在自主建模中提高学生的科学素养
在自主建模中提高学生的科学素养 《运动与摩擦力》是教科版小学科学五年级上册第四单 元的第一课时，教材共安排了三个实验活动：1.测量物体运 动时摩擦力的大小。2.研究运动时摩擦力大小与接触面光滑 程度之间的关系。3.研究运动时摩擦力大小与物体重量的关系。其中，学 生亲历“测量物体运动时的摩擦力大小”，掌握测量、读取 数据的方法，是第二及第三个探究活动有效开展的前提。小 学科学课程标准指出，科学课以培养学生的科学素养为宗旨， 以科学探究作为最重要的学习目标和学习方式，并在教学过 程中体现“以生为本”的理念。基于学生科学素养的养成目 标，本课以学生已有的知识水平作为教学起点，选择改进和 创新实验装置作为切入点，让学生经历与实验方法相关联的 思维过程。
一、实验教学目标 五年级学生对摩擦力已有感性认识，且通过两年的科学 课学习，学生已掌握了对比实验的基本方法，具备采集数据 并进行简单分析的能力。基于课标、教材、学情，笔者将本 课的教学目标和教学重点、难点确定如下：
教学目标：1.通过设计实验、制作控制装置，测量物体 运动时的摩擦力大小。2.发展识别和控制变量、采集数据和 记录并运用数据进行分析得出结论、对研究问题做出合理解 释的探究技能。3.形成敢于提问、严谨实验、根据数据得出结论的科学 精神。
教学重点：1.掌握测量摩擦力大小的正确方法。2.准确 判断和读取数据。教学难点：通过控制变量，有效减小实验 数据误差。
二、实验内容设计 为了有效达成教学目标，笔者将本课实验内容设计为三 个部分：1.用弹簧测力计初次测量物体运动时的摩擦力。2. 用新装置重新测量（物体运动时的摩擦力）。3.设计实验探 究摩擦力大小与接触面光滑程度、物体重量的关系。
三、实验方法设计 （一）教材中实验介绍的不足 教材中用了这样一句话提出实验要求和实验方法：“我 们用测力计沿水平方向拉一个物体，刚好能使这个物体运动 起来的力就相当于它受到的摩擦力。”实验原理是根据物体 匀速运动时，拉力与摩擦力二力平衡，把测力计的示数作为 物体摩擦力的大小。在教学实践中，我们发现操作有以下困 难：第一，接触面的粗糙程度不同；
第二，普通弹簧测力计 随着拉伸次数增加，误差加大；
第三，人手拉动物体，无法 实现匀速。基于此得到的数据，测量同样的重物误差在 0.5~1.5N之间，数据误差较大，影响了接下来的实验，有的 小组甚至出现了粗糙面的摩擦力反而小的错误结论。（如图 1）（二）解决方案：自制摩擦力数字化实验装置 基于以上问题，沿用上述实验原理，我们自制了与程序 相配套的摩擦力数字化实验装置，以新技术助推科学探究， 有效解决问题。（如图2） 四、教学过程设计 （一）聚焦问题，创新教具 教学开始，学生用弹簧测力计初次测量物体运动时的摩 擦力，对比实验数据，发现误差大，讨论发现问题：人手拉 动物体无法做到匀速。此时，如何实现匀速是学生最想解决 的问题。因此，我们用“微型电机”代替人手提供动力，将 普通弹簧测力计更换为自制的带液晶显示屏的单片机测力 计，这是我们对仪器的第一次改进。
实验中还有一个重要现象：学生发现测力计的数据在测 量的过程中会出现3次波动。第一次，拉力<最大静摩擦力， 物体未动，测力计读数缓慢增加；
第二次，拉力>摩擦力， 物体运动起来，但是读数不平稳；
第三次，物体匀速运动时， 拉力相当于摩擦力。此时的数据才是符合我们要求的数据。
但是教材没有相关指导，以往学生是在教师的要求下做出的 数据选择，并非自主思考。所以，我们在第一次改进的基础 上，在摩擦力数字化实验装置中增加了传感器、转换器、接 收器，自主编写程序，将数据同步转换为图像，引导学生经 历与实验过程想关联的思维过程，准确地判断和选取数据， 用数据构建证据链，用数学化归纳和演绎科学事实。通过这样的改进，让学生在新的实验装置辅助下，学会探究和思考， 真正将科学核心素养的培养落到实处。
（二）用摩擦力数字化实验装置重复实验 学生利用改进后的实验装置进行了重复实验，改进后的 实验数据比对，误差能够缩小到0.1~0.2N。同样的装置，通 过毛巾和砝码等简单器材更改对比条件，即可展开其他相关 实验。通过数据图像，学生可以直观而清晰地判断出摩擦力 大小与物体重量有关，物体越重，摩擦力越大。相较原来的 实验，使用摩擦力数字化实验装置操作更简单、更高效，数 据更严谨，能够有效突破难点，达成教学目标。
五、实验教学反思与评价 1.基于问题进行的有效改进。改进实验装置有效解决了 手动测量误差大的问题，使分组实验数据误差缩小至 0.1~0.2N。
2.基于学情展开的有效教学。本课对实验仪器改进的需 求来源于学生探究过程中产生的问题，通过制作摩擦力测量 控制装置解决问题，有效提升了学生的科学素养。
3.有效提升学生持续性研究的动力。引入工程学原理， 有效提升学生开展课后研究及应用工程学改进实验仪器的 兴趣。通过这样的课程学习，学生除了对科学探究的兴趣更 加浓厚之外，还对工程学产生了兴趣，这也启发笔者在今后 的教学中，应更多地尝试给学生提供原材料，鼓励他们自主 建模，科学探究、持续探究、快乐探究！（注：本课例荣获第四届全国中小学实验教学说课比赛 一等奖）