雨的形成可能与什么有关

师:(出示课件,描述下雨时的情景)雨的形成可能与什么有关?

生:水、水蒸气、云等。

教学环节三:小组讨论、制订研究计划并展开研究

师:(出示PPT,引导学生制订研究计划)

(1)用什么温度的水产生的水蒸气多?

(2)用什么容器装水容易观察?

(3)怎样使水蒸气变冷?用什么容器装制冷的物体,使它的底部形成的小水珠容易聚集在一起?容器放在什么位置?

(4)实验中我们观察什么?

师:请大家根据提示,讨论探究计划并交流:你们准备用什么器材?为什么选择这些材料进行探究?实验中我们应该观察些什么?

师:请大家注意,实验方法必须要能够在课堂上实施、操作。

师:请各组派代表到“材料超市”选择与本组设计相匹配的实验器材。注意以下几点:小组分工合作;倒入适量的水;实验中注意安全;完成实验报告单的填写。

师:大家在实验中观察到哪些现象?实验结论是什么?

师:(播放动画——雨的形成,学生观看后重新描述雨的形成。认识水的变化过程是可逆的)

教学环节四:学习与运用

师:说说雨的益处和害处。

师:(学生交流后,播放人工降雨的相关动画)

师:请大家构思一篇科普小童话——“小水滴旅行记”。

案例评析
雨的成因既是本课教学的重点,又是本课的难点。在教学中,模拟实验的运用是突破重点的一个有效手段,学生通过观察模拟实验中小水滴是如何从实验器材上连续不断滴落的,分析出了雨的成因。在这个过程中,从自然界进入实验室,由抽象变为形象,降低了学生的理解难度,得出实验室里雨水形成的原因。之后再用动画课件,从实验现象推想到自然界中的雨水是如何形成的,这样就突破了难点,有助于学生对雨的形成概念的建立,也让学生经历了一个完整的探究,学生的思维更加有条理,语言表达能力也得到提高。
案例2——模拟消化系统:食物在体内的旅行
【案例背景】消化系统的主要功能是分解、消化食物并吸收营养物质。食物的消化过程来自学生的直接经验,但是学生由于不能亲眼所见,感觉很陌生,正是这陌生与熟悉之间的矛盾引发了学生对身体进行探究的兴趣。本课的教学应发挥学生的主体作用,以消化器官图为基础,以“食物在体内的旅行”为主线,结合模拟实验,初步认识主要消化器官的功能,并建立起食物消化需要多个器官共同完成的概念。

【案例描述】

教学环节一:激发研究消化器官的热情

师:今天老师要带大家进行一次特殊的旅行,让我们用热烈的掌声欢迎导游闪亮登场。

师:今天的导游就是这个美味的汉堡,它要带我们去一个充满生机与活力的地方。你们知道是哪里吗?

生:到我们的身体里面。

生:到我们的胃里、小肠、大肠里。

师:是呀,今天我们就跟着汉堡导游去我们身体里面旅行一趟。(板书:食物在体内的旅行)

教学环节二:初步认识消化系统

(来自于教科版《科学》四年级上册教材)

师:汉堡导游带我们旅行的第一站会是哪里?下一站会到哪里?

生:(交流自己的想法)

师:同学们都有自己的想法,下面就请大家来画一画旅行图,你认为汉堡导游会带我们去到哪里?注意:只画出食物经过的地方,路径要清楚,器官要明确,最好把名称标出来。

生:(在记录纸上画出食物旅行图,完成后交给老师拍照展示)

师:这是我们各组同学画的食物旅行图,我们先请这一组同学来介绍一下:汉堡带我们依次经过了哪些地方?

生:(根据自己小组画的旅行图进行介绍)

师:看来,我们各组的旅行图都不太一样,那有没有相同的地方?你们都画了哪些地方?

生:都有胃、小肠和大肠。

生:都是从嘴巴开始。

师:还有吗?

生:……

师:那汉堡究竟按照什么样的路线旅行呢?下面我们来看一下科学家们是怎么定义的。

生:(通过观看视频,了解食物在体内的旅行过程)

师:食物旅行的路线称为消化道,旅行所到达的每一个地点叫做消化器官。

师:老师这里有一套人体消化器官拼图,你们能完成它吗?

生:(小组合作完成拼图)

教学环节三:认识消化系统各器官的作用

师:我们已经认识了食物要通过的消化器官名称、食物消化的顺序以及这些器官在人体中的大体位置,但是,这些消化器官在消化食物时的作用是什么呢?

生:(说说自己所了解的消化器官)

师:是这样吗?让我们一个个来了解。

师:大家一致认为食物进入体内首先到达口腔。那么,口腔有哪些功能呢?

生:牙齿能把食物嚼碎,唾液能润湿食物,通过舌头的搅拌与唾液充分混合。

师:食物从口腔下去,到了哪里?

生:(通过视频仔细观察,食物通过口腔进入食道后,食道发生了什么变化)

师:食道有什么特点,主要具有什么功能?

师:其实整个消化道都是以蠕动的方式推送着食物前行的。食道是一条由肌肉组成的通道,本身并没有消化作用,它上接口腔,下面连着哪里?

生:(仔细观察视频,发现食物进入胃部,胃就会分泌消化液并开始蠕动,了解贲门、幽门的作用,并发现胃中有气体排出)

师:食物在经过胃的消化后会变成什么样子?让我们通过模拟实验来体验一下胃的消化功能。实验要求:我们用透明塑料袋代替胃,里面装入一些米饭、面条、蔬菜等食物,然后加入适量的水表示胃分泌的胃酸和胃液;用我们的手轻轻揉捏,表示胃在蠕动,看看食物会变成什么样?

生:(分组进行模拟实验并汇报交流,知道食物经过胃的作用,进一步磨碎,变成了食糜)

师:食物通过胃的简单消化变成食糜。接下来就来到了小肠和大肠。它们又给我们带来了哪些惊喜呢?

(来自于教科版《科学》四年级上册教材)

生:(结合小肠、大肠模型和视频,说说它们的特点和功能)

师:它们在肚子里面也是这么长长的吗?

生:不是的,他们是盘曲在我们的肚子里面的。

师:谁愿意和老师一起来把它们盘起来?

师:小肠进一步消化食物,吸收食物中的营养;没有被消化吸收的食物在大肠这里逐步被吸收水分,最后连带废气通过肛门排出体外,从而结束这一场旅行。

师:现在你能简单地说一说食物在体内的消化过程吗?

生:(在最后一段小视频的观看中结束本课的学习)

案例评析
学生进行实验活动的目的是借助实验更好地观察现象,获得解决问题的思路和证据。模拟实验是在无法进行实际观察的情况下,借助一些类似的实验情境进行的研究活动。模拟实验中的“模拟”的意义在于最大程度地创造符合实际的情境。

在模拟消化系统这一案例中,教师借助人体消化器官拼图让学生分组进行操作,借助这一模拟器材发现人体消化器官的排列位置和顺序,操作便捷,直观了然。此外,教师在教学中采用APP演示,既形象又直观,既激发了学生的科学兴趣,又顺理成章地解决了教学难点。在这个活动中,学生把自己的初始想法与事实相对照,完成对消化过程、消化器官的再认识和自我完善的过程。

特别是在对消化器官的功能认识环节,教师抓住“胃的消化”这一核心活动,采用现场模拟的方式,让学生观察到了食物变成食糜的消化过程,还理解了胃的蠕动原理,充分发挥了模拟实验对知识理解的支持作用。

案例3——模拟人体运动系统
【案例背景】由骨骼、关节和肌肉组成的运动系统是人体八大系统之一,人体的各项运动都是三者相互联系、共同协作的结果。骨骼对身体有支撑和保护功能,肌肉能为运动提供动力,关节起到连接作用。它们的活动和变化对于学生来说能够感受到,但不能直接观察。因此帮助学生通过一系列的模拟实验来发现骨骼、关节和肌肉的作用,感受到人体的精密、和谐之美是非常有意义的。

【案例描述】

教学环节一:从欢快活泼的舞蹈导入问题

师:在上课之前,老师带领大家欣赏一首歌曲《健康歌》,让我们一起运动起来!

生:(全体一起跟着《健康歌》跳舞)

师:在我们刚刚完成的这个舞蹈中,我们的哪些身体部位动起来了?

生:大腿、胳膊等。

师:那下面我们就摸摸自己的胳膊,看看你都摸到了什么?分别有什么特点?

生:骨头硬,有血管、筋、脉搏,上面有肌肉,有关节。

师:在刚才的舞蹈当中,骨骼、关节和肌肉共同合作参与了运动。今天这节科学课我们就来探究骨头、关节、肌肉有什么作用。

教学环节二:探究骨骼、关节和肌肉的作用
1.探究、体验骨骼的作用

师:谁能根据你的经验说一说,关于骨骼你都知道些什么?

生:(交流对“骨骼”的原有认知)

师:这是人体骨骼模型,请同学们观察一下,你发现骨骼还有什么特点?你能说出身体中一些骨头的名称吗?

生:骨骼是一节一节的,有的地方是空的……

生:有肋骨、脚趾骨。

师:每个人的身体中都有骨骼,大家摸到的骨头是硬的,有些骨头围成一些腔体,你能根据这些特点猜测出骨骼有什么作用吗?

生:(交流自己的猜想)

师:我们可以通过模拟实验和体验活动进行研究。

师:这是两根同样的橡皮泥,我要把这两根橡皮泥立起来,现在请大家仔细观察,说一说你们看到了什么现象。

生:(一根立起来,一根倒下去)

师:(把两根橡皮泥断开,让学生观察内部)在这个模拟实验里,橡皮泥模拟的是肌肉,吸管模拟的是骨骼里面有吸管支撑的这根橡皮泥没有倒下去。直立的橡皮泥与直立的人体是相似的。因此我们可以得出什么结论?

生:骨骼有支撑的作用。

师:这是我们的头骨,里面有什么?

生:大脑。

师:大脑是一种很嫩、很软的物质,跟我们食用的豆腐脑很相似。下面我们用豆腐脑来做一个模拟实验。实验方法:用豆腐模拟大脑,在上面盖上一个透明的玻璃器皿模拟头盖骨。拍一拍,你发现了什么?拿掉玻璃器皿,再拍一拍,看到什么现象了?这说明头骨有什么作用?

生:保护大脑的作用。

2.探究、体验关节的作用

师:关于关节你都知道些什么?

生:(汇报交流)

师:我们已经知道关节是可以活动的,人的身体中有很多关节,你能找到哪些关节?

生:肩关节、肘关节、腕关节、膝关节、踝关节……

师:关节都长在什么位置上?

生:两块骨骼的中间。

师:我们把骨和骨之间的连接叫骨连接,我们身上有很多骨骼是连接在一起的,但是有的不能活动,比如胸骨、肋骨。我们把能活动的骨连接叫关节,比如肘关节、腕关节。

师:现在请你根据刚才研究骨骼的方法,设计一个方案研究一下关节有什么作用,大家可以先自己独立思考完成研究方案,然后把你的想法在小组内说一说。

生:(小组讨论汇报)

师:(选择一位同学的方案展示)大家想到不让关节活动来进行验证的方案非常棒!假如我们没有关节会怎样呢?

生:(用热水瓶外壳套住肘关节,然后试着系红领巾;用小塑料环套住指关节写字,体验受限制的关节运动。分别汇报自己的实验感受)

师:大家都有哪些发现?

生:我们知道了关节可以使我们的肢体活动灵活。

师:那同学们想一想,身体有了关节和骨骼就可以运动起来了吗?

生:不能,还得有肌肉。

3.探究、体验肌肉的作用

师:肌肉有什么作用?下面我们来做一个体验活动。

生:完成伸臂、曲臂运动,用手摸一摸并观察上臂骨肌肉的变化。

师:当肌肉鼓起来的时候,这就是肌肉的收缩,当它恢复到原来的状态时就是舒张。当肌肉收缩和舒张时,我们的手臂有什么变化?这说明肌肉有什么作用?

生:牵动骨头运动。

师:肌肉怎样长才能牵动骨头运动呢?这是自制的上臂骨骼模型,用两把尺子模拟骨头,用皮筋或绳子来模拟肌肉,在尺子上面不同的位置打了几个洞,用它来模拟肌肉的生长位置。肌肉附着在什么位置才能在收缩时使骨头动起来呢?

生:(利用自制上臂骨骼模型,研究肌肉怎样让骨头运动起来,并汇报发现)

师:通过刚才的模拟实验和分析,我们知道了肌肉能牵动它所附着的骨头运动起来。

教学环节三:体验“三者”协调运动

(来自于苏教版《科学》五年级上册教材)

师:刚才我们研究了骨骼、关节、肌肉的作用,思考一下,在我们刚才进行的这些活动当中,这三者都参与了吗?

生:都参与了。

师:请你做一做、想一想,在曲臂、伸臂动作中,这三者是怎样协调配合完成动作的?试着做一个下蹲或者提脚后跟的动作,用手摸一摸,感受骨骼、关节和肌肉是怎样运动的。

生:(体验活动并交流)

师:我们身体的每一个活动,都是由骨骼、关节和肌肉这三者相互协调配合完成的。

案例评析
实验是学生进行观察、思考最直接的方式之一。人体内部的结构难以直接被观察和研究,我们便采用模拟实验。但要注意的是,进行模拟实验时,要清晰明了地展示模拟物、被模拟物,要引导学生仔细观察现象,学会从实验现象中提取有用信息,从而学会有效研究。

案例中的用玻璃瓶装豆腐后进行拍打的模拟实验,解释了头盖骨对大脑的保护功能,生动直观,会给学生带来一定的震撼。用热水瓶外壳套住肘关节系红领巾、用小塑料环套住指关节写字这两个模拟实验,设计思路巧妙,学生参与性广,达到了通过模拟实验理解学习内容的目的。

在对有关骨骼、关节和肌肉的探究中可以采取比较灵活的处理方法。在引导学生认识骨骼作用时,可以直接呈现骨架模型。利用模拟实验和体验活动,帮助学生了解骨骼的支撑保护作用,并对后面研究关节和肌肉的作用产生启发。

案例4——模拟太阳系的运行
【案例背景】太阳系是一个以太阳为中心,包括受太阳引力作用而环绕其运动的其他天体在内的天体系统。小学生对于宇宙的知识了解相对比较匮乏,空间概念不强,而太阳系中的其他天体平时又难以直接观察到。因此利用一些资料来帮助学生认识太阳系,在活动中建立太阳系模型,不仅能够加深太阳和太阳系中的组成天体在学生头脑中的印象,更能培养学生的空间想象力和理解力,对建立有关宇宙空间的概念十分有益。

【案例描述】

教学环节一:模拟情境,激发对宇宙探索的兴趣
开启星空投影仪(呈现银河星云)。

师:太阳、月亮、星星、银河……壮丽而遥远,神秘且充满未知。宇宙总会让我们产生无限遐想,引起我们深深的思索。今天老师就带同学们一起走向太空。

师:展现在大家面前的就是银河星云,你看到了什么?

生:星星。

师:是的。你们看到的这一颗颗星星都是银河系中的恒星。

师:谁来说说你知道的恒星?

生:太阳。(板书:太阳)

师:太阳有什么特点?

生:发光、发热。

师:是的,我们把像太阳这样能够自己发光的天体叫作恒星。(板书:恒星)

师:我们的位置在哪里?

生:地球。(板书:地球)

师:地球又在哪里呢?

生:太阳系。

师:今天我们就来学习太阳系。(板书:太阳系)

教学环节二:自主探究太阳系相关知识

师:你知道太阳系中有哪些成员吗?

生:(金星、水星……)

师:刚才你们所说的金星、水星,都是行星。太阳系一共有八大行星,它们都有共同的特点,知道是什么吗?

生:围绕太阳转。

师:太阳系中的所有天体都是围绕着太阳公转的。

教学环节三:建构八大行星模型

师:今天,我们的主要任务就是建构一个八大行星的模型,大家有没有信心挑战一下?

生:有。

师:老师这里有一个篮球,我们用它模拟太阳系中的太阳。那么,要完成这个模型建构,我们需要解决哪些问题?

生:要知道八大行星有哪些。

师:谁来说一说?

生:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。

师:还有什么问题需要解决?

生:模拟行星的材料。

师:(展示材料盒)是的。老师已经给大家准备好了材料,有回形针、干燥剂、珍珠1号、油菜籽、塑料球、珍珠2号、水晶、蓝松石。还需要解决什么问题呢?

生:还需要有轨道。

师:(展示轨道板)老师给同学们提供了一块展板,我们可以在这块展板上制作我们的模型。

师:还有什么问题要解决的?

生:测量工具。

师:为什么你觉得需要测量工具呢?

生:测量行星的大小、行星到太阳的距离。

师:是啊,这几个行星不一样大,我们一开始并不知道哪一个材料适合模拟哪个行星,所以我们要用工具来测量。这里还涉及到一个比例的问题。我们一起来看这张数据表。

PPT:太阳直径大约是1,390,000千米。

师:太阳直径大约是1,390,000千米,而篮球直径是30厘米。我算了一下,大约缩小了46亿倍。那此时,八大行星相应也要缩小。把数据反映在我们的模型当中,我们需要通过测量来选择合适的材料制作八大行星。

师:像油菜籽这么小的材料,怎么量呢?今天老师给同学们带来了一个好帮手——游标卡尺。(视频播放:游标卡尺测量)

师:接下来请大家先测量、再选材,最后请同学们在这块底板上建构行星模型。

师:(学生做的时候拍照,随机展示)我们一起来看,这是第X组的?你们是怎么选择的?

师:其他小组跟他们的选择一样吗?

师:(挑排列顺序不一样的)我们再来看这一组的。

师:八大行星到太阳的位置分别是什么样的呢?

生:水星、金星……(板贴排列顺序)

师:太阳系的八大行星是按照这样的顺序绕日运行的。今天我们构建了一个八大行星模型。太阳缩小,行星也缩小了。还有什么也会相应地缩小?

生:行星到太阳的距离也会缩小。

师:没错。我们来看一看具体的缩小比例。

PPT:太阳直径大约是1,390,000千米

师:我们一起来看这张数据统计图。按照刚才的比例来算,水星离太阳大约13米,太阳在这里(上课教室),水星就在×××的位置,金星在×××,地球在×××,火星到了×××的位置,木星差不多到×××,土星在图上的这个范围(根据实际地点决定)……

师:由于课堂空间有限,老师用了这个底板来给同学们做模型。如果同学们有兴趣,课后也可以利用导航来找找八大行星的位置。

教学环节四:通过模拟软件了解矮行星、小天体

师:太阳系是不是就只有我们摆出来的这些天体呢?

生:不是。

师:还有什么?

生:冥王星。

师:冥王星曾经是第九大行星,随着探测技术的发展,它被排除出行星的行列。你觉得为什么冥王星不属于行星?

师:还记得“行星”的定义是什么吗?

生:质量足够大。

师:是的,质量必须足够大才有可能成为行星。冥王星直径在2300千米左右,很明显它不符合。我们再来看一下太阳系各大行星的运转轨道。(播放视频)

师:行星是在椭圆轨道上环绕太阳运行的、近似球形的天体。而观察冥王星运行的轨道,很明显,这一点它也不符合。所以,我们把冥王星降级成了矮行星。

师:(播放另一个矮行星的视频)除了八大行星、矮行星,太阳系中还有哪些成员呢?

生:卫星。(板书)

师:这些卫星是怎么运行的?

生:围绕着行星运行。

师:地球的卫星是?

生:月亮。

师:是的,太阳系中还有一些小天体,包括流星、彗星。(板书)

师:(播放彗星的视频)彗星通常直径只有几千米,主要由具挥发性的冰组成。最著名的就是哈雷彗星了,每76年可以在地球观察到它。(播放彗星轨道的视频)

师:还有一些小行星。(板书)我们来看这颗智神星。(播放视频)小行星主要是由岩石与不易挥发的物质组成。这颗智神星就位于小行星带,(板书)这里有成千上万颗我们肉眼看不到的小天体,它们沿着椭圆形的轨道不停地围绕太阳公转。主要的小行星带位于火星和木星轨道之间。

师:现在谁能用自己的话来概括一下什么是太阳系?

生:整个太阳系就是以太阳为中心,包括围绕它转动的八大行星、围绕行星转动的卫星、矮行星、小天体(包括小行星、流星、彗星等)组成的天体系统。

教学环节五:拓展延伸

师:宇宙离我们这么遥远,我们是怎么知道这些天体的秘密呢?

生:望远镜。

师:是的,太阳系的第一次探测是由望远镜开启的。伽利略是第一位发现太阳系天体细节的天文学家。

师:根据最新的探测,科学家认为第九颗行星可能在太阳系的边缘附近。不管怎样,在天文望远镜观测证实之前,太阳系是否存在未知行星还只能是推测。同学们不管是平时做实验、上课、运算,都应该像科学家一样,要用数据和事实说话。

案例评析
本课虽然只要求建立一个简单的太阳系模型,但实际上对于学生来说仍有很大的难度。用什么材料来建模型?行星的位置如何确定?这些都是影响学生建模的重要问题。实际活动中,要帮助学生降低建模的难度,有步骤地进行:首先通过大小不同的球形材料的选择,来解决对赤道直径数据的处理问题;接着对行星和太阳的平均距离进行同比例缩小,解决了行星的位置问题。在数据处理和建模的过程中,学生会对太阳系中天体的大小对比产生强烈的印象,从而建立起正确的太阳系空间认识。

同时,利用视频的虚拟情境创设,让学生身临其境,大大降低了学习难度,提高了学习兴趣,顺利突破了本课的教学重(难)点,从而完成了本课的教学目标。

案例5——模拟地质运动:火山和地震
【案例背景】火山和地震这部分内容离学生的生活比较远,学生对它们的了解只是依靠电视等媒体的传播,没有切身感受,对火山地震的形成原因等具体内容的了解不深入。可是学生对此又非常感兴趣,他们也通过各种途径了解了一些相关的知识。因此在本课教学中采用学生观察现象、想象推测、模拟实验与动画演示相结合的方法来突破重(难)点。

【案例描述】

教学环节一:观看课件导入

师:同学们,今天老师给大家带来了一段视频,请同学们认真观看视频并思考,视频中发生的是什么现象?你看到了什么?

生:火山喷发时有红色的岩浆喷出,同时还有浓烟冒出、石块飞出。

生:我看到火山喷发时,红色的岩浆像液体一样流出。

……

师:大自然在赐予人类财富的同时,也给我们带来了巨大的灾难。今天就让我们一起来认识火山、研究火山。

教学环节二:认识火山喷发现象

师:对于火山,你有什么想研究的问题?

生:火山喷发是怎么形成的?

生:火山喷发与我们人类的活动有关系吗?

生:怎样才能防止火山喷发?

师:同学们提出了这么多想要研究的问题,说明大家对火山很有兴趣。你们认为在所有这些问题中,应该先解决哪个最基本的问题?

生:我们可以首先研究火山喷发是怎么形成的。

师:好。下面我们一起来进行火山喷发模拟实验。先在铁盒里放一些土豆泥,将它塑成山的形状,并在土豆泥“山”顶端挖一个小洞。接着往洞口倒入一定量的番茄酱,并用薄薄的一层土豆泥封住洞口。然后将铁盒子放到铁架台上,用酒精灯加热。

师:实验中要注意安全,不要将脸直接对着铁盒的上方,实验完成后及时用抹布清理桌面。

生:(在教师的指导下进行分组实验)

师:请大家观察桌面,你发现了什么?

生:番茄酱从封住的土豆泥洞口流出来了。

师:真正的火山喷发时喷发出来的又是什么呢?

生:我估计土豆泥可能是土壤,番茄酱可能是地球里的岩浆。

师:你的用词很准确,“估计”“可能是”表示是自己的猜测。可光有猜测,没有证据不行,科学讲究证据,你们根据自己搜集的材料讨论讨论,看有结论吗?

生:(小组讨论)

师:各组的看法是什么?

生:我们认为喷发出的番茄酱就是岩浆,因为书本资料说火山爆发,炽热的岩浆直冲天空,实验中冲出来的正是番茄酱。

师:炽热的岩浆为什么会从地底冲出来呢?

生:地球内部有巨大的压力,将岩浆压出来的。

师:那它是沿着什么路线从地球内部一直跑到地表呢?

生:因为地层中有裂缝,所以岩浆沿着裂缝出来了。

师:为什么地球上有的地方有火山喷发,有的地方一直没有?

生:火山爆发一般在地壳比较薄的部位或者地壳裂缝距地面较近处。

师:请你根据刚才的发言,将火山爆发的原理详细地分析给大家听,其他同学可以补充。

教学环节三:认识地震

师:了解了火山喷发的原因,我们就可以对它进行监测和预告,以降低和减少自然灾害对人类的影响。然而除了火山以外,无情的地震往往也会给我们人类带来巨大的伤害。

生:(观看2008年5月12日汶川大地震的视频资料,交流观看后的感想)

师:地震也是一种非常可怕的自然灾害。那为什么会发生地震呢?让我们一起来做个模拟实验吧。把你桌上的毛巾叠起来放平在桌面上,用手按住两头向中间挤压,你观察到了什么?

生:毛巾向上拱起来了,毛巾形成了褶皱。

师:怎么会发生这个现象呢?

生:毛巾受到了力的作用,从两端向中间挤压,就形成了褶皱。

师:如果把毛巾看作地壳岩层,这个现象能够说明什么呢?

生:岩层也会发生褶皱现象。

师:那么岩层为什么会断裂呢?请你用手握住枯树枝的两端,用力将它压弯、折断,你又发现了什么?

生:手在枯树枝断裂时除了有震动,我还听到了“啪”的声音。

师:这又能说明什么问题?

生:岩层受到的力大到一定程度时,就可能发生断裂形成地震。地震时大地会震动,而且还会有轰隆隆的声音。

师:地壳的岩层在受到巨大的挤压时会发生褶皱,褶皱突然断裂时会释放出巨大的能量,使大地猛烈地震动起来,产生巨大的破坏力量,这就是地震。

师:第一架自动测地震方位的仪器是哪个国家发明的?

生:(了解张衡和他发明的地动仪)

师:发生地震时,我们应该如何保护自己?

生:立即离开房屋,到室外空旷的地方去。

师:如果来不及撤离呢?

生:躲在坚固的床或桌下。

……

案例6——模拟地质运动:岩石的风化
【案例背景】学生一般对岩石不会陌生,因为喜欢玩石头是孩子们的天性。他们会关注到自然界中形形色色的岩石。但从认知和技能上说,他们对“岩石会不会变化、探索岩石变化的原因”这样的问题很少会进一步思考。

【案例描述】

教学环节一:观察各种岩石的外观,激发探索兴趣

师:这节课我们来研究岩石。岩石大家都见过吧?都有哪些模样呢?一起来看看!

生:(通过课件欣赏各种典型的岩石图片)

师:这些都是从著名的风景区拍摄到的。在平时的生活中,能不能见到岩石?

生:在河边、路边、建筑工地上可以看到。

师:我这里有一些岩石的标本,请大家一起观察一下!

生:(对鹅卵石、小石头、沙子进行观察)

师:这些岩石跟屏幕上展示的有哪些不同?

生:鹅卵石表面很亮很光滑,上面还有花纹。

生:生活中常看到的岩石有点小,这一块还有尖尖的棱角。

师:这一小包沙子也是岩石吗?它具有岩石的哪些特征?

生:是的,颜色、手感和岩石很相似。

师:自然界中的岩石真是千姿百态。这些不同模样、大大小小的岩石之间有什么关系呢?

生:(小组内开展讨论,并把想法用“图画+文字”的方式记录下来并汇报交流)

师:很多同学都认为,自然界中的大岩石不断地碎裂,就成了小岩石和沙子。是不是这样的呢?

教学环节二:探究岩石改变的自然原因

师:岩石可是很坚硬的,要让它碎裂、变小需要力量。讲台上的这块岩石,谁有办法来改变它?

生:用锤子用力敲打、往地上砸、磨……

师:这些都是靠什么力量让它发生改变?

生:人的力量。

师:大自然中,是什么力量在改变岩石?

生:气候冷热、风、流水、动物、植物……

师:岩石在自然条件下的变化我们很难观察,但可以通过模拟自然环境的某些条件进行实验,这样的实验叫模拟实验,它的优点是可以在较短的时间内解决一些难以用直接方法解决的问题。

1.实验一:模拟冷和热的作用

师:这里有酒精灯、火柴,还有一杯冷水,可以用它们来模拟自然界中什么样的环境?这个实验怎么做?

生:酒精灯的火焰模拟自然界热的情况,冷水模拟冷的环境。

生:自然界中冷和热在不断变化,所以要反复多做几次。

师:岩石就从刚才我们观察的几块中间来选取,你会选择那一块?

生:(说说这样选择的理由)

师:可以直接用手拿着岩石烧吗?

生:不能直接用手拿,会烫伤手,要用镊子夹住。

师:实验中还有什么大家应该注意的地方?

生:要正确使用酒精灯,用镊子夹住岩石在酒精灯的外焰上加热。

生:要注意安全,戴好护目镜。

(学生在教师的指导下进行模拟实验)

师:实验中我们看到了什么,说明了什么?

生:我看到岩石产生了裂缝。

生:岩石上有碎屑掉下来了。

生:这说明冷热变化会让岩石发生改变。

师:自然界中日夜交替、四季温度的变化都会对岩石产生破坏作用,使岩石碎裂。

生:(观看视频“温差对岩石的作用”)

师:在冷热的交替作用下,岩石裂开了。可是裂开的岩石棱角都很尖锐,它们又是怎样变光滑的呢?下面我们来进行第二个模拟实验。

2.实验二:模拟流水的作用

(来自于教科版《科学》五年级上册教材)

师:我们要用到的实验材料有:装有小半瓶水的塑料瓶、碎砖块等。你们能按照图示,合作完成这个实验吗?提醒大家要留下一块作为样本,以便后面观察比较。

生:(把砖块放入瓶中,拧紧瓶盖,每位学生用力摇晃瓶子50下)

师:请大家把摇晃过的水、砖块倒在有纱布、滤杯的烧杯中,请你们仔细观察、比较砖块的变化。

生:通过和之前留下的砖块比较,可以看出被水泡过、摇晃过的砖块棱角被磨圆了。

师:拿掉上面的滤杯,小心地拎起纱布的四个角,把它放在盘子里,看看纱布上有什么?哪儿来的?

生:纱布上留下了一些细砖屑,这是从砖块上掉下来的。

师:再来观察一下水的情况,水里发生了什么变化?

生:水变成了和砖块一样的颜色,说明水中分布着许多颗粒更为细小的砖屑。

师:这是老师上一节课实验后留下来的水,比较一下,有什么发现?

生:水中的小砖屑都沉到了水底。

师:实验中,砖块模拟的是自然界中的岩石,我们晃动瓶子中的水,模拟的是自然界中水的流动。这个实验说明了什么?

生:水流的力量也会让岩石发生改变!岩石表面被磨圆了,从岩石上掉下来的小颗粒就是我们常见的沙子。

师:自然界中是谁在晃动岩石,让岩石的模样发生了改变?

生:河流、洪水、雨水等。

师:岩石在冷热变化、流水的作用下会改变模样,我们把这种现象叫做风化。

教学环节三:欣赏风化带来的自然之美

师:自然界中,还有许多现象也会让岩石产生变化,一起来看看!

生:(观看关于“动物、植物、风、冰雪等自然力对岩石作用”的视频)

师:从视频中可以看出还有哪些现象会让岩石发生变化?

生:动物、植物、冰川、风……

师:风化作用会改变地球的地形地貌,形成许多美丽的景观。课后,让我们走进大自然,去感受自然界的神奇力量吧!

案例评析
在课堂教学中,探究不仅涉及提出问题、猜想推测、收集证据、模拟实验、进行解释、表达与交流等活动,还涉及对科学探究的认识。对“火山和地震”的认识中,通过模拟实验和课件展示,引导学生展开大胆的推测,探究火山和地震的成因,同时在交流互动中了解人类对火山和地震的探索,在探究过程中学会推理和合理的想象,掌握预防地震的基本方法,增强学生的生命意识,培养学生敢于献身科学的重要品质和创新精神。

或许不用上“岩石在空气、水、生物等的作用下会发生风化作用”这一节课,学生就能解答“引起岩石变化的原因有哪些”这一问题。但这种认识往往来自课外的阅读,至于这些环境因素是如何产生作用,以及变化的过程中会出现哪些现象,学生并无确切的感知。从这一点来讲,学生并没有形成或没有完全形成风化作用的概念。课堂上通过两个模拟实验,用事实作为依据,来帮助孩子建立相关的科学概念。在研究流水的作用时,把观察的要点细分为三层:第一层是与留样砖块比较,观察砖块的变化;第二层是观察纱布上的情况;第三层是观察水的情况。在亲手操作实验、结果比对、讨论交流的过程中,学生们真切地感受到了流水对岩石风化起的作用,有了事实和情感的依据,科学概念才有了根。

模拟实验可化抽象为具体,化复杂为简单,使学习内容直观化;也可化长时间为短时间,化大空间为小空间,化笼统为具体,有利于培养学生的实际操作能力,达到学用结合的目的。但是如果教师在教学中目标不够明确,教学思路不够清晰,往往会降低实验精确度,使实验现象不够明显。因此教师在指导学生进行模拟实验时,要注意以下几点:

1.掌握原理是模拟实验的基础
首先教师要深入研究教材,理清教材序列,了解客观事物的现象,认识研究对象的本质,准确地描述原型,才能构建对应的模型,进行模拟实验,解释现象。其次教师还要对学生的情况有充分的了解,在教学中应运用多种教学方法、借用多种手段帮助学生观察相关自然现象、理解知识、认识原理或成因,以便较准确地反映客观事实,增强模拟实验的实效性。
2.建构模型是进行模拟实验的关键
在选择实验材料时,应注意提高模型或实验条件与原型的相似度,增强模拟实验的可信度。
3.收集资料并归纳是模拟实验的重点
通过模拟实验收集资料,把观察记录的资料进行归纳推理,得出结论,印证原型中的现象、原理、成因等机理的本质,最终形成正确的认识。

当然,每一种类型的模拟实验都因研究内容的特点,有各自独特的地方,教师在组织模拟实验时,可以根据它的特点,侧重于某一方面重点指导,充分认识、重视学生的前概念,理清教材的知识序列,利用各种媒体与手段,让学生在模拟实验中有效体验,逐渐培养学生的科学素养。