自制土壤渗水性监测仪创新实验教学

◇袁甜甜（广东：深圳市龙华区未来小学）

一、研究背景

当前，在小学科学教学中，广大教师秉持着面向全体学生的课程理念。笔者在教学实践中发现，教材中涉及的实验往往实验现象比较明显且差别较大，故往往借助简单的实验材料就可以完成，但也有一小部分实验的成功率不稳定，实验效果不明显或有可优化的空间。多数科学创新实验教具致力于放大实验现象、精确实验数据、具象化实验现象等，以求得出更理想的实验结论以帮助学生理解和记忆。同时，有一些教具，对于学生和教师来说也具有一定的拔高性和挑战性。比如一些小学科学教育发展较快的地区，自制教具中也经常出现多种类型传感器、多通道的数据采集器、自主操纵平台和函数图像能力，实现数据同步采集、处理和描述，为科学实验教学和研究带来新的理念和创新性的数字化手段。

本课《比较不同的土壤》的自制创新实验装置立足于培养学生的推理论证能力、创新思维能力和模型建构能力；着眼于四年级科学态度的学段目标“学生乐于尝试运用多种材料、多种思路、多样方法完成科学探究，体会创新乐趣”；基于自制实验教具的启发性和直观性原则进行改进创新。鼓励和引导学生从不同角度分析和思考问题，综合多种实验现象得出结论，从而加深他们对知识的理解，提高学习的效率，并能进一步进行抽象和概括，运用模型分析和解释现象。

二、教材中原实验的不足

教科版科学四年级上册《比较不同的土壤》原实验中的土壤渗水实验成功率不高，尤其是黏质土和壤土的实验结果可能比较接近，区分度不高甚至出现相反的结果，一直是许多科学老师集体教研和改进的焦点之一。原实验装置主要存在以下不足。

（一）实验材料不理想，使用不规范

原实验使用的三种土壤在介绍的时候往往是趋于理想化的，在实际生活中往往很难寻找三种典型的土壤，网上购买的土壤经笔者多次对比，发现厂家对于同种土壤的认定存在差异，并不完全符合三种土壤的相应要求。如果直接拿来做实验，实验的成功是不能保证的，主要是壤土和黏质土的差别不大，甚至出现相反的结果。

原实验材料使用的是纱布包裹，除表层倒水处全部被纱布覆盖，水倒入含黏粒较多的黏质土土壤后无法马上吸收下渗，会出现积水的情况。此时会有部分水不经过土壤坡面而是直接被纱布吸收从土壤两侧流出，存在较大的实验误差，有时甚至能得到黏质土比壤土渗水性好的相反结论。

原实验的装土容器是漏斗状或是立方体状，其土壤厚度较浅，水流过土壤的时间较短，但土壤横截面较大，往往只有中间部分的土壤与水充分接触，旁边土壤接触较少，因此实验误差较大。

（二）实验操作比较随意

原实验未明确要求倒水环节如何操作，学生直接倒水可能因倒水高度不一致、倒水速度也不一致而影响水流速度，进而将较为松软的土冲刷出印迹，会在一定程度上影响水下渗的速度，使得本就不甚明显的实验现象差别更加模糊。

（三）结果观察角度较为单一

原实验观察渗水性的强弱，主要是观察相同时间内渗出水的量，渗出的水多则渗水性高，反之则差。这是一个非常直接的观察角度，可以说是惯有的思维方式，然而关于渗水性不仅只有这一个角度，可观察的角度还有留在土壤中的水和积留在土壤表面的水等。由于不透明纱布的充分包裹，使得学生无法观察其余的两个方面，思维受到局限，有时会使学生在活动中错失发现的机会。且实验过程主要是等待最后结果，缺乏过程性的观察指标，学生难免觉得无聊。一旦唯一观察的指标出现小组间不一致的情况，实验结果的得出就会比较牵强，学生对于知识的掌握也会比较模糊。

三、实验的创新改进

自制土壤渗水仪的改进主要包括以下四点。其一，配置理想土壤，避免实验材料的差异及其对实操实验结果的影响；其二，实操实验中规范实验材料的使用和实验方法，减小实验误差；其三，借助传感器自动搜集和处理数据，精准量化实验结果；其四，丰富学生的观察角度，学生可以从更多角度直接观察实验现象，为提高实验成功率打开思路。

（一）实验仪器和药品

含有红色色素的自来水、铁架台、滴漏、直径为5cm 深度为6cm 的透明容器（底部有格栅）、小烧杯、湿度传感器、液位传感器、图表转化器（软件）、滤纸、三种不同的土壤。

（二）实验装置的改进

改进后的实验装置如图所示，具体改进如下。

土壤渗水性的区别主要是由于土壤颗粒大小不同所导致。现实中理想土壤的寻找是不容易的，因此增加了不同大小的泡沫塑料球来模拟三种不同的土壤进行实验操作或原理讲解。

将纱布改进成只覆盖土柱的底端，避免水直接经纱布的毛细作用向下运动进而渗出。在圆筒底部放置格栅，防止因土壤自重过大超出滤纸承重能力造成破损或掉落。

倒水环节标准化为滴漏装置，保持出水量、出水速度、出水方向的均匀一致，同时添加了可以调节水流速度的旋转阀门，避免出水速度过快造成的水溢出或土壤流失。

从结果的观察上，除了丰富出水环节如出水速度和出水量之外，我们将普通的自来水替换成含有红色色素的自来水，增加了水在土柱中的下行速度和土壤湿度等角度来观察水的下渗速度以及留在土壤中的水量。

借助两种传感器，即湿度传感器、液位传感器来进行实时数据的准确监测。三种土壤液位数据将根据程序后台处理、整合成一张折线图。

（三）实验探究过程

将滤纸垫在装土容器的底部，分别装入三种3cm高的土壤样品。

取三个滴漏分别装入50ml的红色色素水。

分别将装土容器、滴漏、含液位传感器的烧杯固定在铁架台上。

连接好传感器的线路，将湿度传感器插入土壤样本中。

在打开滴漏开关的同时开启数据测量和处理按钮，学生观察实验现象。

实验结束，清洗使用过的仪器，按顺序摆好，擦干净台面。

（四）实验现象

三种土壤加水后，水在土柱中下行速度最快的是沙质土，其次是壤土，最慢的是黏质土。

2 分钟计时结束后，沙质土表面没有积水，土壤湿度最小，烧杯中有大量渗下来的水；壤土有少量积水，土壤湿度其次，烧杯中有一定量渗下来的水；黏质土的积水最多，土壤湿度最大，烧杯中渗下来的水最少。

读取折线图数据，沙质土的渗水速度和渗水量最快最多，其次是壤土，折线坡度最缓、峰值最低的是黏质土。

四、创新实验的优点

（一）注重实验细节，关注实验主体

容器内的土壤与水充分接触，使得在渗水性这样一个侧重水向下传递的实验中充分体现实验主体，让不同的土壤间的差异得到更明显的呈现，放大了实验现象，提高了实验成功率。同时，规范实验操作可以让学生更加充分地理解对比实验的试验方法，即一次只改变一个条件的科学思考方法。

（二）多维思考，解决问题

原实验仅从一种角度观察实验现象，改进后的实验丰富为至少从三种角度观察结果，这也是对学生思维方式的培养。小学生的思维发展比较慢，需要日积月累的培养，是我们培养学生科学素养的重要一环，但在日常教学中，这样的训练，往往较为欠缺。

（三）创建理想模型，牢固知识掌握

土壤渗水性不同的原因主要是土壤颗粒组成比例的差异，增加的土壤模型既具象，又可以在一定程度上发展学生的抽象思维能力，帮助学生更直观地了解不同土壤渗水性的区别和原因，加深学习印象，锻炼学生模型建构能力。

五、教学效果

（一）改造实验装置，精确实验操作

本实验的三个实验，在教材中的实施较为简洁，但在实际操作中由于土壤等各方面的原因，尤其是渗水性实验中壤土和黏质土差异不大。通过精细化实验条件，确保无关变量对实验无干扰性，同时借助现代科技手段，将较为细微的差异放大并得到直观体现，学生在实验中收获正向反馈，同时润物无声地告诉学生，我们站在巨人的肩膀上，才能看得更远，树立对科学探索的向往和信心。

（二）增加观测指标，转换思考维度

“条条大路通罗马”，这句学生在生活中十分熟悉的话语，同样适用于科学探索。在渗水实验中，我们通过流出来的水、留下来的水和水是怎样下来三个角度来丰富学生对于土壤渗水性的判断，加强学生通过不同渠道搜集和处理信息的能力，更加立体、多维地思考问题。

（三）借助理想模型，深入思考本质

本实验教学，以前几课学习的知识为背景的理想模型，既是对旧知识进行整理和串联，化原本零散的知识点为完整的知识框架，又通过具体实验和理想模型相结合的方法，以实践为基础，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，帮助学生进入更深层的思考，更概括、更深刻地理解实验现象产生的原因和本质。