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1、用橡皮筋作动力实验设计改进研究教科版小学科学教材五上第四单元运动和力教材以小车作为研究载体，进行重力、弹力、反冲力及弹力等研究，是学生喜爱的教学活动。然而在实践教学活动中会发现，本单元原有的实验设计或多或少存在一些缺陷，特别是实验研究的工具小车，在材料和质量上存在问题，这种问题使得学生的研究难以取得令人满意的效果，这种缺陷在第二课用橡皮筋作动力的教学活动中，显现的尤为明显。针对发现的问题，笔者通过优化教学设计、改进实验材料等方法进行过多次尝试，本文就针对这一课的改进和反思，供大家探讨。一、原教材中的实验设计与不足用橡皮筋作动力一课是教科版小学科学五年级上的教材内容，主要的教学活动是“利用橡皮筋
2、的弹力作为动力使小车运动”。具体包含两部分，一是安装用橡皮筋驱动的小车及探究橡皮筋的缠绕方向与小车行驶的方向的关系，二是研究橡皮筋缠绕的圈数与小车行驶距离的关系，并在此基础上明确“弹力”概念，知道用橡皮筋作动力的小车运动的动力来源于橡皮筋的弹力，弹力的大小决定小车运动的距离，进而明白为什么“橡皮筋缠绕的圈数越多小车能运动越远”。第一个活动是第二个活动的铺垫。本节课的重点是“弹力”的研究，这也与本单元运动和力主题中的“力”的研究相吻合。第一课的重力，以及后面的反冲力和摩擦力都是围绕力展开的，所以实验的设计的重点应该落在弹力的研究上，缠绕方向只是一个辅助研究。如果本课以橡皮筋驱动小车前进作为研究载
3、体，那么实验的成功关键在于实验材料的选择上。然而一般的皮筋拉伸后产生的弹力较大，而且这个力会在瞬间爆发，很难控制其释放，所以实验中很容易出现打滑的现象。当然针对一现象，很多一些老师已经有了改进，既通过加大摩擦力的方法来改进，如增加轮和地面之间的摩擦系数、增加车身的重量等。但是即使这做了，实验效果也还是难令人满意。教材工具箱配套的小车（如图1）所采用的材料和制作工艺都比较粗糙，使得学生想用它来进行理想的研究存在一定困难。主要有以下问题：1. 小车利用螺丝螺母进行固定，松紧难把握，小车的框架不稳定，而且多次使用后铁制品容易生锈；2. 轮胎的材质为塑料。塑料极易损坏，且较为光滑，易打滑；3. 小车的
4、轴会左右滑动，所以在实验中小车经常跑偏，给测量增加干扰。4. 轴上的塑料圆环孔较小，使橡皮筋固定和缠绕变的困难； 图1 图2所以配套实验器材的局限性影响和制约了学生的探究效率及实验效果。学生实验探究的时间，往往花费在小车的调整处理上。那么如何改进用橡皮筋作动力一课关于弹力研究的实验，笔者通过多次尝试，重新设计了两种改进方案。二、改进后的实验设计与优缺点 第一种改进优化实验载体针对教材中原有实验设计及器材不足，改进的关键是寻找合适的材料，也就是寻找较为合适的小车，替代配套小车。由于笔者一直从事学校机器人社团辅导工作，对乐高积木非常熟悉，也经常带领学生利用积木搭建小车进行各项研究。乐高的积木套件制
5、作的小车（如图2）相比原教材中的小车更具优越性。主要表现在以下几个方面：1.乐高积木的精度非常高，精度公差仅为0.002毫米，轮子采用的橡胶跟真实汽车轮胎材质相同，所以这两个特点使制作出来的小车抓地能力强，不易打滑。2.小车的搭建不需要借助工具，可以通过简单梁、片、轴简单的组合就可制作出小车，且小车的结构采用两孔的片（四个固定点）固定，使小车的结构非常稳定，给小车走直线提供保障。3.如图2所以，小车橡皮筋缠绕简单，极易学生操作。4.小车橡皮筋不仅缠绕简单，而且橡皮筋脱落也非常容易，可以高效离合，避免小车回弹。采用乐高积木构建的小车，可以有效的解决原器材中的关键问题，为学生用橡皮筋作动力研究提供
6、了实验基础。这样改进后，解决了实验材料对实验的制约，通过课堂实践教学发现，不仅能使学生通过研究较为容易的发现，小车行驶方向与橡皮筋缠绕有关，橡皮筋缠绕圈数越多，小车行驶距离越远。而且还可以通过合理的控制变量对橡皮筋的弹力进行更加深入的研究，直指本课研究重点弹力。弹力是橡皮筋形变后产生的，弹力的大小跟橡皮筋形变的大小有关，理想中的橡皮筋产生的弹力是线性的。橡皮筋在弹力范围内，形变距离相等，产生的弹力也一样，这也是弹簧测力计的原理，也是本课第三个活动，制作简易弹力测量计的基础。笔者在改进实验材料的基础上，对本实验设计中的变量控制进行过尝试，在2014年吴兴区和南浔区联合教研活动中开设用橡皮筋作动力
7、一课进行实践，设计了如下表格1、表格2。 表格1全班研究汇总表 圈数组号2圈4圈6圈123456789101112 表格2表格1为学生小组研究记录表，橡皮筋缠绕圈数一栏空白。让学生自主讨论设置变量，最后通过组织全班学生讨论，最后确定本节课大家一起来研究：2圈、4圈、6圈。2、4、6三个数字不仅有等差关系，同时还存在倍数关系。这样的设计为最后的数据分析得出更多的发现提供基础。橡皮筋在发生等差变化或者倍数变化时，产生的弹力是否也成等差关系或者倍数关系。是否能够揭示橡皮筋弹力线性变化这一规律。学生在课堂上反馈了很多组数据，具有代表性的如：1、3、5；5、10、15；3、6、9；1、4、7；2、4、6
8、；学生在设置变量的时候，往往能想到数据之间的等差关系或者倍数关系，但是很少有学生把这两者联系在一起，当然把这两者联系在一起需要学生有较高的研究能力和较好的数感。但是通过合理的讨论，肯定每一组数据研究的意义，但是课堂时间有限，全班同学都能认同研究2、4、6这组数据确实有事半功倍的效果。表格2为全班研究汇总表。在分析自己数据的同时，对比分析同学的研究，看大家的研究是否都指向同一规律，或者存在的差异及这种差异产生的原因的分析。汇总表的圈数一栏比小组记录单中多出两列，分别介于2和4、4和6之间，这样设计的目的在于学生发现弹力变化规律后，对知识的迁移应用，通过实测的已知数据来猜测未知的3圈和5圈的距离。
9、从而体会数据的测量研究的意义，及科学的猜测是建立在一定的实测和数据分析之上的。通过这样的设计，不仅能是学生得出缠绕圈数多，小车行驶的远，甚至可以得出远多少，大概在哪里；行驶多远需要缠绕几圈等。大量的理性分析，可以有效帮助学生认识弹力的本质。这样的改进笔者除了在区级研讨活动中开课（图3：学生活动照片）以后也多次在常态教学中进行实验，虽然解决原有实验设计和材料的不足，但是这种改进也还有缺点：一是这种小车精密对非常高，对弹力控制非常好，稍微绕几圈就跑的非常远，增加了学生测量的量；二是乐高积木质量好，但价格也贵，在一般学校普及大规模使用还需要时间。 图3：学生活动用橡皮筋作动力的小车，除了通过缠绕橡皮
10、筋可以给小车提供动力以外，还是很多其他方法，如图4、图5所示。 图4 图5图3、图4为使用乐高积木搭建的其他弹力小车，这种小车的特点在于不需要缠绕橡皮筋，通过齿轮的巧妙转换，直接拉伸橡皮筋就可以给小车提供动力，使学生直接进行形变距离和弹力大小关系研究。通过合理的变量控制设计，也能达到较好的教学效果。综合来说，使用小车进行研究的缺点还有一个缺点，就是对场地依赖较大。第二种改进置换实验载体因为本节课的重点在弹力产生的动力研究，而不是小车开多远。所以笔者又想到可否置换实验载体小汽车，改用航模的橡皮筋飞机。因为这两者在动力产生中有着同样的原理，都通过缠绕橡皮筋使螺旋桨产生动力，从而驱动飞机模型飞行。实
11、验中我们可以通过改变圈数的方法是研究飞机的滞空时间。当然这样的改进也存在一定的问题。一是飞机操作需要一定的基础，而且要是飞机飞行橡皮筋缠绕的圈数较大，比较费时。二是这种飞机模型同样对场地要求非常高，需要较大的场地进行研究。针对以上存在的问题，我采用折中的办法，既采用橡皮筋做动力的飞行装置橡皮筋直升机（图5）进行置换后的优化，这种直升机制作及操作简单，且占地小，价格便宜，方便普及。 图5利用橡皮筋直升机作为本课活动内容，同样也是研究弹力问题。仅是改变了活动载体，其目标和本质是一致的。用橡皮筋作动力的直升机也可以通过如方法一中合理的变量设计进行精确的数据研究，也能达到较好的效果。三、实验改进设计的
12、思考与总结通过一次次的发现问题，到根据问题的每一次改进，再到改进后的课堂教学实践。笔者发现旧问题的解决，通常伴随着新问题的发现，这使得任何一种改进都无法达到完美的效果，但是这种残缺或者是遗憾也是非常有价值的，是学生一次次亲身经历探究后收获的果实，学生也许会感到遗憾，如为什么我的研究结果是不对的。学生用原始配套的器材进行研究，别的小组得出了正确的结论，自己小组却得出完全相反的结果。那么这样的研究是否就没有意义，当然不是，有偏差的结果的发现会驱动进一步研究，而进一步研究肯定是更深层次的研究，是指向问题本质的研究，正如本文中所写的那样。但是排除了外在的干扰后，学生的研究就能顺风顺水吗？其实也不见得，
13、笔者多次利用改进方案一进行课题教学实践，这样那样的问题同样存在，也许会减少一点，但是也会带来很多意想不到的新问题。从理论上讲，或者笔者亲自进行实验操作，按照笔者的设计进行可以得到很准确的实验数据。但是反思一下，如果笔者去操作，那么就失去实验探究未知的意义，因为笔者很清楚结论，实验数据肯定会去靠近结论。学生操作就不一样，学生不知道结论，他们会按照他们的方法或者想法进行实验，从而得到不一样的实验结果。那么这样一次次的实验改进意义在哪里？这个意义就是排除了一些非必要因素的干扰。所以实验改进不是排除所有干扰，而是排除不必要的干扰，老师可以改进实验材料上的缺陷，但是不能改变学生思考的可能。在改进实验设计的同时，要考虑保留学生出错的机会，要保留学生思考的残缺，要保留学生亲身经历发现问题的权利。所以总的来说，针对本节课的实验改进设计，也仅仅是优化材料，拓展思维上，而不是千篇一律的验证结果。通过这样的活动使学生体会和明白测量与实验的作用，本节课的实验改进，通过合理的变量设计，学生会发现原来实验测得的数据不仅可以发现规律，还都是可以应用的。实验设计的改进不只是要帮学生能更好的得到结果，而是能不断拓展学生思维，体验实验带来乐趣。6