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小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的模擬實(shí)驗(yàn)
《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出：“小學(xué)科學(xué)課程是以培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)為宗旨的科學(xué)啟蒙課程。科學(xué)學(xué)習(xí)要以探究為核心。”科學(xué)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)探究能力的主要方式之一，其中的模擬實(shí)驗(yàn)屬于綜合科學(xué)過程技能，有利于充分發(fā)揮學(xué)生的想象力、洞察力、判斷力，提高處理問題能力、自我建構(gòu)的認(rèn)知能力，啟迪學(xué)生創(chuàng)造性思維,培養(yǎng)創(chuàng)造能力。
1.模擬實(shí)驗(yàn)的概念及類型
模擬實(shí)驗(yàn)是根據(jù)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(yàn)研究，再將研究的結(jié)果推廣到對象客體中去，從而達(dá)到解釋、認(rèn)識對象的目的。模擬實(shí)驗(yàn)的主要類型：從實(shí)驗(yàn)?zāi)康纳峡煞譃椋候?yàn)證已知、探索未知、檢驗(yàn)成果；從實(shí)驗(yàn)方式上可分為：實(shí)物模擬、情境模擬、數(shù)字模擬。
模擬實(shí)驗(yàn)是對直接實(shí)驗(yàn)的必要補(bǔ)充：有利于研究及其宏觀或微觀的對象，培養(yǎng)學(xué)生的空間能力、有利于研究存在時(shí)間和周期過長或過短的對象，具有實(shí)踐性、探究性；體現(xiàn)了學(xué)習(xí)內(nèi)容的豐富性、深刻性。
2.小學(xué)科學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)的一般過程
小學(xué)科學(xué)中常見的模擬實(shí)驗(yàn)有三類。模擬運(yùn)動：模擬晝夜、四季、月相的規(guī)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(yùn)動、血液循環(huán)、輪船模擬實(shí)驗(yàn)等。
模擬實(shí)驗(yàn)的一般過程：
2.1掌握原理
理解前提是模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，因?yàn)橹挥辛私饪陀^事物的現(xiàn)象、認(rèn)識到研究對象的本質(zhì)、準(zhǔn)確的描述原型，才能構(gòu)建對應(yīng)的模型，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，解釋現(xiàn)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)要素通過發(fā)揮各自不同的作用聯(lián)系在一起，那么就構(gòu)成了一個(gè)相對統(tǒng)一、封閉的系統(tǒng)，其中要素與要素之間、要素與系統(tǒng)之間的聯(lián)系就是這個(gè)研究對象的內(nèi)部構(gòu)造和學(xué)習(xí)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事實(shí)、現(xiàn)象，并且掌握產(chǎn)生這一現(xiàn)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(yàn)之前，學(xué)生應(yīng)該知道一天有晝夜變化、一年有四季變化這種自然現(xiàn)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(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的結(jié)果；知道地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的方向和形式，以及與太陽、月球的位置關(guān)系等。又如：在做月相成因模擬實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生應(yīng)知道每月月相變化的現(xiàn)象，知道月相變化的成因，觀察過月相、畫過月相圖。
因此，教師在教學(xué)中應(yīng)運(yùn)用多種教學(xué)方法、通過多種手段幫助學(xué)生觀察相關(guān)自然現(xiàn)象、理解知識、認(rèn)識原理或成因，以便較準(zhǔn)確的反映客觀事實(shí)，增強(qiáng)模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)效性。
2.2建構(gòu)模型
模型是對研究對象（原型）的簡單化模擬。可分為：物理模擬、概念模型、數(shù)學(xué)模型。模型可以是一個(gè)裝置、一個(gè)計(jì)劃、一份草圖、一個(gè)等式、一個(gè)計(jì)算機(jī)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(yùn)動機(jī)理。
2.2.1建構(gòu)思維模型：即設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。通過對研究對象（原型）的認(rèn)識、理解，構(gòu)思、設(shè)計(jì)一個(gè)可以解釋對象的模擬實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)寫出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)記錄單和預(yù)期效果、畫出實(shí)驗(yàn)裝置草圖等。
這里滲透著“猜想——假設(shè)——驗(yàn)證”的思維過程，教師要幫助學(xué)生挖掘相關(guān)素材、引導(dǎo)學(xué)生有目的設(shè)計(jì)周密的研究計(jì)劃。
2.2.2構(gòu)建物理模型：選擇恰當(dāng)?shù)膬x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(dāng)于”原型中的哪個(gè)要素，要明確實(shí)驗(yàn)材料與客觀對象的一一對應(yīng)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(yàn)的關(guān)鍵。意義在于應(yīng)用簡單實(shí)物，通過想象、類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(guī)律，得出結(jié)論。例如：在應(yīng)用三球儀模型做月相成因模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)的一一對應(yīng)關(guān)系是：
手電筒——太陽地球儀——地球小足球——月球
建構(gòu)模型是進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的前提，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性取決于模型和原型的相似度，或模仿實(shí)驗(yàn)條件的真實(shí)程度。例如：用沙盤、噴壺模擬雨水沖刷、河流搬運(yùn)對地表改變的作用實(shí)驗(yàn)，如果水流量不夠或沙盤過小，都會影響模擬效果。因此，在選擇實(shí)驗(yàn)材料時(shí)，應(yīng)注意提高模型或?qū)嶒?yàn)條件與原型的相似度，增強(qiáng)模擬實(shí)驗(yàn)的可信度。
2.3收集資料
2.3.1模擬實(shí)驗(yàn)：按照實(shí)驗(yàn)步驟，應(yīng)用模型，按照研究對象的運(yùn)行規(guī)律、形成機(jī)理等，進(jìn)行推測性的模仿，演繹其變化過程。例如：用手電筒和地球儀模擬晝夜的成因，實(shí)驗(yàn)中要認(rèn)真細(xì)致，要注意保持“太陽”和“地球”相對位置的穩(wěn)定性，盡量接近原型、縮短誤差。
2.3.2觀察記錄：觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與原型中的現(xiàn)象是否一致或相似，理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的本質(zhì)。在仔細(xì)觀察的同時(shí)，通過測量、畫圖、拍照等方式認(rèn)真記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。例如：在假設(shè)太陽（手電筒）相對不動的情況下，觀察地球儀上一個(gè)確定的觀察點(diǎn)（北京）在受光面、背光面以及左右側(cè)光面四個(gè)位置上受到光照的變化，模擬出晝夜變化。又如：畫出用酒精燈、冷玻璃片、燒杯、水等材料模擬雨的形成實(shí)驗(yàn)簡圖；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(tǒng)內(nèi)的平衡。
2.4形成認(rèn)識
通過模擬實(shí)驗(yàn)收集資料，把觀察記錄的資料進(jìn)行歸納推理，得出結(jié)論，印證原型中的現(xiàn)象、原理、成因等機(jī)理的本質(zhì)，最終形成正確的認(rèn)識。在小組內(nèi)討論交流；在全班解釋現(xiàn)象、發(fā)布觀點(diǎn)。
2.5擴(kuò)展認(rèn)識
2.5.1理想化與局限性。要引導(dǎo)學(xué)生對模擬實(shí)驗(yàn)與客觀對象做進(jìn)一步的比較，使學(xué)生知道這種所謂的模擬實(shí)驗(yàn)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(yàn)環(huán)境做了“限制”、對事物運(yùn)動變化過程做了“簡化”，使豐富的環(huán)境、多變的事物、復(fù)雜的過程概括為“簡單”，成為一個(gè)“理想實(shí)驗(yàn)”。但正是因?yàn)檫@種實(shí)驗(yàn)對影響事物變化的因素做了限制，使大多數(shù)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(yàn)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(yùn)動變化是沒有規(guī)律可循、非常復(fù)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(yàn)雖然能夠解釋客觀事物的一些本質(zhì)特征，但是具有主觀性，與客觀實(shí)際有明顯差距，不能用模擬實(shí)驗(yàn)完全代替對客觀事物本身的觀察、記錄，有時(shí)不正確的模擬實(shí)驗(yàn)還會把人引入歧途。
2.5.2模擬的還原
所謂還原，就是要將研究的結(jié)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，回到真實(shí)的現(xiàn)實(shí)中來，認(rèn)識到剛才的實(shí)驗(yàn)只是一個(gè)簡單的模仿，手電筒、地球儀、小足球等還是它自己，與真實(shí)的、客觀存在的太陽、地球、月球的實(shí)際其情況是不同的，模擬的運(yùn)行軌跡和方式與真實(shí)的客觀事實(shí)是不完全相同的、甚至有很大差異。例如：模擬四季的成因?qū)嶒?yàn)，我們往往描述的是地球近日點(diǎn)、遠(yuǎn)日點(diǎn)某一時(shí)刻的位置，以表示不同季節(jié)。但是我們要讓學(xué)生知道：事實(shí)上所有的星體、萬事萬物時(shí)時(shí)刻刻都在永不停息的運(yùn)動著，我們定格在某一時(shí)刻、某一位置的“點(diǎn)”上的實(shí)驗(yàn)只是簡單化的模仿、是一個(gè)“理想化”的狀態(tài)，使學(xué)生用客觀眼光看待事物，知道模擬實(shí)驗(yàn)并非是客觀實(shí)際的真實(shí)反映，從而培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。
3.過程評價(jià)
教師要發(fā)揮科學(xué)教育的導(dǎo)向性功能，指導(dǎo)學(xué)生掌握進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的方法，適時(shí)評價(jià)他們的得失和正誤。培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，學(xué)會通過實(shí)驗(yàn)印證預(yù)測的成因、形成自己的認(rèn)識。在擴(kuò)展認(rèn)識階段應(yīng)注意全面的引導(dǎo)性評價(jià)，培養(yǎng)創(chuàng)造精神和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。
總之，在模擬實(shí)驗(yàn)中掌握原理是基礎(chǔ)，構(gòu)建模型是關(guān)鍵，收集資料和形成認(rèn)識是重點(diǎn)，擴(kuò)展認(rèn)識、過程評價(jià)是保證。教師可以應(yīng)用個(gè)別指導(dǎo)、集體討論、演示指導(dǎo)等多種方法指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，在模擬實(shí)驗(yàn)中逐漸培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。
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