小学科学实验现象的可视化

李路加

小学科学是一门以培养学生科学素养为宗旨的课程，实验探究是其中的重要组成部分。然而，在教学过程中，我们发现：一些实验产生的现象并不明显，甚至我们根本看不到。因此，笔者以“声音的变化”一课为例，通过实验设计的优化，在获得实验数据的基础上，实现了实验现象的“可视化”，促进了学生科学素养的提高。

小学科学把探究活动作为学生学习科学的主要方式，强调从学生熟悉的日常生活出发，通过学生亲身经历和动手动脑等实践活动，提高学生的科学能力。如果学生想从探究活动中获得新知，实验现象的直观呈现是必不可少的。然而，有些实验因为其相对抽象而难以直观；有些实验虽然可以达到教学效果，但是学生获得实验结果的方式主要依赖于听、想，这样也就失去了可视化的意义。因此，我们就有必要探究如何将科学实验所获得的现象“可视化”地呈现给学生。

一、实验现象可视化的意义

一方面，实验现象的可视化显示，真实地反映了实验的执行过程，并且增大了教学的容量，使学生获得了更为直观形象的学习体验。另一方面，实验现象的可视化有利于学生掌握基本知识、基本方法，培养学生的技能和能力，使学生通过实验，真正做到“我看到，很直观，便真正理解了”。

二、实验现象可视化的途径

第一，借助计算机软件将实验现象更好地呈现出来。王甲春等通过Matlab这一计算软件，采用了Matlab GUI技术，模拟工程力学实验，可以视化实验结果，并可任意改变实验参数值对于实验结果的影响，在力学实验中，取得了良好的成效。

第二，通过图形语言，如简笔画、示意图、韦恩图等方式，将实验过程和实验结果加以描述。小学生的思维模式以感性经验为主，在思维发展的过程中，需要具体形象的事物作为支撑，图形语言恰好能满足这点。

第三，运用相关实验数据，将实验中的相关现象加以可视化。在科学研究过程中，数据是进行实证的重要依据之一，它主要是指学生在观察、实验过程中所获得的相关数字。实验数据在科学研究过程中起到了不可替代的作用，正确地运用实验数据，对于学生形成科学态度，提高科研能力，发展科学思维具有促进作用。

三、实验现象可视化在小学科学中的应用

小学生对周围世界具有强烈的好奇心和求知欲，这种好奇心和求知欲是推动学生科学学习的内在动力。针对小学生这一心理发展特征，笔者认为实验学习恰好可以起到作用。考虑到小学阶段的学生还难以应用较复杂的计算机软件，因此在实验现象的可视化途径中，主要采用实验数据和图形语言相结合的方式，并依托小学生较熟知的excel软件，将实验现象可视化应用到小学科学的教学之中。

新的课程标准中指出：探究活动是学生学习科学的重要方式。探究活动涉及了提出问题、做出假设、设计实验、验证假设等多个环节。在探究过程中，将一些难以直观的实验现象，通过数据和图表“可视化”，能够使学生获得更多的探究体验。下面笔者以“声音的变化”一课为例加以阐述。

1.明确实验目的

本节课主要通过几个实验建立声音的高低强弱与物体振动状态的关系。其中，教参中已经指出：将声音高低的变化和物体振动的频率联系起来是本课的难点。因此，为了突破这一难点，我们将实验目的确定为通过实验，探究声音高低的变化和物体振动频率之间的关系。

2.改进实验设计

四年级的教科版教材中，对于“观察比较声音高低的变化”一节，主要提供了两个实验，即“用小木棒敲击装水量不同的玻璃杯”和“拨弹松紧不同的橡皮筋”。两个实验虽然可以让学生观察到高低不同的声音，然而，若想进一步明确声音的高低与物体振动的关系，并且让学生更为直观地看到两者振动快慢的不同，仅靠这两个实验是不够的。因此，笔者经过实践摸索，决定使用两种不同频率的音叉，用橡皮锤分别对其进行敲击。

（1）实验猜想中的知识体系化

首先，在“音叉实验”之前，为了更清楚地让学生观察到“高低不同的声音”，笔者选择了音乐课上常用到的铝片琴。通过敲击长短不同的铝片，发出高低不同的声音，让学生明确：越短的铝片发出的声音越高；越长的铝片发出的声音越低。由此帮助学生构建了一定的知识体系。在学生敲击两种长短（频率）不同的音叉之前，很容易进行猜想：短的音叉发出高音；长的音叉发出低音。实验进行至此，学生仅仅是“听到了”，还未达成“看到了”这一目标。

（2）实验操作中的现象可视化

接着，笔者借助轻小的物体——乒乓球。利用两种敲击过的音叉分别去触碰乒乓球，由于敲击后的音叉在不断振动，因此其与乒乓球接触后，会被弹起，并在短时间内进行不断的往复运动：接触、弹起、接触、弹起......基于此过程，学生可以较为清楚地看到乒乓球与音叉的碰撞情况。然而，在实际授课中，发现学生的关注点一部分集中于乒乓球被弹出的距离，即振动的幅度上，这与实验目的相悖；同时，坐在班级位置靠后的学生无法清晰地观察到实验现象。

（3）实验记录中的结果可视化

于是，笔者结合四年级学生的认知水平，进一步改进实验：请两名同学来到讲台前，一名同学利用电子停表计时10s；另一名同学根据这10s内两种音叉与乒乓球的碰撞情况拍掌，即每接触一次，拍掌一次。台下的学生根据听到的拍掌情况，画出波形图（注：每拍掌一次，画出一个对应的波峰；拍掌间隙的图形以水平直线表示）（图1）。通过图表，学生们很容易发现：相同时间内，音调低的音叉出现的波峰次数较少（出现6次波峰），即与乒乓球的接触次数较少；音调高的音叉出现的波峰次数较多（出现9次波峰），即与乒乓球的接触次数较多。乒乓球与音叉的接触正是由于音叉的振动所引起的。此时，学生可以清楚地认知：音调低的音叉振动频率较慢；音调高的音叉振动频率较快。

3.完善实验结果

前文中，我们已经提道，“探究声音的高低与振动频率的关系”是本节课的难点。关于“振动频率”，物理中已經给出了明确的定义：物体每秒钟的振动次数。之前的实验设计中，我们已经测定了10秒内两个音叉与乒乓球的碰撞次数，因此我们很容易计算出每秒内两个音叉与乒乓球的碰撞次数，即两个音叉的振动频率。再利用excel软件将获得的数据整理成学生们已经熟知的柱状图（图2），经过三组重复实验的结果（长音叉的振动频率分别为0.6、0.5、0.7次/秒；短音叉的振动频率分别为0.9、0.8、1.1次/秒），得出结论：音调较高的音叉振动频率较快；音调较低的音叉振动频率较慢。于是，学生们也再次验证了波形图得到的结论，进一步理解、深化了知识。

【作者单位：天津外国语大学附属滨海外国语学校 天津】