科学探究之“器”（下）
一、科学探究中用于测量的“器”（见本刊第5-6期）
二、《科学与技术》课程中教具和学具的设计
《科学与技术》是一门新的课程，目前在上海三个区试用。为什么国家要发展《科学与技术》这门课呢？
第一是时代的需求，社会的需求。我们生活在一个越来越离不开科学与技术的世界。科学与技术已成为推动当今人类发展的核心力量，它不仅对社会、政治、经济、文化等领域产生着重大影响，并且还渗透到人类生活的各个方面。随着社会的日益发展，科学与技术之间的关系也越来越密切，科学发现转化为技术成果，而技术成果的应用又促进了科学的发展。这两者之间是密切相连的。科学发现肯定会给技术进步带来力量，而技术又会反过去推动科学的发展。
第二是教育的需求。《科学与技术》课程的开设顺应了科技发展的时代需求，同时也符合儿童的认知特点。它不仅有利于整合科学与技术的教育资源，减少学科课程门类，提高教学效率，减轻学生负担，而且有利于儿童整体认识自然界与人工世界，促进他们对科学、技术、社会与环境相互关系的理解，培养其综合应用多重知识的技能与解决实际问题的能力。
关于探究与设计，这是科学与技术两者不同的地方。先看看科学探究。探究就是要让儿童了解、感受到科学家的经历，体验探究的过程和方法。提出问题——收集证据——分析与解释——交流与质疑——拓展与应用，这就是科学探究的一个过程。
技术主要是什么呢？主要是设计。就是要让儿童了解感受工程师的设计，体验设计的过程和方法。发现需求——收集信息——设想与创新——加工与制作——评价与改进。
科学起源于对自然界的疑惑，然后采用调查的方法进行探究，提出解释，然后形成反馈和新的疑惑。对这一解释和解决办法的社会应用，就交给技术了。
技术起源于人类在适应环境过程中遇到的问题，产生的需求。例如，吃生的肉，拉肚子，吸收不了，就用火来烤或煮，这就是需求了。当然这个需求很多，一直延续到现在。然后要想出解决问题的策略，这个过程就是设计，提出解决问题的办法，就是设计完成。但是这里边也会产生新的问题，不断地会有反馈和改进，不是一次就可以结束的。最后，会在社会上应用。
下面的模型图反映了科学和技术两者之间的差别及其相互作用，也反映了它们与我们教育目标的联系。
科学与技术到底是怎么回事？下面来讲“器”，这个“器”就是我们自己设计，根据教材要求，利用学到的科学知识去做一些技术上的事情。比如说空气压力，在科学教材里边有。讲了压缩空气的一些知识以后，要告诉学生压缩空气有什么用处，怎样来为我们的生活服务，为我们的工业服务，为我们的军事服务，在《科学与技术》教材里边就会呈现出来。
为了使学生上课有兴趣，就要创设情景。例如，教学内容为“空气有力量”，教师可如下图设计一个空气喷泉，直接跟“器”结合起来。筒里边放了水，然后压缩空气从右边进去，如果是真的喷雾器，是直接把气打在这个筒里边的，然后水从里边喷出来，喷成雾或者水柱都可以，现在把它做成透明的，从右边把压缩空气打进去，看看它会发生什么情况？
教师向筒里打压缩空气：我们刚才已经打过气了。这里边的压缩空气有什么用呢？可以用来喷雾。从而激发学生的兴趣，进一步探究：压缩空气有什么用途？（放映幻灯片）
上图是核潜艇在水下发射导弹。发射鱼雷可能大家都知道，鱼雷放在一个筒里边，然后打开压缩空气的阀门，鱼雷就会冲进水里去。它用什么发射？用压缩空气。海底下的潜艇要发射导弹，把舱门打开 ，用压缩空气把它喷出去，离开水面后再点火，这是在军事上的应用。右边这个模型我们叫做“娃娃发射器”，下面放了个气球，压缩空气进到气球里边之后，这旁边有个孔，用针一戳，气球爆炸里边的压缩空气就出来了，那个娃娃可以被弹到很高的位置。还有旁边的空气炮，也是利用这个原理做出来的。空气炮下面有一个装压缩空气的桶，打开闸门以后，里面的乒乓球也可以弹出大概四五米远。跟鱼雷发射，跟海底导弹发射原理是完全一样的。
上图是一个升降舞台。教师可以用它将一个娃娃升起来，然后告诉学生，压缩空气可以用在舞台表演方面，将演出平台升起来或者降下去。当然，有的是用液压，但原理还是一样的。升降台模型用的是两个注射器，一个朝正方向推，一个朝反方向推这也是“空气有力量”这一课的内容。
升降台模型（上） 升降台（下）
第三个是空气发动机。压缩空气其实就是能量的储存。打气使空气压缩，把能量储存在容器里边，释放压缩空气的时候这个能量就会转换。有些发达国家已经在做实验，汽车上装的不是汽油，而是装有压缩空气的瓶，每次装六个瓶放在车上，下图是一位工程师设计的小车，里边放了压缩空气的瓶，在家里先充好能量，把电能转换为压缩空气里边的势能，然后就可以上路了。
空气涡轮模型
为了让学生了解这个情况，教师可以做这样一个空气发动机。（演示空气发动机），先打打气，把能量储存进去。这就像水轮机一样，里边是个汽轮，是个空气涡轮。现在把压缩空气放进去了，气打得足，就能上路了。
压缩空气动力发电机
上图是一个发电机。原来的设计有两种，一种是直接用压缩空气来驱动汽车，还有一种就是利用压缩空气推动涡轮转动以后发电。这里边也是一个涡轮发动机，跟刚才是一样的，发动机后面连着一个发电机。一发电，上面一个LED灯会亮。小学生看了以后觉得很开心，觉得“这个很奇怪啊”！以前的教材里边没有压缩空气，只有弹性这些东西。压缩空气在技术上的应用使他们觉得很感兴趣，此时可以适时引导他们发挥自己的想象力：“我可以用它去做些什么？”
下面一个例子，在教材中有“电的传输”这样一个内容，里边讲到了利用电缆，然后又提到电的无线传输。大家都知道交流电通过两个线圈的时候会产生感应。很久以前就有这样一个课题：两个线圈，一个有电流通过，是交流电，这是一个发射的交流线圈，这边有个接收的，产生电流感应的时候，就会把电传输过去。这个理念提出来以后，发展很快。
电的无线传输怎么来演示呢？怎么让学生知道这个过程呢？我们又去找了一些比较合适的材料做。有一种电动牙刷，它插在柱子上，充电的时候下面是没有接触点的，没有铜片之类的什么东西放在上面，一个晚上电就充好了。这其实就是无线输电的一种，现在发展得更快了。
无线充电器
上图就是一个无线手机充电器，或者是电脑充电器，下面是一个底座，上面放了手机、笔记本电脑。它们之间是没有线连接的，当然手机上一定要有个接收器。我们用了一个电动牙刷的一个充电器，把牙刷放上去不知道有没有在充电，于是放了一个LED的发光板，不通电它不发光的，通电它就发光。拿起来给学生看，下面有没有接触的地方，没有铜线，没有什么东西的，没有接触片的，是完全分开的。
无线充电器模型
上图是我做的一个模型，大家看一下：这儿像一个发射器一样的，上面我贴了一块红色有机玻璃，应该装在底座里面；这儿有个接收器，很小，约0.5×1.5cm，高约为0.5cm。中间没有电线连接，只要通电以后把接收的东西放上去，上面这块板就会发光。这样给学生去演示，做起来也很简单。无线输电的应用已经很广泛了，应该要让学生知道，这是一个技术上的发展。
在《科学与技术》教材中还有散热和保温。散热在科学课里也有。但是教材就把散热面积大、周围空气流通快等这些规律用到技术上去。它的连接点就是在技术上的应用。
大家看上图这三个罐子，一个是不带散热翅的，一个是带了散热翅的，还有一个不仅有散热翅，还带了一个风扇。这是要做什么探究呢？同样的热水装在罐子里，不带散热翅的和带了散热翅的散热速度哪个快？加了个风扇，空气流动快了，散热速度哪个快？这样一个实验做下来，学生会得出来一个图表。我们看到“红颜色的是不带散热翅的，蓝颜色的是带散热翅的，绿颜色的是带散热翅加风吹的”这样三种不同情况。这就是一个典型的科学探究的过程。这些把科学和技术联系起来的实例，学生比较感兴趣，他们也理解了为什么要这样做。我们会给他们看一些实物，也给他们看一些照片，还有些是让他们回去找家里有没有需要它散热快的东西，看看它有什么特点等类型的活动。这个就叫探究规律，学习科学方法。
探究风车叶片的实验器
在讲“能源”这个内容时，我们研究风力发电的叶片。上图有一个电风扇，前面还有一个整流罩，即带网格形状的，它就是使风扇出来的气流比较平行一点，不带涡流。这里有一个风车，很简单的一个风车。上面有叶片，要学生们探究什么呢？就是探究风车收集风能的效果与风叶的大小有没有关系。我们用了两种不同大小的风叶，让他们来试，同样用这个实验器材，还可以做“风叶旋转的角度跟它收集风能的效果有什么关系”的实验。如果全是对着风的，这个风叶肯定不会转；如果一个正一个反的，也不会转；如果是全平的，或者这样平行的也不会转。它要成一定的角度，而且两个是要相反的。它转的时候，带动机械装置，吊着一个重物，比如放回形针之类的，看它能不能被提起来。这是五年前我们教材里边的东西。五年后，有新的产品出现了，我们马上修改了这个内容。这个新的产品让学生来探究很好用，为什么呢？一个是它的叶片可以调整，最多可以放八片，放六个也好，放八个也好，放三个也好，可以让学生自己去做；它还有一个最好的特点，就是叶片的角度都是可以调整的，而且上面有刻度，转了以后，叶片都会成一定的角度。让学生做这样一个实验探究的活动就更有效，比五年前做出来的东西好得多。它又能定量，而且发出来的电，只要用一个万用表就可以测量，风车旋转后会发电，我觉得这样一个“器”对科学技术教育是非常有帮助的。所以，现在的《科学与技术》教材里边就采用了这样一个风车，让学生去探究这些内容。它的角度、风叶的大小等，还配有短的叶片，这是很好的一个“器”。
再来看下面这个：
还是“能源”这节课里边的，即太阳光转化为热的探究。所用器材也简单，一个可乐瓶，还有一盘透明的塑料管，探究的是什么呢？就是如果增大接收太阳光的水管的面积，能使水热得快吗？这两个就是对照。一个是一大盘塑料管，大概有三米；另一个只有一米。同样放在太阳底下，同样时间来比较，可乐瓶上面插有温度计，就可以比较出来面积大的，还是面积小的吸热快。如果拓展的话，还可以研究水管的颜色，如果是黑色的话可能会吸热更快；如果是白色的话呢可能会慢一点。科学教材里也有这个内容。
再看一个，这个是突出重点、化解教学难点的教具。我们讲“齿轮传动”的时候，往往对传动的方向比较关注，但是《科学与技术》教材里边讲了一个传动速度的比例问题，原来的教具就不适用了。
我们来看一下，这是两个齿轮啮合，如果要讲方向，一个朝着顺时针方向转，另一个就向相反的方向转，这个很好理解。但是，不是仅仅研究方向，主要是用来研究转数的比例。小齿轮和大齿轮之间齿数的比例是整数，大齿轮是二十五个，小的齿轮是五个，主动轮转了一圈以后，从动轮应该转几圈？学生很容易算出来。当然，这些齿轮的齿数都是成比例的。搭配以后，根据老师或小朋友自己的想法来转动。这样，就解决了齿轮传动的难点。下面我想对科学课老师提几点建议。
一是确立学科的责任心。
二是要有创新的积极性。老跟着人家走，你给我什么器材我做什么，这个对科学教学不是最好的方法，最好自己有创新。为什么呢？因为想象力比知识更重要。教师的创新会给孩子带来帮助，知识是有限的，而想象力概括世界上的一切，推动着世界的进步，并且是知识进化的源泉。三年前有一项调查，发现中国孩子比英国孩子普遍多学了百分之七十的知识，但是，关于创造力的测试却没有明显的差异。在许多场合的各国青少年比赛中，中国孩子有超群的计算、背诵和模仿能力，但是想象力、创造力的表现几乎总是排名最后，令人非常尴尬。国际上评论中国学生的最大问题也就是这个问题。他能应考，他能考高分，但是他的想象力相对来说就比较差。而想象力是创新的一个最基本的源泉，所以，教师要有这样的积极性，要去创新，要发挥自己的想象力，去改进我们的课堂教学，改进我们的教具和学具。
三是培养专业的敏感性。我们要对在我们教学工作中有用的东西产生强烈的兴趣。在《新材料》这一课里边，就讲到了新颖的陶瓷。大家都知道陶瓷易碎、易破。当然它够硬，一次我在商场看到商品介绍，说一种新的瓷器摔不坏。为什么它会这么厉害呢？其实就是用了纳米技术，它用非常精细达到纳米级的瓷土材料烧制出来。对于这个内容，我们马上加到《新颖陶瓷》里边，把它的照片也放进了教材，让学生看了以后觉得非常有兴趣。
请大家看，这是新颖陶瓷，这把剪子，是陶瓷，透明的，你试一试（摸起来不是很锋利）；我还发现了一把刀，陶瓷能做刀吗？不是一摔就破吗？看看它，够锋利吧？新颖陶瓷，但这个陶瓷不能摔，那种陶瓷能摔。
还有个内容就是记忆金属。记忆金属大家都知道吧？血管里边装支架，这个支架就是用记忆金属做的，放进去以后它自己会张开，为什么呢？因为温度变化。我们有个器材，像五角星一样的，看起来像铁丝，我们把它拉直了，放在热水里，马上就还原了。记忆金属现在应用越来越广泛，航天器或者宇宙飞船的太阳能电池板，在宇宙空间会自动打开。它的结构里边就是放了记忆金属，到达一定温度条件，就自动打开了。让学生了解一下这样一些新科技，对他们的想象力会有好处。
我们都是在小学科学教育战线上奋斗的，但是，山区教师的教学条件却十分艰苦。我听一位老师说，上课没有烧杯，没有量杯，就拿家里的碗来做实验。我也看到《桂馨之友》杂志上报道说，孩子们学《沉与浮》这一课，学校没有橡皮泥做小船，就用面团替代，船放在水里化掉了，沉下去了。结果孩子们想办法，用塑料保鲜袋包一包，效果也同样好，还发挥了学生的想象力和创造力。