在自主建模中提高学生的科学素养

沈毅

【摘要】本文阐述了“测量物体运动时的摩擦力大小”实验教学过程，基于学生科学素养的养成目标和学生已有的知识水平，对教材原有实验误差大的教学实际展开思考和探究，引导和带领学生改进和创新实验装置，从而缩小实验误差，让学生经历了与实验方法相关联的思维过程，自主建模、乐于探究，有效提升了学生的科学素养。

【关键词】自主建模 科学素养

《运动与摩擦力》 实验教学 实验设计

反思

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）05A-0070-02

《运动与摩擦力》是教科版小学科学五年级上册第四单元的第一课时，教材共安排了三个实验活动：1.测量物体运动时摩擦力的大小。2.研究运动时摩擦力大小与接触面光滑程度之间的关系。3.研究运动时摩擦力大小与物体重量的关系。其中，学生亲历“测量物体运动时的摩擦力大小”，掌握测量、读取数据的方法，是第二及第三个探究活动有效开展的前提。小学科学课程标准指出，科学课以培养学生的科学素养为宗旨，以科学探究作为最重要的学习目标和学习方式，并在教学过程中体现“以生为本”的理念。基于学生科学素养的养成目标，本课以学生已有的知识水平作为教学起点，选择改进和创新实验装置作为切入点，让学生经历与实验方法相关联的思维过程。

一、实验教学目标

五年级学生对摩擦力已有感性认识，且通过两年的科学课学习，学生已掌握了对比实验的基本方法，具备采集数据并进行简单分析的能力。基于课标、教材、学情，笔者将本课的教学目标和教学重点、难点确定如下：

教学目标：1.通过设计实验、制作控制装置，测量物体运动时的摩擦力大小。2.发展识别和控制变量、采集数据和记录并运用数据进行分析得出结论、对研究问题做出合理解释的探究技能。3.形成敢于提问、严谨实验、根据数据得出结论的科学精神。

教学重点：1.掌握测量摩擦力大小的正确方法。2.准确判断和读取数据。

教学难点：通过控制变量，有效减小实验数据误差。

二、实验内容设计

为了有效达成教学目标，笔者将本课实验内容设计为三个部分：1.用弹簧测力计初次测量物体运动时的摩擦力。2.用新装置重新测量（物体运动时的摩擦力）。3.设计实验探究摩擦力大小与接触面光滑程度、物体重量的关系。

三、实验方法设计

（一）教材中实验介绍的不足

教材中用了这样一句话提出实验要求和实验方法：“我们用测力计沿水平方向拉一个物体，刚好能使这个物体运动起来的力就相当于它受到的摩擦力。”实验原理是根据物体匀速运动时，拉力与摩擦力二力平衡，把测力计的示数作为物体摩擦力的大小。在教学实践中，我们发现操作有以下困难：第一，接触面的粗糙程度不同；第二，普通弹簧测力计随着拉伸次数增加，误差加大；第三，人手拉动物体，无法实现匀速。基于此得到的数据，测量同样的重物误差在0.5～1.5N之间，数据误差较大，影响了接下来的实验，有的小组甚至出现了粗糙面的摩擦力反而小的错误结论。（如图1）

（二）解决方案：自制摩擦力数字化实验装置

基于以上問题，沿用上述实验原理，我们自制了与程序相配套的摩擦力数字化实验装置，以新技术助推科学探究，有效解决问题。（如图2）

四、教学过程设计

（一）聚焦问题，创新教具

教学开始，学生用弹簧测力计初次测量物体运动时的摩擦力，对比实验数据，发现误差大，讨论发现问题：人手拉动物体无法做到匀速。此时，如何实现匀速是学生最想解决的问题。因此，我们用“微型电机”代替人手提供动力，将普通弹簧测力计更换为自制的带液晶显示屏的单片机测力计，这是我们对仪器的第一次改进。

实验中还有一个重要现象：学生发现测力计的数据在测量的过程中会出现3次波动。第一次，拉力<最大静摩擦力，物体未动，测力计读数缓慢增加；第二次，拉力>摩擦力，物体运动起来，但是读数不平稳；第三次，物体匀速运动时，拉力相当于摩擦力。此时的数据才是符合我们要求的数据。但是教材没有相关指导，以往学生是在教师的要求下做出的数据选择，并非自主思考。所以，我们在第一次改进的基础上，在摩擦力数字化实验装置中增加了传感器、转换器、接收器，自主编写程序，将数据同步转换为图像，引导学生经历与实验过程想关联的思维过程，准确地判断和选取数据，用数据构建证据链，用数学化归纳和演绎科学事实。通过这样的改进，让学生在新的实验装置辅助下，学会探究和思考，真正将科学核心素养的培养落到实处。

（二）用摩擦力数字化实验装置重复实验

学生利用改进后的实验装置进行了重复实验，改进后的实验数据比对，误差能够缩小到0.1～0.2N。同样的装置，通过毛巾和砝码等简单器材更改对比条件，即可展开其他相关实验。通过数据图像，学生可以直观而清晰地判断出摩擦力大小与物体重量有关，物体越重，摩擦力越大。相较原来的实验，使用摩擦力数字化实验装置操作更简单、更高效，数据更严谨，能够有效突破难点，达成教学目标。

五、实验教学反思与评价

以往的实验教学更多的是注重实验的验证功能，学生更多是作为操作者或者旁观者，缺少主动的探究和多样创造。回顾与反思本节课的教学，共有如下特点：

1.基于问题进行的有效改进。改进实验装置有效解决了手动测量误差大的问题，使分组实验数据误差缩小至0.1～0.2N。

2.基于学情展开的有效教学。本课对实验仪器改进的需求来源于学生探究过程中产生的问题，通过制作摩擦力测量控制装置解决问题，有效提升了学生的科学素养。

3.有效提升学生持续性研究的动力。引入工程学原理，有效提升学生开展课后研究及应用工程学改进实验仪器的兴趣。通过这样的课程学习，学生除了对科学探究的兴趣更加浓厚之外，还对工程学产生了兴趣，这也启发笔者在今后的教学中，应更多地尝试给学生提供原材料，鼓励他们自主建模，科学探究、持续探究、快乐探究！

（注：本课例荣获第四届全国中小学实验教学说课比赛一等奖）

（责编 周翠如）