“研究纸的吸水性”实验装置的改进

◇王朝君 王 芳 童 颜 黎怡君 张旭梅 叶 超（通讯作者）（四川乐山师范学院）

一、引言

小学科学是一门实践性课程，2017年国家颁布的《义务教育小学科学课程标准》（以下简称《课程标准》）倡导探究式学习，学生通过动手动脑活动，获得直观的知识，并在做的过程中，掌握科学方法、发展科学精神、树立科学观念。从《课程标准》的叙述中不难看出，当代小学科学教师要具有创造性思维，能深入剖析教材实验的不足之处，充分利用各种资源，在遵循一定原则的基础上对教材实验进行改进以提高教学效果。

此外，《课程标准》指出了小学科学课程内容主要包含物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程四个领域。在技术与工程领域的内容中，特别强调STEM 教育即科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）和数学（mathematics），要求实现学生的跨界学习与整合。基于STEM 教育理念，教师可以与学生一起探讨新颖的想法、钻研教具的创新。本文中，笔者将在理解《课程标准》的基础上，以“研究纸的吸水性”实验为例，在STEM 教育理念的背景之下，分析现有实验的不足之处，并进行改进创新、提出建议。

二、“研究纸的吸水性”实验的现状分析

（一）教材中“研究纸的吸水性”实验原型分析

“研究纸的吸水性”实验选自苏教版小学科学三年级下册四单元“身边的材料”中的第二课《纸》，教材中设计的实验是将不同类型的纸裁好平铺于桌面上，再用滴管吸取有颜色的水滴在纸上，通过观察水迹大小即水在纸上的扩散速度，来判定不同类型的纸的吸水性强弱，扩散速度越快的纸吸水性越好，扩散速度越慢的纸吸水性就越差。

在该实验中，为了让实验现象更加明显，加入了有色素的水。但仍然存在一些不足之处待改进。

1．无关变量干扰

在该实验中，学生用滴管吸取含有色素的水，滴在不同材质的纸的中央。在这一步骤中，滴等量水的公平性和滴水的同时性两个无关变量的影响是无法控制的，因而会对实验结果的准确性造成影响。

2．实验结果不准确

该实验研究纸的吸水性强弱的方法是通过肉眼观察水滴的扩散速度，而这种比较方法很容易受主观因素的影响，不同的学生对水滴的扩散速度的观察结果也有可能不一样，容易造成学生之间获得的实验结果差异太大的现象。

3．被测样本数少

该实验方法只能观察两三种材质的纸上的水滴扩散速度，不能观察、比较水在多种材质的纸上的扩散速度，并且在短时间内完成滴水、观察、做好实验记录等操作，对小学三年级的学生而言本身就具有一定的难度。

（二）“研究纸的吸水性”实验的研究现状

根据文献及相关资料的查阅发现，对“研究纸的吸水性”这一实验已经有了如下的一些改进：

1．实验方法的改进

《自制“纸的吸水性”装置》一文提出将大小相同、材质不同的纸条粘在木板一端的同一高度处，然后将木板放在水槽中，纸条落入水中，观察“水上升”的过程，最后把每条纸吸收的水挤在5 ml 的小量筒中，通过比较水的多少来判断纸的吸水性的强弱。该实验方法产生的现象比较明显，并且形象直观，在量筒中比较水的多少这一现象也一目了然。然而由于纸条过轻再加上空气的作用，将木板放入水槽的过程中纸条容易飘起来，从而导致其不能同时接触水面；此外，“挤水”的操作也会随着学生使出的劲儿的大小不同而产生不同的结果。

除了用“挤”的方法比较纸吸水的多少，还可以将材质不同、大小相同的纸张同时放入含有等量水的水杯中，等待一定的时间后，取出纸张，测量水杯中的水下降了多少，得出各种纸的吸水性强弱。此方法操作简单，但取出纸张时，纸张上还有未被吸收的水滴，这一部分水不能算作被纸张吸收的水，所以也会对实验结果造成影响。

2．实验技术的改进

为了在科学课堂中引入现代教学仪器，以Arduino 为核心的自制教具——“看‘水’跑得快”，通过在Arduino 编码简单函数并结合水滴传感器来检测纸张吸水的情况，能高效、直观、精准地判断不同纸张的吸水快慢。但是在Arduino 中编码函数，对低龄段的学生来说是具有挑战性的。其次，像Arduino 这类现代教学技术手段，对学校设施资源和教师要求相对较高，故不能全面适用于设施资源相对缺乏的农村小学和偏远地区小学。

三、实验装置改进

如何保证实验的等时性和公平性？如何消除主观因素，用相同的标准来检验实验结果？笔者的回答是减少向纸滴水的操作，并将实验结果数字化，把吸水速度这一抽象的概念转化为学生可以直接获得的数据。

基于以上分析和教材原有实验的不足，笔者将实验装置做了如下改进。

（一）实验装置及其改进思路

装置的最外面为一个水箱，水箱上方左右两端设计两个相同尺寸的缺口，为了防止实验的纸条在放入容器的过程中受到空气的作用飘起来，从而保证所有的纸条能同时接触到水箱中的水，特地给纸条设计了一个卡槽，卡槽中有四个等高等宽的卡位，最上面有对应的四个小挂杆，可以将四张尺寸相同、材质不同的纸条插入不同卡位且固定在挂杆上，纸条插入卡位中可避免大面积与空气接触，在每个卡位边上都刻有刻度，可直观读出最高水迹的高度，较客观地得出结果。

该实验装置的改进选用亚克力板来完成。图1所示亚克力板拼接的水箱的尺寸（单位mm），用于盛水。再用图2 所示尺寸的亚克力板拼接成纸条的卡槽，卡槽中有四个卡位可放置各种不同材料的纸条，每个卡位边刻有对应的刻度（单位cm），如图3所示。整个装置的组装效果图如图4所示。

图1 水箱尺寸图

图2 卡槽尺寸图

图3 卡槽效果图

图4 整个实验装置效果图

（二）实验装置的使用方法

在实验过程中，首先选择四种不同材质的纸为实验对象，接着将它们裁剪为长13cm 宽2cm 的纸条，分别固定在四个挂杆上，插入对应卡位中。然后在水箱中加入深度为2～3cm的水，并慢慢将卡槽准确地放在水箱的缺口处，保证四张纸条同时浸入水中且最初深度相同；等待2～3 分钟，读出四张纸条水迹最高处的示数，及时将数据记录在活动记录单中（表1）。最后通过分析、比较数据，得出不同纸的吸水性的结论。

表1 “研究纸的吸水性”活动记录单

本实验中选择牛皮纸、蜡光纸、皱纹纸、普通A4纸。

（三）注意事项

首先，裁剪纸条时要用直尺测量，不能超出卡槽的长和宽；其次，要先加入水后再放纸条；最后，水箱里加入水后要静置1 分钟左右，等水面静止后再放纸条，以此保证纸条同时接触水面且与水接触的面积相等。

四、改进后实验装置的创新性及优点

笔者设计的实验装置不仅现象明显，还具有如下优点。

（一）化繁为简，避免无关变量的影响

等待纸条将水滴彻底吸收的过程是比较漫长的，如果将纸条放在水箱中，比较相同的时间里水迹上升的高度，不仅避免了同时性这一无关因素的影响，而且时间这一因素就变成了可控的，教师可以根据教学进度自行把控时间长短。

（二）精准量化，化模糊为具体

在教材实验中，无论学生怎样把控在纸面上滴水的速度，都不可能保证同时让水滴落在纸面上，即使解决了水滴同时滴落到纸上的问题，然而教材中也没有给出统一的标准来测量水迹大小，当水迹大小差别不大时，由学生的主观意识判断得到的结果是不可靠的，并且主观意识产生的误差是不可能减小或消除的。而笔者设计的教具将比较水迹的大小转化为比较水迹上升的高度，且结合刻度可直观读出上升数值，避免了学生在比较时的主观性，使模糊的结果变成具体的、可测的，提高了结论的准确度。

（三）轻松实现多种纸质同时比较

笔者设计的实验装置，一次可以比较四种不同材质的纸张的吸水性。在实际的教学过程中，教师可以根据课堂需求自行决定此装置尺寸的大小。无论是比较两种还是多种纸张的吸水性，此装置都是进行教学的较好选择。

（四）发展学生的创新思维和实践能力

此装置选用亚克力板，用AB 胶黏合而成，用材相对简单，制作容易，可反复使用，较好地弥补了教材实验的不足。在学生平时的学习和生活中，经常会接触到这两种物质，运用它们完成教具创新，能够激发学生的创造力，发展他们运用简单的材料来解决各种问题的实践能力。

五、改进过程中的思考与建议

怎样运用简单的材料完成教具的创新？这是笔者思考的首要问题。在很多人的意识里，教具创新就是要用高大上的材料重新制作一个器材，使其看上去十分专业。将简单的东西复杂化，这其实是一个误区。教师使用的教具一旦超出了学生的认知能力，忽视它本身的实用性，反而会给学生造成一定的困扰，特别是对于新颖事物有强烈兴趣的小学生来说，他们很可能会纠结在教具的某个点上出不来。因此，创新教具要考虑使用的对象，本着简单易操作的原则进行。其次，创新教具最主要的目的是把实验现象形象直观地展示给学生，在达到这一目的的基础上，所用的材料、操作的步骤当然越简单越好。

在教学过程中，实验的科学性、合理性、可操作性、安全性等，是遵循小学科学课程标准达到较好教学效果的重要前提。此外，随着“双减”政策的提出，像科学这样的学科必然会越来越受到重视，它不仅是一门学科，更是发展学生创新思维能力和探索精神的有效途径。想要适应这种趋势，科学教师就要不断累积经验、钻研教材、深入了解学生，还要结合自身和学生，反思教学效果，寻求新教法、探索新教具，将科学的态度展现给学生。