科学探究之“器”（上）

1、科学探究之“器”（上）桂馨书屋一一“桂馨书屋”力图帮助乡村中小学生改善和提升学习 内容。为乡村学生拓展知识、开阔视野、培养良好的学习、思维和生活习 惯创造良好环境；同时也为乡村教师提高教学教研水平提供一定的条件和 支持。此外，桂馨书屋还可以成为乡村社区开展扫盲、农业科技培训、环 境教育、公民社会建设等多种活动的载体，成为促进乡村社会和谐发展的 文化中心。桂馨乡村小学科学课教师培训一一乡村小学科学课教师培训项目，是 基金会为支持中国乡村小学提升教学质量、完善和规范开展教学而特别设 立的乡村教师支持项目。项目旨在提升乡村小学科学课教师的教学理念， 增强系统知识，改进教学技能，使其成为对学生科学素养

2、形成有决定意义 的合格教师。“科学探究之'器”中的“器”是指科学和技术的结晶物。想一想, 人类发现自然界里有电，科学家探究它的奥秘，发明了电池，电能才得到 了实际应用。这个电池就是“器”，它是技术的产物。百多年之屮，经 过不断的改进，电池的种类越来越多，应用也越来越广泛，手机、电脑、 电子表、录音机、摄像机、照相机到处都少不了电池，电池成为现代 人须臾不可缺少的“器在英他行当里，如文化领域里边也有“器”。古时候写字用什么写呀? 用树枝在地上写，然后发现这块岩石比那块岩石软一点，就拿去在岩壁上 画画、做记号。以后发明了羽毛笔、铅笔、钢笔、毛笔、圆珠笔这也 是“器”。军事领域里，武器几乎是

3、决定战争胜负的关键。大刀长矛打不 过军舰和枪炮，普通武器打不过原子弹、氢弹，那也是“器”。科学家发 现了某些物质的科学规律以后，就会出现新型的“器”。所以我们说，“器” 是科学与技术的结晶。科学探究活动所用的“器”，英主要作用是测量。科学探究的范围很 大，下面就介绍一些不太常见的“器”，讲讲如何用这些“器”做科学探 究。最近，国家科技部和教育部课程教材中心共同启动了一个叫做中小 学探究学习与创新人才培养机制实验研究的课题,在全国范围里开展。 笔者参与了其中一所项h学校的课题研究，同时做小学科学探究学习案例 的探索和开发。这所项目学校探究课的研究对象是航空航天科技，这个课题项日研究 范围很窄，特

4、别是涉及到“航天”知识。让小孩子去探究一些航天的东西 确实比较难。校长动员了学校全体教师，大家一起想办法，在半个多月里, 开发出了适合小学生探究的十六个课题。这些研究课题很巧妙，初看冇点稀奇古怪，然而对培养孩了的创新能 力是很有价值的，对我们科学教师的教学设计也极有启迪。一、科学探究中用于测量的“器”测量是探究技能里很重要的一部分，其他的技能是大家都熟悉的，如：观察、排序、解释数据、推理、比较、提出假设、预测、分类、使用变量、 交流、调查、实验、计算、建立模型等。“测量”如何来定义呢？就是运用各种工具测量一个物体或事件的大 小、距离、时间、体积、面积、容积、重量和温度等，同时还要学习使用 测量

5、工具。（如：直尺、秒表、量杯、量筒、弹簧秤、温度计及各种传感 器）。1 测量长度。如果每人手上有一张图，要求大家测量图上线条的长 度，想一想，用什么工具来测量呢？（文具盒里边有一些工具，可以用它们来试试，然后把测量出來的结 果用铅笔写在线的旁边。）（小组汇报测量结果。）第二小组汇报了测量的长度以及用什么工具测的。很特别的一点是他 们测量曲线的长度，他们用一根线去量曲线的长度，再把线拉直放在尺上 测量一下就测出来了。但总的来说，曲线测起来还是比较麻烦。既然这样，是不是来做一个测量曲线的“器”呢？在数学里边，什么 东西的长度与它的直径有直接关系？直径定了周长肯定是一定的，就是一 个圆。我们可以用纸

6、做一个测距仪。最后做好的测距仪是这样的（如下图）。制作方法：用文具盒里的材料来做，一支带橡皮头的铅笔，一个图钉, 胶水和剪刀，还有一张卡纸，上面有印好的三个圆。做好测距轮后，测量 直径，再量出周长。（从零开始滚过去，看一下滚一周有多长,这样就更 直接，不用计算了）。我们剪的时候会有些误差，有些人剪在线的外面，有些人剪在线的里面，所以最后滚一圈的长度会有些差距，还有的可能剪得不太平整，有些 坑坑洼洼的，所以还不如就拿着轮，在直尺上从零开始滚过去，轮上有个 记号，看看回到记号这儿是多长。我们为什么要做这个活动呢？就是要让各位教师知道，这是一种很好 的测量曲线的方法。也就是说，用它来测量曲线会很方便

7、。这样的“器” 现在己经有了，而且是个非常简单的“器”。笔者出示轮式测距仪。（右图一）这个“器”就称为轮式测距仪，冃前国外应用的比较多，它的轮子转 一圈正好是一米，这儿冇个计数器，归零以后，要测量长度的时候，只要 拿着这个柄推着走就可以了，这个测灰仪用起来非常方便。它的精确程度 是一米以下，非常准的。这个仪器最大可以测到五位数，可以用在农村测 量土地的大小、长度、宽度上，还可以用在交通警察测量高速公路交通事 故的现场，比如车侧翻的轨迹是一个弧形，用直尺量可能有问题，就可以 用这个仪器去测；另外就是排电缆，从一处要排另一处，弯弯曲曲的，不 知道线该有多长，也可以用它测量；此外，还有运动场里画场地

8、的时候， 足球场长应该多少米，宽应该多少米，都可以用它去测。要做到精确测量，有什么办法可以提高精度呢？其实，就是求平均 值，一般来说三次加起来除以三，平均数有了，精度就高了。取样的次 数越多，精度就越高。教师们在上课时，也要尽量让学牛动手去做。教师们使用测距仪测量弯曲小道的长度。（见右图二）我们用电子表格自动求平均数，平均值是21.36875米，当然用不着 这么高的精度，可以把后面的数值四舍五入，近似值是21米。我们取了 九个样，平均得出来的是这个数值。也就是说,我们测量曲线可以采用这种方法。这个器材应该说是很好用的，很方便。这儿就反映了平均值的意 义。图三中的这个曲线，在统计学里边叫做“正态

9、分布曲线”。测量数据都集屮分布在屮间这一段，用数学的办法，取它的平均值就能够得 到比较精确的结果。小学数学里就有这个内容。其实，生活中摩托车上的里程表就是用的这个原理。东汉科学家张衡 发明的记里鼓车也是用这个原理制造出來的。也就是说，1900多年前中国 就有这样的“器”了。我们骑着摩托车，开着汽车，大多数人并不知道车上的里程表数值是 怎么来的。其实它们的原理和我们的测趴仪是一样的。古代的记里鼓车是为了测量路的长度，比如要知道从京城到兴山这个 地方路有多远，就用马或者人拉着这个车，它每走一里路有一个木头人敲 一下鼓，走了十里路呢，另外一个木头人再敲一下鼓，记里鼓车旁有个人 在记数，当时科技不发达

10、，就是手工记的，记到最后，到底走了多少路就 可以得出来。记里鼓车这个“器”就是科学与技术的结晶。这样一个占代的机械， 我们今天还在用。当然，随着科学技术的发展，里程表也在不断改进。比 如，以前用齿轮来带动计数器，现在有很多是感应式的，里面没有齿轮了, 就是一个感应头，它转一圈跳一个数字，自行车、山地车上都用得很多。 这些计数器都是感应式的，不是用齿轮传动计数，齿轮传动不论做得多么 精巧都会有些阻力，骑车会感到重，而且还会磨损，用感应的办法就不会 磨损，这是测量路程的“器”。另一种测量长度的“器”，一个是超声波的测距仪，一个是激光测距 仪（见左图四）。激光测距仪测量的距离可以长一点；超声波测量的

11、距离 会短一点。激光测距仪还冇一个功能，可以计算面积。测了长度，只要按一下乘 号，再测宽度这一块的面积就算出来了。如果要测这一块的体积也可以， 把它翻过来放在地测得高，再把刚才的面积乘以这个数，就是这一 块的容积。像这种测距方法，在那所研究航空航天科技的项目学校里怎么用呢？ 学牛放飞的火箭下降时冇个降落伞，比较容易瞄准，学生就对着降落伞测 火箭飞的高度。这其实是一种很好的科学方法的训练，不一定测得多么准, 就是要让学生知道，现代科技有这样的东西可以用来测距离，他在今后的 科学探究活动当中，在生活当中都会想到用它。比如去买房子，这个房子 面积多大，层高多少，那就测好了，测了就可以判断售楼材料写的

12、是否准 确。还有一种测量长度的器械，是一个数码显微镜，这个是测微小趴离的 器械。测量微小距离的显微镜显微镜我们大家都知道，学校配备的学生显微镜是生物显微镜，或者 是在工具箱里看到的手持式的显微镜。教育部配的学生显微镜，光都是从下面照上来的，我们把它叫做透射 式的，标本要是透明的，如植物的切片、岩石的切片等，切得很薄，夹在 玻璃片里，放在显微镜载物台上，光从下面照上來，透过标本。而这个测 微距的数码显微镜是上面有光下面也有光，不必将标木切薄就可以观察。我们主要讲它的测量功能。比如要测面值一元的硬币上面那个“1” 的长度，测出来的长度是142毫米；它还可以测量圆、测量角度等。像这样些器械，用在科学

13、课教学上是非常冇利的，它不仅可以观测 微小的事物，还可以用来照相，也可以储藏很多的资料，教师上课也很方 便。有所学校做了这样一个研究，看厨房的抹布和厕所马桶盖上哪个的细 菌多，结果是厨房抹布上的细菌要比厕所马桶盖上的细菌还多。有些长度单位我们接触不到，但是关于长度的故事或者距离的故事， 会给我们带来感动。下面这个幻灯片就描述了一个长度、距离到达极致的 令人震惊的故事。播放幻灯片从镜头看世界：我们来进行一次高速的旅行，从一米开始，然后按照十的乘方增加， 慢慢往上去进行宏观世界的探索，祝大家一路顺风。这是从一米处看到的树叶；从十米上空看到的一片树林；一百米，看 到我们房子的房顶；一千米，十千米，这

14、时城市已经很小了，看不清房子; 这是一千公里，这里看到的是美国佛罗里达州的一个角，一万公里，这是 人造卫星上看到的，要离开地球了；十万公里，看起来地球很小了，我在 哪里呀？ 一百万公里，地球和月亮的运行轨道，白色部分是月亮的运行轨 道；一千万公里，地球轨道的一部分；一万万公里，金星和地球的轨道； 十亿公里，水星、金星、木星和地球的轨道；一百亿公里，这时我们能看 到太阳系和行星运行的轨道；一千亿公里，太阳系看起來变得有点小了； 一万亿公里，太阳看起来就是众多恒星中的一颗，就是红框里边的那一颗, 边上都是恒星；一光年（光年是天文学里测量距离的单位，光1秒钟走30 万公里，光一年所走的距离就是一光年

15、。在天文距离上用公里就没办法来 统计了，数字太大。）十光年，一百光年，在这个距离上我们已经在银河 系里边旅行了，你看满天的星斗，我们还没有出银河系；十万光年，开始 接触银河系的外围了；好，这就是银河系，一百万光年，从那个距离我们 看到的银河系；一千万光年，我们还能往远处走，但是，我们还是早点回 家吧，回去了。宇宙是如此的广袤，人类生活在地球上真是太渺小了，我 们是谁？我们将去什么地方？我们从何而來？这样看了以后，我们的眼界 也开阔了，不要老看着我们眼前生活上的一些事，经济上的一些事，想想 我们在自然界太渺小，我们要为小朋友的科学教育而奋斗。刚才是往宏观的方向，现在往微观的地方去。一片树叶，十厘米的距 离，我们看到树叶的样子；再往里面，一个厘米，我们能够看到它的结构, 如叶脉等；一个毫米，细胞组织开始展现；十个微米，细胞内