《摆的研究》实验创新

    张朋

    摘要：实验“摆的研究”对于学生初步掌握钟表的原理，有着重要的促进作用。摆钟的出现提高了人类对时间的准确认知，研究摆的快慢与什么因素有关，对理解摆钟的原理和设计制作摆钟有着重要的作用。根据实验操作时反映出的问题，对实验方法和实验器材进行改进与创新，从而达到高效精准，体现实验的科学与严谨。

    关键词：小学科学摆的研究改进与创新

    《摆的研究》涉及三个实验探究，如何引导学生自主设计实验方案，分小组独立完成每个实验，显得至关重要。为了实现教学目标，更高效地完成实验，我对实验方法和实验器材进行了改进与创新，为学生呈现更为直观清晰的实验现象，从而增强学生对科学知识的感性认知和探究性体验。

    下面，我将该实验在教材中的地位与作用、实验原型存在的不足、个人对于该实验的改进与创新、改进后的实验器材、改进后的实验过程等，陈述如下：

    一、实验在教材中的地位与作用

    《摆的研究》选自教育科学出版社《小学科学》五年级下册“时间的测量”单元，本课的重点在于研究“摆的快慢与什么因素有关”，起着承上启下的作用。基于学生在前期的学习中对“摆”已经有了一定的初步认识，并积累了一定的生活经验。因此本课旨在让学生能够使用 “控制变量”的方法搜集证据，体验精确测量对科学研究的重要性。

    二、实验原型存在的不足

    探究实验一：摆动快慢与摆绳长度的关系。

    原型不足：在变换摆绳长度时，需要多次系绳。不仅耽误时间，而且不容易把握摆绳长度，进而会误导学生认为不是同一个摆。

    探究实验二：摆动快慢与摆锤重量的关系。

    原型不足：在更换摆锤重量使用钩码时，两个以上钩码挂在一起，形成多次连接，容易晃动，测量数据不准确;而使用铁球时，不容易拴住，铁球比较重，也不容易区分不同铁球的重量。

    探究实验三：摆的快慢与摆幅大小的关系。

    原型不足：摆幅存在不定性，不容易控制摆幅大小，从而产生实验误差。

    同时，在三个实验中，由于需要多次实验，人工计数不仅麻烦，而且还耗时，容易出错，形成误差。

    三、对实验的改进与创新

    创新是实验教学永恒的主题，基于对学生科学素养的养成，本节课我以“实验的改进与创新”作为切入点，让学生亲身体验传统实验的不足，兴趣与思维碰撞，主动思考，共同完成实验的改进与创新。

    本节课实验的改进与创新，主要从以下几个方面进行。

    1.体现重心稳定性原则

    之前我用钩码做摆锤，当增加钩码时，造成重心下移，间接增加了摆绳长度，形成误差。改进后，我用大小一样的小磁扣横向相互吸附，以此充当摆锤重量，不仅可以保持重心不变，提高实验准确性，而且还能更容易增加摆锤重量（如图1）。

    2.体现废旧物利用原则

    之前在进行摆绳长短对摆的快慢的影响时，一次次更换摆绳，特别不方便，不仅耗时，还不容易确定摆绳的长度。在摆的装置上，加装生活中废旧物“轮轴”。通过转动“轮轴”，便可轻易做到变化摆绳的长度，达到一根摆绳多次使用的目的，无需多次系绳，大大缩短了因更换摆绳所耗费的时间（如图2）。

    3.体现直观测量摆绳原则

    为了增强实验的对比性，更直观地观察摆绳长短对摆的快慢之影响，我便对摆绳染色，每10 cm涂上一种颜色。通过轮轴可以轻易调整摆绳长度，进行对比实验，从而验证不同摆绳长度对摆的快慢之影响（如图3）。

    4.体现变量充分性原则

    教材中只安排了两项活动，探究摆绳和摆锤是哪个因素影响摆的快慢。而在实际教学中，学生还会提出摆幅大小会不会影响摆的快慢，因此我便增设摆幅探究活动。由于摆幅大小不容易确定，所以需要特别制作摆专用量角器。我首先用白纸覆盖量角器，然后在白纸上清晰标注几种具有代表性的度数，如此在指示摆角方向就更加明确，同时操作起来又特别方便（如图4）。

    5.让创新助推科技发展

    本节课的三个探究实验，都需要分工明确的小组合作共同完成，尤其在计时器开始时，更需要同步记录摆的次数，否则容易出现错误。为解决人工计数带来的麻烦，让学生体会科技带来的便捷，我在摆的装置中加装传感器，便可自动计时。但是需要提醒学生了解摆动一次，摆锤经过传感器的次数是两次，所以传感器记录的数字应除以二，才是摆的次数（如图5）。

    基于以上的改进与创新，新的实验装置（如图6）不仅培养了学生的创新能力和环保意识，而且更加激发了学生对科学探究的兴趣。

    四、改进后实验所需准备的器材

    铁架台一个、细线90 cm（每10 cm涂上一种不同的颜色）、小磁扣若干个，覆盖白纸的量角器一个，传感器一个，轮轴一个。

    五、实验过程及其相关说明

    1.探究实验一：摆的摆动快慢与摆绳长度的关系

    这个探究实验中，在保持摆锤轻重和摆幅大小不变的条件下，再通过转动轮轴调节染色的摆绳，使摆绳长度依次为20 cm、30 cm、40 cm，然后依次记录15秒内摆的次数，进而进行比较。

    通过对实验数据的分析，我们可以得出这样的结论，即“摆的摆动快慢与摆绳长度成反比例关系。同一个摆，摆绳越长，摆动越慢;摆绳越短，摆动越快”。

    2.实验二：摆的快慢与摆锤重量的关系

    这个探究实验中，在保持摆绳长短和摆幅大小不变的条件下，再通过改变小磁扣的数量，调整摆锤的重量。由于小磁扣的磁极异性相吸，两个小磁扣可以很容易吸引在一起，因此，可以将摆锤重量设置为两个小磁扣、四个小磁扣、六个小磁扣，然后依次记录15秒内摆的次数，进而进行比较。

    通过对实验数据的分析，我们可以得出这样的结论，即“摆的摆动快慢与摆锤的重量无关”。

    3.实验三：摆的快慢与摆幅大小的关系

    这个探究实验中，在保持摆绳长度和摆锤轻重不变的条件下，再通过改变摆幅大小，使摆幅大小依次为30°、60°、90°，然后依次记录15秒内摆的次数，进而进行比较。为了容易确定摆幅大小，在制作摆专用量角器时，在覆盖量角器的白纸上，先按照30°进行等分，然后标注。

    通过对实验数据的分析，我们可以得出这样的结论，即“摆的摆动快慢与摆幅的小大无关”。

    六、实验结果的创新应用

    本节课完毕后，通过整体回顾，让学生对知识再认识、再升华，在头脑中对所学知识形成体系，同时再让学生联系实际说一说摆的应用。通过观看蛇形摆的视频，利用蛇形摆将摆的运动规律更加深刻地印记在学生的头脑中，加之再教授学生如何制作蛇形摆，则会更加提升学生继续去研究摆的热情。

    参考文献：

    [1]任勇.《摆的研究》实验创新设计[J].中国文字学，2016.

    [2]陶仙娟.《擺动科学》摆的实验改进案例[J].科学大众·科学教育，2015（2）.

    [3]胡小玲.摆的研究实验创新[J].科学课，2019（56）.

    责任编辑：黄大灿