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小學科學教學中的模擬實驗
《小學科學課程標準》中指出：“小學科學課程是以培養科學素養為宗旨的科學啟蒙課程。科學學習要以探究為核心。”科學實驗是培養科學素養和科學探究能力的主要方式之一，其中的模擬實驗屬于綜合科學過程技能，有利于充分發揮學生的想象力、洞察力、判斷力，提高處理問題能力、自我建構的認知能力，啟迪學生創造性思維,培養創造能力。
1.模擬實驗的概念及類型
模擬實驗是根據研究對象的本質特性，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行實驗研究，再將研究的結果推廣到對象客體中去，從而達到解釋、認識對象的目的。模擬實驗的主要類型：從實驗目的上可分為：驗證已知、探索未知、檢驗成果；從實驗方式上可分為：實物模擬、情境模擬、數字模擬。
模擬實驗是對直接實驗的必要補充：有利于研究及其宏觀或微觀的對象，培養學生的空間能力、有利于研究存在時間和周期過長或過短的對象，具有實踐性、探究性；體現了學習內容的豐富性、深刻性。
2.小學科學模擬實驗的一般過程
小學科學中常見的模擬實驗有三類。模擬運動：模擬晝夜、四季、月相的規律等。模擬成因：模擬火山、地震、巖石風化、地表變化，模擬風、雨、露的形成等。模擬原理：模擬呼吸運動、血液循環、輪船模擬實驗等。
模擬實驗的一般過程：
2.1掌握原理
理解前提是模擬實驗的基礎，因為只有了解客觀事物的現象、認識到研究對象的本質、準確的描述原型，才能構建對應的模型，進行模擬實驗，解釋現象。
如果把研究對象的每個部分看成是一個要素，各個要素通過發揮各自不同的作用聯系在一起，那么就構成了一個相對統一、封閉的系統，其中要素與要素之間、要素與系統之間的聯系就是這個研究對象的內部構造和學習的知識點。要在建立模型前，使學生充分了解研究對象存在的客觀事實、現象，并且掌握產生這一現象的成因、原理等相關知識。
例如：在做模擬晝夜、四季變化等模擬實驗之前，學生應該知道一天有晝夜變化、一年有四季變化這種自然現象；掌握有關晝夜、四季成因的知識，即晝夜和四季的成因是地球自轉和公轉的結果；知道地球自轉和公轉的方向和形式，以及與太陽、月球的位置關系等。又如：在做月相成因模擬實驗前，學生應知道每月月相變化的現象，知道月相變化的成因，觀察過月相、畫過月相圖。
因此，教師在教學中應運用多種教學方法、通過多種手段幫助學生觀察相關自然現象、理解知識、認識原理或成因，以便較準確的反映客觀事實，增強模擬實驗的實效性。
2.2建構模型
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、數學模型。模型可以是一個裝置、一個計劃、一份草圖、一個等式、一個計算機程序，甚至僅僅是一種想象，其價值在于能夠解釋原型的本質或其運動機理。
2.2.1建構思維模型：即設計實驗。通過對研究對象（原型）的認識、理解，構思、設計一個可以解釋對象的模擬實驗，詳細寫出實驗內容、實驗目的、實驗原理、實驗步驟、實驗記錄單和預期效果、畫出實驗裝置草圖等。
這里滲透著“猜想——假設——驗證”的思維過程，教師要幫助學生挖掘相關素材、引導學生有目的設計周密的研究計劃。
2.2.2構建物理模型：選擇恰當的儀器、材料、工具等組裝模擬裝置（模型）。要讓學生知道模型中每種材料“相當于”原型中的哪個要素，要明確實驗材料與客觀對象的一一對應關系，即要分清楚“用什么模擬什么”、“怎樣模擬”，這是做好模擬實驗的關鍵。意義在于應用簡單實物，通過想象、類比和模仿等手段與研究對象建立關聯，研究對象的本質、找到規律，得出結論。例如：在應用三球儀模型做月相成因模擬實驗時的一一對應關系是：
手電筒——太陽地球儀——地球小足球——月球
建構模型是進行模擬實驗的前提，實驗結果的真實性取決于模型和原型的相似度，或模仿實驗條件的真實程度。例如：用沙盤、噴壺模擬雨水沖刷、河流搬運對地表改變的作用實驗，如果水流量不夠或沙盤過小，都會影響模擬效果。因此，在選擇實驗材料時，應注意提高模型或實驗條件與原型的相似度，增強模擬實驗的可信度。
2.3收集資料
2.3.1模擬實驗：按照實驗步驟，應用模型，按照研究對象的運行規律、形成機理等，進行推測性的模仿，演繹其變化過程。例如：用手電筒和地球儀模擬晝夜的成因，實驗中要認真細致，要注意保持“太陽”和“地球”相對位置的穩定性，盡量接近原型、縮短誤差。
2.3.2觀察記錄：觀察實驗現象與原型中的現象是否一致或相似，理解實驗現象的本質。在仔細觀察的同時，通過測量、畫圖、拍照等方式認真記錄實驗現象。例如：在假設太陽（手電筒）相對不動的情況下，觀察地球儀上一個確定的觀察點（北京）在受光面、背光面以及左右側光面四個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驗簡圖；用拍照方式記錄模擬生態園（生態瓶）各個時間段的變化情況研究如何維持一個小的生態系統內的平衡。
2.4形成認識
通過模擬實驗收集資料，把觀察記錄的資料進行歸納推理，得出結論，印證原型中的現象、原理、成因等機理的本質，最終形成正確的認識。在小組內討論交流；在全班解釋現象、發布觀點。
2.5擴展認識
2.5.1理想化與局限性。要引導學生對模擬實驗與客觀對象做進一步的比較，使學生知道這種所謂的模擬實驗具有很大的理想化成分，是對研究對象本身做了“概括”、對實驗環境做了“限制”、對事物運動變化過程做了“簡化”，使豐富的環境、多變的事物、復雜的過程概括為“簡單”，成為一個“理想實驗”。但正是因為這種實驗對影響事物變化的因素做了限制，使大多數因素“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：模擬火山實驗中，加熱用厚土豆泥覆蓋的番茄醬，直至番茄醬噴出，但是事實上巖漿的運動變化是沒有規律可循、非常復雜的，并不像模擬的那樣單一。要讓學生明確知道模擬實驗雖然能夠解釋客觀事物的一些本質特征，但是具有主觀性，與客觀實際有明顯差距，不能用模擬實驗完全代替對客觀事物本身的觀察、記錄，有時不正確的模擬實驗還會把人引入歧途。
2.5.2模擬的還原
所謂還原，就是要將研究的結果推廣、還原到研究對象中去，讓學生最終從模擬的情境中走出來，回到真實的現實中來，認識到剛才的實驗只是一個簡單的模仿，手電筒、地球儀、小足球等還是它自己，與真實的、客觀存在的太陽、地球、月球的實際其情況是不同的，模擬的運行軌跡和方式與真實的客觀事實是不完全相同的、甚至有很大差異。例如：模擬四季的成因實驗，我們往往描述的是地球近日點、遠日點某一時刻的位置，以表示不同季節。但是我們要讓學生知道：事實上所有的星體、萬事萬物時時刻刻都在永不停息的運動著，我們定格在某一時刻、某一位置的“點”上的實驗只是簡單化的模仿、是一個“理想化”的狀態，使學生用客觀眼光看待事物，知道模擬實驗并非是客觀實際的真實反映，從而培養學生嚴謹求實的科學態度。
3.過程評價
教師要發揮科學教育的導向性功能，指導學生掌握進行模擬實驗的方法，適時評價他們的得失和正誤。培養學生的探究能力，學會通過實驗印證預測的成因、形成自己的認識。在擴展認識階段應注意全面的引導性評價，培養創造精神和嚴謹求實的科學態度。
總之，在模擬實驗中掌握原理是基礎，構建模型是關鍵，收集資料和形成認識是重點，擴展認識、過程評價是保證。教師可以應用個別指導、集體討論、演示指導等多種方法指導學生進行模擬實驗，在模擬實驗中逐漸培養學生的科學素養。
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