改进“摆长设计”实验设计

◇高海鹏（山东：肥城市汶阳镇中心小学）

小学科学实验教学中经常有一些开放性的探究内容，但是由于学生自主探究能力不强，缺乏必要的科学素养，很容易导致实验失败。在教学“摆长设计”这个实验时，我改进了实验设计，通过搭建“脚手架”给学生提供必要的引导和支撑，让学生更加顺利地进行探究，提高课堂教学效率。

一、问题的产生

苏教版小学科学四年级下册第三单元第五课《摆》一课，在探究了“摆的快慢与什么因素有关”之后，教材给出了一个摆长设计实验：全班分为10组，每个小组设计一个摆，使摆在15 秒内分别摆动7，8，9……16 次，然后把各小组的摆按顺序挂在黑板上，最后观察会呈现出什么样的图形。

这个活动看似简单，但真正到了课堂上我才发现，学生花费了整整一节课的时间也没有设计出合格的摆长，实验最终失败了。课后分析原因，我认为学生在探究“摆的快慢与什么因素有关”活动中虽然已经认识到了“摆的快慢与摆长有关，摆线越长，摆动越慢；摆线越短，摆动越快”，但具体到多长的摆线可以使摆在15 秒内摆动多少次，学生是没有概念的。在这种情况下盲目去试，不仅不会得出满意的结果，而且长时间的失败，也大大挫伤学生动手制作的积极性。

二、利用“脚手架”降低实验难度

我决定对摆长设计实验进行改进。鉴于学生对于摆长与摆动次数只具有初步的感性认识，我决定先给学生搭建一个“脚手架”，提供一些具体的数据参考，让学生建立起具体的数值概念。

我首先选择了5 个有代表性的数值：每15秒摆动6，9，12，15，18次，先制作出这5 个摆给学生进行参考。为了减少尝试次数，节约备课时间，我采用了先理论计算、再实际制作的方法。

根据单摆的周期公式：

可得摆长计算方法：

据此可以计算出这5 个摆的理论摆长值分别为155cm，69cm，39cm，25cm、17cm（精确到1cm）。即当摆长为155cm时，摆在15 秒内的摆动次数约为6 次；当摆长为69cm 时，摆在15 秒内的摆动次数约为9 次；当摆长为39cm 时，摆在15秒内的摆动次数约为12 次；当摆长为25cm 时，摆在15 秒内的摆动次数约为15 次；当摆长为17cm 时，摆在15 秒内的摆动次数约为18次。如下表所示：

6 15秒内摆动次数理论摆长（cm）9 69 155 12 39 15 25 18 17

根据计算结果制作出这5 个摆后，逐一测试并微调摆长。上课时，将这些摆分给学生，以小组为单位，测量出这5 个摆的摆线长度和15秒内的摆动次数。这里我没有一上来就让学生动手设计摆，而是只进行了简单的测量活动，这是因为只有经过了量摆长、测次数这个过程，学生才能开始理解摆长与次数的关系，并建立起初步的数值概念，最终获得一个可以参考的“脚手架”，为下一步正式开始设计摆做好准备。

接下来，我把这5 个摆挂在黑板上，让学生观察摆线的变化规律，进一步理解“摆的快慢与摆长有关，摆线越长，摆动越慢；摆线越短，摆动越快”。然后让学生根据测量出来的数据猜测一下黑板上缺失的其他8 个摆，即每15 秒摆动7，8，10，11，13，14，16，17 次的摆，它们摆长可能会是多少厘米。

由于刚刚经历了一个测量的过程，摆长和次数已经有了明确的数值参考，学生很容易就能推算出：每15 秒摆动7次的摆，摆长介于155cm 和69cm 之间，更接近155cm，可能有120cm 左右；每15 秒摆动8 次的摆，摆长也介于155cm和69cm 之间，但是更接近于69cm，可能有90cm 左右。其余几个摆，同样很容易推算出大概的摆长。

接下来，就是验证猜测的过程。把制作这8 个摆分成4组，临近的两个为一组，比如每15 秒摆动7 次和8 次的为一组，每15 秒摆动10 次和11 次的为一组，每个学习小组选择一组摆进行验证制作。

比如某个小组选择了每15 秒摆动7次和8 次的摆，先验证制作每15 秒摆动7次的摆，就先制作一个摆线长度为120cm 的摆，然后用秒表测试15 秒内的摆动次数，如果发现15 秒内摆动次数多于7 次，就说明摆得快了，也就说明摆线短了，要适当增加摆长；如果测试发现15秒内摆动次数少于7 次，则说明摆得慢了，也就说明摆线长了，要适当缩短摆长。这样，经过几次微调，就可以得出一个比较准确的数值。用同样的方法，可以制作出每15秒摆动8次的摆。

为了培养学生的误差意识，我采取了多组制作一个摆的方式。需要制作的摆只有4组，而学生的小组数则多得多，这样每组摆都至少有两个小组进行验证制作，多个小组之间可以互相印证、对比，从而得到一个比较精确的结果。

学生制作完成后，把学生设计的摆按顺序挂在黑板上的缺失处，让学生观察呈现出了什么图形。学生很容易就可以观察出：摆线越长，摆动越慢；摆线越短，摆动越快。而且随着摆动次数的增加，摆长会变得越来越短，但变化是不均匀的。每15秒摆6次和摆8次的两个摆，摆长相差很大，但是摆17 次和摆18 次的两个摆，摆长就相差很小，总体来看，相邻两个摆的摆长差距是越来越小的。把所有摆锤用线连接起来后，在黑板上就形成了摆长计算公式的函数曲线，虽然学生现在学不到这么高深的知识，但是可以借此初步领略到数学之美。

三、经验和教训

摆长设计实验属于开放性的设计任务，对学生的要求很高，难以当堂完成。而修改之后的摆长设计实验，先让学生通过测量活动，得出明确的数值，获得了一个可以倚靠的“脚手架”，然后以此为参考，先估计摆长，再进行实际的验证，最终制作出比较精确的摆。实验经过这样的修改之后，层层递进，化解困难，将开放式的高难度设计问题，转变成了低难度的验证制作，对学生的要求低了许多。这大大减少了学生盲目尝试的次数，保护了学生动手制作的积极性，让学生真正完成了知识的内化，又体验了动手的乐趣，提高了课堂效率。作为小学科学教师，在实验教学中，我们不应拘泥于教材，要根据学情，为学生搭好“脚手架”，灵活调整教学设计，这样才能获得更好的教学效果。