《流动的空气》再研究

1、流动的空气再研究密云县教研中心 李伟臣学生情况初步分析科学课程标准中明确要求：“探究风的成因”。在我们使用的这套教材中，相应的内容安排在三年级下学期的“变化的空气”单元的流动的空气一课。此前，学生已经陆续学过的相关知识包括：空气无处不在，可以占据我们周围的空间；空气没有固特定的性状，具有流动性；热空气比冷空气轻，热空气会上升等。在日常生活中，学生知道摇扇子，可以感觉到风，空调和风扇也能形成风；每个学生都有过玩风车的经验，也经常看到风把树枝、旗帜吹得飘动起来，并能说出一些风的类型，如台风、龙卷风等。然而，我们用“风是什么？”，“自然界里风是怎样形成的？”这两个问题测试学生时，多数学生都知道风和空

2、气有关，但无法说清到底是什么关系；多数人选择用不知道回答第二个问题，不过也有个别学生认为是大树、波浪等物体产生了风，没有学生能说出风的成因。教师平时上课的时候，一般都大致按教材的安排，先让学生通过一些亲身体验，明确风就是空气的流动，空气的流动形成风；然后再借助风的形成模拟实验，推测自然界里的风是由于不同地区空气的冷热差异形成的，即：热空气上升，周边空气流动补充是自然风形成的主要原因。我们认为，作为课标提出明确要求的探究活动，仅用一个模拟实验就推导出结论，过于简单化，应尽可能增强学生的思维力度。于是，决定借助“数字化教研中心平台”开展一次集体攻关，具体研究过程中的执教任务由刚参加工作不久的王老师

3、承担。在团队教师的共同努力下，考虑到三年级学生的思维正处于由形象思维过渡的时期，虽然能进行一定的抽象思维，但仍以形象思维为主的实际情况，王老师最终呈现出的课还真有点与以往不同的特点。课堂教学实践一上课，王老师先让学生观察风的模拟实验箱，提示实验箱的两个开口处各有一个小风扇，请学生结合生活经验，用不同方法让实验箱里的两个小风扇转起来。学生经过一番尝试后，想到用嘴吹，用练习本、科学书扇，抱着实验箱往前跑、迎风站立等方法。王老师适时请学生思考：为什么吹和扇等很多方法都可以让小风车转起来？很快，学生就意识到上述那些方法都可以产生风，在老师的示意下，每个人都尝试着用嘴吹自己的手背，用书对着自己的脸扇风。

4、老师进而追问，风是什么？有了真实具体的感受，学生的认识得以从“风是空气”到“风是流动的空气”转变。“风是什么？”因为空气看不见摸不着，对三年级学生来说有难度，教师通过活动：扇、吹；用皮肤感觉，使抽象变具体，使看不见摸不着的风变得可视、可感。 在接下来的模拟实验阶段，王老师也没有按以往那样指导学生先分步实验，再对比分析的套路进行。他先提问：如果不允许吹和扇，你还能制造风让两个小风扇转动起来吗？在学生为难的时候，提供给学生蜡烛和火柴，让学生自己尝试让小风扇转起来的方法。 由于学生在热空气一课做过纸蛇、风车在火焰上方转动的实验，都自然想到把蜡烛点起来试一试。所有组实验箱上方的小风扇都在点燃蜡烛后欢快

5、地转动起来，遗憾的是由于器材质量问题，有的实验箱侧面的小风扇没有转起来。既然实验箱上方的小风扇都转动起来了，那就请大家解释一下吧？因为有热空气；热空气会上升；点燃蜡烛，（指实验箱）这里面的空气就变成热空气了，热空气一上升，就带动小风扇转动起来了。的确，热空气上升带动上面的小风扇转动起来。现在再给大家一次机会，解释一下：侧面小风扇的转动肯定也和空气流动有关，空气在仪器里是怎样流动起来的呢？（出示记录单）请把你的想法用简单的线条和箭头在这张记录表上画出来。4分钟后，教师开始利用实物投影展示了几名同学的典型想法（见图1-图4）。图生：（出示图，下面学生一看这幅图就说错了，教师说现在没有对和错）有一部

6、分空气向上，还有一部分反射从侧面出去图生（展示图）左侧风扇没转，所以侧面没有空气流动，空气只向上流动。图3生3：（展示图3） 空气分别从上面和侧面出去。图4生4：（展示图4）空气先上去，被风扇反弹回来，再反弹出去。估计学生肯定会有不同想法，这是王老师预期的认知冲突所在。但令王老师没想到的是，居然没有一个人画对。来不及细想，只能继续提问：那么，空气在仪器内到底是怎么流动的呢？ 仍然是上节课的功劳，学生很快想到要利用蚊香的烟来观察。实验证明，学生对于空气横向流动方向的预测都是错的。原来，空气是从实验箱外流向实验箱内，然后再向上升。王老师在黑板上画好空气流动的实际路径后说：我们借助烟的帮助知道了空气

7、在仪器内实际的流动路径，也就是间接看到了仪器内形成的风。注意，我们平常说的风一般指空气在水平方向上的流动。现在，谁能解释一下仪器内的风是怎样形成的？生：是点燃蜡烛后形成的。师：是啊，没点燃蜡烛前仪器内有风吗？生：没有。师：（教师此时点燃一根香，放到仪器的左侧，烟直接上升，没有进入仪器。然后在示意图左侧板画香，用虚线表示烟上升的情况）师：仪器中形成的风的确和点燃的蜡烛有关，为什么点燃蜡烛后，仪器内就有风了呢？生：点燃蜡烛，里面的温度是热的，没点之前是凉的。师：我们用冷这个字。没点蜡烛时是冷的，点燃蜡烛后是热的。比较一下，箱子里面和箱子外面的温度有什么不同？生：里面是热的，外面是冷的。（板书：热

8、冷 ）师：仪器外面是冷的，里面是热的。怎么就形成风了呢？大家先在小组内讨论讨论。生：（学生在小组内讨论，教师巡视并注意倾听了2个小组的讨论情况。）师：（3分钟后）你们都有了什么想法？生1：空气带动烟，烟就进去了，风车就转。师：为什么烟是这样子走的？（手指）生1：冷空气把香带进盒子里，盒子里的热空气减少往上升了，冷空气补充，给它加热，热了，就上升了。生2：空气带着冷空气进到盒子里了，然后热空气上升了，冷空气补充热空气上升的位置。师：请不要坐下，刚才两个同学都有一个问题，都是先说冷空气过来，我们说它的原因是什么？热空气先怎么样？冷空气再怎么样？但是你们先说冷空气先怎么样，热空气再怎么样？到底应该是

9、什么先怎么样，然后什么再怎么样。好像是绕口令，（学生和教师都笑了）应该怎么说？生1：掉过来，热空气先上升，冷空气补充热空气上升后腾出的空间。生2：热空气上升了，冷空气进入小盒子里面，补充热空气上升的位置。师：因为热空气上升了，冷空气补充了这部分（用手指盒子内部）的位置或者是空间，那么这个时候就形成了流动的空气，也就是形成了风，小风扇也就转起来了。谁再说说？生：点燃蜡烛后，盒子里的热空气上升，盒子外面的冷空气流过来补充就形成了风。师：说的真完整。其他同学也照这样小声说一遍。（学生小声说）教师借助辅助材料让学生的猜想得到验证，并用图示引导学生进行仔细分析。教学到这里，学生对实验箱内风的形成原因已经

10、比较清楚了。接下来用类比推理推测自然界风是如何形成的，应用概念，解释海陆风的成因等环节就是比较常态的了。课堂实践后的困惑王老师充分考虑到学生的年龄特点及已有经验，从玩模拟实验箱上的小风扇开始教学。学生一般都有过玩风车的经验，请学生想办法让小风扇转起来的活动难度不大，又有一定的趣味性，在尝试让小风扇转动起来的过程中还能熟悉模拟实验箱的构造。以让小风扇的转动为引子，很自然地引导学生交流更多的玩风车的感性经验，再通过课上实际体验活动感受到空气的流动。最后让学生明确再熟悉不过的风，原来就是由于空气的流动形成的。明确“空气流动形成风”对于三年级的孩子难度并不大，空气为什么会流动起来才是本课探究的重点。在

11、对模拟实验现象的分析过程中，教师再一次想方设法调动学生的已有概念，“热空气会上升”，“空气占据空间”这些已有概念被得以充分运用。科学团队的很多位教师都利用上述思路在自己的学校尝试，在收到较好效果的同时也相继发现了一个很明显的问题：学生在热空气一课已经知道热空气比冷空气轻，热空气会上升，在更早的时候也知道空气能占据空间、会流动。原以为学生在推测实验箱内空气流动路径的时候会根据原有经验作出正确判断，可不管是在农村小学、城镇小学，甚至在北京海淀的重点小学上这课时，真正能推测正确的总是极少数。难道我们对学生情况的理解出现了问题？在王老师第一次上课的三年后，我们借市级研讨活动再一次依托“数字化教研中心平

12、台”对这课进行重新打造。学生情况再分析为了让学生的探究活动更扎实，我们将明确“风是什么”部分和对实验箱内空气流动路径的推测作为第一课时；将结合模拟实验的分析，认识自然界风的成因作为第二课时。在第一课时的教学中，教师首先和学生简单回顾了以往课堂上学习过的有关空气的内容，然后组织学生做“让空气流动起来”的活动，充分让学生感受风，并想办法证明或观察空气的流动路径。在拥有大量的感知基础上，引出风的概念，即流动的空气形成风，风就是流动的空气。接着出示实验箱，想办法让实验箱内的两个小风扇转动。在学生尝试利用吹、扇等多种方法制造风，让小风扇转动后，教师提供蜡烛，学生尝试利用点燃的蜡烛制造风让仪器中的小风扇转

13、动起来。最后，让学生用画图的方式推测空气的流动路径。王老师提供给学生的记录纸上有2个问题：1.点燃蜡烛可以制造风让小风扇转动起来，空气是如何流动的呢，请你用箭头的方式将空气的流动路径画下来。2.请你想一想自然界的风是如何形成的呢？实际上课的班有41名学生，对第一题的回答大致有三类情况。类似情况1（图5）的回答有33人，占全班学生的80.5%。也就是说，全班绝大部分同学认为，点燃蜡烛后，空气会从实验箱内分别向上和向左流动。通过访谈发现学生的想法大致有两种：第一种是热空气会充满实验箱，然后会从上面和侧面出去；第二种想法是因为没有别的口，所以点燃蜡烛后，热空气自然就会向上和侧面流动。图5 情况1图6

14、 情况2类似情况2（图6）的回答有5人，占全班学生的12.2%。通过访谈发现学生的想法大致也有两种：第一种是热空气上升后，会带动上面的小风扇转动，上面的小风扇转动后，会将一部分空气反弹回来，然后从侧面的通风口流动出去；第二种是，热空气上升后，会在上面的通风管内“堆积而满”，然后空气就会从侧面流动出去。图7 情况3类似情况3（图7）的回答有3人，占全班学生的7.3%。由于时间的关系，未能了解到此种想法三位同学的更多真实想法。 对于第二题的回答中，有19人不知道自然界风是如何形成的；有8人只描述了风的方向；认为是冷空气和热空气撞击的有5人；认为是空气自己的力量流动为3人；认为是人扇、跑、吹等人为因

15、素4人；认为是地球转动形成1人；1人认为是万物之力。看来，学生对实验箱内空气流动路径的判断并不像我们所推测的那样顺理成章。学生具备了相关经验后，并不能自觉地将这些经验综合起来考虑，这其实恰恰是这个年龄段的学生本来的思维水平所决定的。通过对学生访谈的分析发现，学生之所以做不出空气流动路径的正确推测，源于他们更早潜藏在头脑中的前概念：热空气是蜡烛燃烧产生的。尽管在热空气一课的教学中，教师反复强调是蜡烛的火焰把周围的空气加热变成热空气的，但在新的场合，那种似乎理解了的认识又悄悄让位于原有的顽固的前概念。同样是由于学生思维水平的局限，对于大尺度的自然界风的形成原因，不能解释更是再正常不过的事了。课堂教

16、学再实践针对之前没有预料到的新情况，我们只好基于学生的实际再次调整了第二课时的教学。实验箱内的空气到底是怎样流动的呢？教师在简介了学生的不同想法后问学生，我们应该怎样做？照例是用卫生香的烟来显示空气流动的路径。与以往不同的是，教师允许学生将长长的卫生香直接放到实验内，看空气是否真的像他们猜测的那样会从里向外流。学生实验后发现，大家的猜测都错了。原来空气是从实验箱外流向实验箱内，经过燃烧的蜡烛后又流向实验箱的上方。基于实验现象的分析部分与以往教学类似不再赘述。我们考虑到学生关于热空气的错误概念的转变，考虑到科学概念建构需要丰富的事实支撑，还考虑到学生的现有思维水平难以完成从实验箱到自然界的跨越在

17、此时增加了一些内容。点燃蜡烛后，实验箱内外的冷热环境发生变化，热空气上升，冷空气流过来补充就形成了风。如果不用蜡烛，用其他方法使实验箱内变热也会形成风吗？听了王老师的问题，学生当时有点不知所措。没有蜡烛烧，热空气会从哪来呢？在学生半信半疑的目光注视下，王老师在一个拳头大小的玻璃瓶内倒进热水，盖好瓶盖后，放到实验箱内放蜡烛的位置并扣上箱盖。点燃蚊香后，学生惊喜地发现，空气一样可以从实验箱外流向实验箱内，一样可以向上升。你们还可以用哪些方法在实验箱内制造风？用酒精灯，用点灯泡，用热石头，用电热宝学生列举了一大堆能发热的东西后王老师问：为什么用这些方法就能制造风呢？因为里面是热的，热的会使热空气向上

18、流动，外面的冷空气就会向实验箱内流动，然后就形成了风。大家的意思是，只要实验箱内外有冷热差异就可以制造出这样的风，对吗？学生点头默许后，王老师又说到：我们用的这个实验箱很特殊，空气只能沿着这样的管子进去并上升，如果把管子去掉，换成一个更大的空间，制造一个冷热不同的环境，也能形成风吗？学生不知是真理解了，还是受前面实验的感染，竟异口同声地喊道:能-王老师从讲台后面搬出一个大大的玻璃缸，在讲台上放平稳后问学生：可以怎么做？点一个大点的蜡烛，可以把浴霸放进去王老师在学生的期待中开始演示了，为了让学生观察方便，特意在讲台前支了一架摄相机，通过大屏幕将实验情况展示给学生。只见王老师取出两个托盘，分别倒进

19、热水和冷水，放到玻璃缸底部的两侧，盖上玻璃缸的盖子。稍等片刻，将一束点燃的卫生香沿着放冷水一侧预留的孔洞伸进玻璃缸。学生从大屏幕上清晰地看到，香的烟先是缓缓下降，然后沿玻璃缸底部流向放热水的位置，烟慢慢地上升，到玻璃缸顶部后居然又向冷水方向飘动，最后竟循环流动起来。玻璃缸内有风了吗？谁愿意到前面把空气流动的路径画下来？学生再一次确信了空气只要有冷热不同差异，就会形成风。结合黑板上的示意图，老师开始启发学生想象：如果换一个更大点的玻璃缸，情况会怎样呢？如果这个玻璃缸大到和我们的教室一样大，在讲台这里比较热，在教室后面比较冷，这时会形成风吗？风会从哪里吹向哪里呢待学生坚信风会从冷的地方吹向比较热的地方后，教师