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小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的模擬實(shí)驗
《小學(xué)科學(xué)課程標準》中指出：“小學(xué)科學(xué)課程是以培養科學(xué)素養為宗旨的科學(xué)啟蒙課程�？茖W(xué)學(xué)習要以探究為核心�！笨茖W(xué)實(shí)驗是培養科學(xué)素養和科學(xué)探究能力的主要方式之一，其中的模擬實(shí)驗屬于綜合科學(xué)過(guò)程技能，有利于充分發(fā)揮學(xué)生的想象力、洞察力、判斷力，提高處理問(wèn)題能力、自我建構的認知能力，啟迪學(xué)生創(chuàng )造性思維,培養創(chuàng )造能力。
1.模擬實(shí)驗的概念及類(lèi)型
模擬實(shí)驗是根據研究對象的本質(zhì)特性，建立或選擇一種與研究對象相似的模型，用間接的方法在模型上進(jìn)行實(shí)驗研究，再將研究的結果推廣到對象客體中去，從而達到解釋、認識對象的目的。模擬實(shí)驗的主要類(lèi)型：從實(shí)驗目的上可分為：驗證已知、探索未知、檢驗成果；從實(shí)驗方式上可分為：實(shí)物模擬、情境模擬、數字模擬。
模擬實(shí)驗是對直接實(shí)驗的必要補充：有利于研究及其宏觀(guān)或微觀(guān)的對象，培養學(xué)生的空間能力、有利于研究存在時(shí)間和周期過(guò)長(cháng)或過(guò)短的對象，具有實(shí)踐性、探究性；體現了學(xué)習內容的豐富性、深刻性。
2.小學(xué)科學(xué)模擬實(shí)驗的一般過(guò)程
小學(xué)科學(xué)中常見(jiàn)的模擬實(shí)驗有三類(lèi)。模擬運動(dòng)：模擬晝夜、四季、月相的規律等。模擬成因：模擬火山、地震、巖石風(fēng)化、地表變化，模擬風(fēng)、雨、露的形成等。模擬原理：模擬呼吸運動(dòng)、血液循環(huán)、輪船模擬實(shí)驗等。
模擬實(shí)驗的一般過(guò)程：
2.1掌握原理
理解前提是模擬實(shí)驗的基礎，因為只有了解客觀(guān)事物的現象、認識到研究對象的本質(zhì)、準確的描述原型，才能構建對應的模型，進(jìn)行模擬實(shí)驗，解釋現象。
如果把研究對象的每個(gè)部分看成是一個(gè)要素，各個(gè)要素通過(guò)發(fā)揮各自不同的作用聯(lián)系在一起，那么就構成了一個(gè)相對統一、封閉的系統，其中要素與要素之間、要素與系統之間的聯(lián)系就是這個(gè)研究對象的內部構造和學(xué)習的知識點(diǎn)。要在建立模型前，使學(xué)生充分了解研究對象存在的客觀(guān)事實(shí)、現象，并且掌握產(chǎn)生這一現象的成因、原理等相關(guān)知識。
例如：在做模擬晝夜、四季變化等模擬實(shí)驗之前，學(xué)生應該知道一天有晝夜變化、一年有四季變化這種自然現象；掌握有關(guān)晝夜、四季成因的知識，即晝夜和四季的成因是地球自轉和公轉的結果；知道地球自轉和公轉的方向和形式，以及與太陽(yáng)、月球的位置關(guān)系等。又如：在做月相成因模擬實(shí)驗前，學(xué)生應知道每月月相變化的現象，知道月相變化的成因，觀(guān)察過(guò)月相、畫(huà)過(guò)月相圖。
因此，教師在教學(xué)中應運用多種教學(xué)方法、通過(guò)多種手段幫助學(xué)生觀(guān)察相關(guān)自然現象、理解知識、認識原理或成因，以便較準確的反映客觀(guān)事實(shí)，增強模擬實(shí)驗的實(shí)效性。
2.2建構模型
模型是對研究對象（原型）的簡(jiǎn)單化模擬�？煞譃椋何锢砟M、概念模型、數學(xué)模型。模型可以是一個(gè)裝置、一個(gè)計劃、一份草圖、一個(gè)等式、一個(gè)計算機程序，甚至僅僅是一種想象，其價(jià)值在于能夠解釋原型的本質(zhì)或其運動(dòng)機理。
2.2.1建構思維模型：即設計實(shí)驗。通過(guò)對研究對象（原型）的認識、理解，構思、設計一個(gè)可以解釋對象的模擬實(shí)驗，詳細寫(xiě)出實(shí)驗內容、實(shí)驗目的、實(shí)驗原理、實(shí)驗步驟、實(shí)驗記錄單和預期效果、畫(huà)出實(shí)驗裝置草圖等。
這里滲透著(zhù)“猜想——假設——驗證”的思維過(guò)程，教師要幫助學(xué)生挖掘相關(guān)素材、引導學(xué)生有目的設計周密的研究計劃。
2.2.2構建物理模型：選擇恰當的儀器、材料、工具等組裝模擬裝置（模型）。要讓學(xué)生知道模型中每種材料“相當于”原型中的哪個(gè)要素，要明確實(shí)驗材料與客觀(guān)對象的一一對應關(guān)系，即要分清楚“用什么模擬什么”、“怎樣模擬”，這是做好模擬實(shí)驗的關(guān)鍵。意義在于應用簡(jiǎn)單實(shí)物，通過(guò)想象、類(lèi)比和模仿等手段與研究對象建立關(guān)聯(lián)，研究對象的本質(zhì)、找到規律，得出結論。例如：在應用三球儀模型做月相成因模擬實(shí)驗時(shí)的一一對應關(guān)系是：
手電筒——太陽(yáng)地球儀——地球小足球——月球
建構模型是進(jìn)行模擬實(shí)驗的前提，實(shí)驗結果的真實(shí)性取決于模型和原型的相似度，或模仿實(shí)驗條件的真實(shí)程度。例如：用沙盤(pán)、噴壺模擬雨水沖刷、河流搬運對地表改變的作用實(shí)驗，如果水流量不夠或沙盤(pán)過(guò)小，都會(huì )影響模擬效果。因此，在選擇實(shí)驗材料時(shí)，應注意提高模型或實(shí)驗條件與原型的相似度，增強模擬實(shí)驗的可信度。
2.3收集資料
2.3.1模擬實(shí)驗：按照實(shí)驗步驟，應用模型，按照研究對象的運行規律、形成機理等，進(jìn)行推測性的模仿，演繹其變化過(guò)程。例如：用手電筒和地球儀模擬晝夜的成因，實(shí)驗中要認真細致，要注意保持“太陽(yáng)”和“地球”相對位置的穩定性，盡量接近原型、縮短誤差。
2.3.2觀(guān)察記錄：觀(guān)察實(shí)驗現象與原型中的現象是否一致或相似，理解實(shí)驗現象的本質(zhì)。在仔細觀(guān)察的同時(shí)，通過(guò)測量、畫(huà)圖、拍照等方式認真記錄實(shí)驗現象。例如：在假設太陽(yáng)（手電筒）相對不動(dòng)的情況下，觀(guān)察地球儀上一個(gè)確定的觀(guān)察點(diǎn)（北京）在受光面、背光面以及左右側光面四個(gè)位置上受到光照的變化，模擬出晝夜變化。又如：畫(huà)出用酒精燈、冷玻璃片、燒杯、水等材料模擬雨的形成實(shí)驗簡(jiǎn)圖；用拍照方式記錄模擬生態(tài)園（生態(tài)瓶）各個(gè)時(shí)間段的變化情況研究如何維持一個(gè)小的生態(tài)系統內的平衡。
2.4形成認識
通過(guò)模擬實(shí)驗收集資料，把觀(guān)察記錄的資料進(jìn)行歸納推理，得出結論，印證原型中的現象、原理、成因等機理的本質(zhì)，最終形成正確的認識。在小組內討論交流；在全班解釋現象、發(fā)布觀(guān)點(diǎn)。
2.5擴展認識
2.5.1理想化與局限性。要引導學(xué)生對模擬實(shí)驗與客觀(guān)對象做進(jìn)一步的比較，使學(xué)生知道這種所謂的模擬實(shí)驗具有很大的理想化成分，是對研究對象本身做了“概括”、對實(shí)驗環(huán)境做了“限制”、對事物運動(dòng)變化過(guò)程做了“簡(jiǎn)化”，使豐富的環(huán)境、多變的事物、復雜的過(guò)程概括為“簡(jiǎn)單”，成為一個(gè)“理想實(shí)驗”。但正是因為這種實(shí)驗對影響事物變化的因素做了限制，使大多數因素“固定”、“不變”，只研究其中部分因素引起的變化，因而具有“局限性”。例如：模擬火山實(shí)驗中，加熱用厚土豆泥覆蓋的番茄醬，直至番茄醬噴出，但是事實(shí)上巖漿的運動(dòng)變化是沒(méi)有規律可循、非常復雜的，并不像模擬的那樣單一。要讓學(xué)生明確知道模擬實(shí)驗雖然能夠解釋客觀(guān)事物的一些本質(zhì)特征，但是具有主觀(guān)性，與客觀(guān)實(shí)際有明顯差距，不能用模擬實(shí)驗完全代替對客觀(guān)事物本身的觀(guān)察、記錄，有時(shí)不正確的模擬實(shí)驗還會(huì )把人引入歧途。
2.5.2模擬的還原
所謂還原，就是要將研究的結果推廣、還原到研究對象中去，讓學(xué)生最終從模擬的情境中走出來(lái)，回到真實(shí)的現實(shí)中來(lái)，認識到剛才的實(shí)驗只是一個(gè)簡(jiǎn)單的模仿，手電筒、地球儀、小足球等還是它自己，與真實(shí)的、客觀(guān)存在的太陽(yáng)、地球、月球的實(shí)際其情況是不同的，模擬的運行軌跡和方式與真實(shí)的客觀(guān)事實(shí)是不完全相同的、甚至有很大差異。例如：模擬四季的成因實(shí)驗，我們往往描述的是地球近日點(diǎn)、遠日點(diǎn)某一時(shí)刻的位置，以表示不同季節。但是我們要讓學(xué)生知道：事實(shí)上所有的星體、萬(wàn)事萬(wàn)物時(shí)時(shí)刻刻都在永不停息的運動(dòng)著(zhù)，我們定格在某一時(shí)刻、某一位置的“點(diǎn)”上的實(shí)驗只是簡(jiǎn)單化的模仿、是一個(gè)“理想化”的狀態(tài)，使學(xué)生用客觀(guān)眼光看待事物，知道模擬實(shí)驗并非是客觀(guān)實(shí)際的真實(shí)反映，從而培養學(xué)生嚴謹求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。
3.過(guò)程評價(jià)
教師要發(fā)揮科學(xué)教育的導向性功能，指導學(xué)生掌握進(jìn)行模擬實(shí)驗的方法，適時(shí)評價(jià)他們的得失和正誤。培養學(xué)生的探究能力，學(xué)會(huì )通過(guò)實(shí)驗印證預測的成因、形成自己的認識。在擴展認識階段應注意全面的引導性評價(jià)，培養創(chuàng )造精神和嚴謹求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。
總之，在模擬實(shí)驗中掌握原理是基礎，構建模型是關(guān)鍵，收集資料和形成認識是重點(diǎn)，擴展認識、過(guò)程評價(jià)是保證。教師可以應用個(gè)別指導、集體討論、演示指導等多種方法指導學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗，在模擬實(shí)驗中逐漸培養學(xué)生的科學(xué)素養。
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