科学探究之“器”（上）

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桂馨乡村小学科学课教师培训——乡村小学科学课教师培训项目，是基金会为支持中国乡村小学提升教学质量、完善和规范开展教学而特别设立的乡村教师支持项目。项目旨在提升乡村小学科学课教师的教学理念，增强系统知识，改进教学技能，使其成为对学生科学素养形成有决定意义的合格教师。

“科学探究之‘器’”中的“器”是指科学和技术的结晶物。想一想，人类发现自然界里有电，科学家探究它的奥秘，发明了电池，电能才得到了实际应用。这个电池就是“器”，它是技术的产物。一百多年之中，经过不断的改进，电池的种类越来越多，应用也越来越广泛，手机、电脑、电子表、录音机、摄像机、照相机……到处都少不了电池，电池成为现代人须臾不可缺少的“器”。

在其他行当里，如文化领域里边也有“器”。古时候写字用什么写呀？用树枝在地上写，然后发现这块岩石比那块岩石软一点，就拿去在岩壁上画画、做记号。以后发明了羽毛笔、铅笔、钢笔、毛笔、圆珠笔……这也是“器”。军事领域里，武器几乎是决定战争胜负的关键。大刀长矛打不过军舰和枪炮，普通武器打不过原子弹、氢弹，那也是“器”。科学家发现了某些物质的科学规律以后，就会出现新型的“器”。所以我们说，“器”是科学与技术的结晶。

科学探究活动所用的“器”，其主要作用是测量。科学探究的范围很大，下面就介绍一些不太常见的“器”，讲讲如何用这些“器”做科学探究。

最近，国家科技部和教育部课程教材中心共同启动了一个叫做《中小学探究学习与创新人才培养机制实验研究》的课题，在全国范围里开展。笔者参与了其中一所项目学校的课题研究，同时做小学科学探究学习案例的探索和开发。

这所项目学校探究课的研究对象是航空航天科技，这个课题项目研究范围很窄，特别是涉及到“航天”知识。让小孩子去探究一些航天的东西确实比较难。校长动员了学校全体教师，大家一起想办法，在半个多月里，开发出了适合小学生探究的十六个课题。

这些研究课题很巧妙，初看有点稀奇古怪，然而对培养孩子的创新能力是很有价值的，对我们科学教师的教学设计也极有启迪。

一、科学探究中用于测量的“器”

测量是探究技能里很重要的一部分，其他的技能是大家都熟悉的，如：观察、排序、解释数据、推理、比较、提出假设、预测、分类、使用变量、交流、调查、实验、计算、建立模型等。

“测量”如何来定义呢？就是运用各种工具测量一个物体或事件的大小、距离、时间、体积、面积、容积、重量和温度等，同时还要学习使用测量工具。（如：直尺、秒表、量杯、量筒、弹簧秤、温度计及各种传感器）。

1. 测量长度。如果每人手上有一张图，要求大家测量图上线条的长度，想一想，用什么工具来测量呢？

（文具盒里边有一些工具，可以用它们来试试，然后把测量出来的结果用铅笔写在线的旁边。）

（小组汇报测量结果。）

第二小组汇报了测量的长度以及用什么工具测的。很特别的一点是他们测量曲线的长度，他们用一根线去量曲线的长度，再把线拉直放在尺上测量一下就测出来了。但总的来说，曲线测起来还是比较麻烦。

既然这样，是不是来做一个测量曲线的“器”呢？在数学里边，什么东西的长度与它的直径有直接关系？直径定了周长肯定是一定的，就是一个圆。我们可以用纸做一个测距仪。最后做好的测距仪是这样的（如下图）。

制作方法：用文具盒里的材料来做，一支带橡皮头的铅笔，一个图钉，胶水和剪刀，还有一张卡纸，上面有印好的三个圆。做好测距轮后，测量直径，再量出周长。（从零开始滚过去，看一下滚一周有多长，这样就更直接，不用计算了）。

我们剪的时候会有些误差，有些人剪在线的外面，有些人剪在线的里面，所以最后滚一圈的长度会有些差距，还有的可能剪得不太平整，有些坑坑洼洼的，所以还不如就拿着轮，在直尺上从零开始滚过去，轮上有个记号，看看回到记号这儿是多长。

我们为什么要做这个活动呢？就是要让各位教师知道，这是一种很好的测量曲线的方法。也就是说，用它来测量曲线会很方便。这样的“器”现在已经有了，而且是个非常简单的“器”。

笔者出示轮式测距仪。 （右图一）

这个“器”就称为轮式测距仪，目前国外应用的比较多，它的轮子转一圈正好是一米，这儿有个计数器，归零以后，要测量长度的时候，只要拿着这个柄推着走就可以了，这个测距仪用起来非常方便。它的精确程度是一米以下，非常准的。这个仪器最大可以测到五位数，可以用在农村测量土地的大小、长度、宽度上，还可以用在交通警察测量高速公路交通事故的现场，比如车侧翻的轨迹是一个弧形，用直尺量可能有问题，就可以用这个仪器去测；另外就是排电缆，从一处要排另一处，弯弯曲曲的，不知道线该有多长，也可以用它测量；此外，还有运动场里画场地的时候，足球场长应该多少米，宽应该多少米，都可以用它去测。

要做到精确测量，有什么办法可以提高精度呢？其实，就是求平均值 ，一般来说三次加起来除以三，平均数有了，精度就高了。取样的次数越多，精度就越高。教师们在上课时，也要尽量让学生动手去做。

教师们使用测距仪测量弯曲小道的长度。 （见右图二）

我们用电子表格自动求平均数，平均值是21.36875米，当然用不着这么高的精度，可以把后面的数值四舍五入，近似值是21米。我们取了九个样，平均得出来的是这个数值。也就是说，我们测量曲线可以采用这种方法。这个器材应该说是很好用的，很方便。这儿就反映了平均值的意义。图三中的这个曲线，在统计学里边叫做“正态分布曲线”。

测量数据都集中分布在中间这一段，用数学的办法，取它的平均值就能够得到比较精确的结果。小学数学里就有这个内容。

其实，生活中摩托车上的里程表就是用的这个原理。东汉科学家张衡发明的记里鼓车也是用这个原理制造出来的。也就是说，1900多年前中国就有这样的“器”了。

我们骑着摩托车，开着汽车，大多数人并不知道车上的里程表数值是怎么来的。其实它们的原理和我们的测距仪是一样的。

古代的记里鼓车是为了测量路的长度，比如要知道从京城到兴山这个地方路有多远，就用马或者人拉着这个车，它每走一里路有一个木头人敲一下鼓，走了十里路呢，另外一个木头人再敲一下鼓，记里鼓车旁有个人在记数，当时科技不发达，就是手工记的，记到最后，到底走了多少路就可以得出来。

记里鼓车这个“器”就是科学与技术的结晶。这样一个古代的机械，我们今天还在用。当然，随着科学技术的发展，里程表也在不断改进。比如，以前用齿轮来带动计数器，现在有很多是感应式的，里面没有齿轮了，就是一个感应头，它转一圈跳一个数字，自行车、山地车上都用得很多。这些计数器都是感应式的，不是用齿轮传动计数，齿轮传动不论做得多么精巧都会有些阻力，骑车会感到重，而且还会磨损，用感应的办法就不会磨损，这是测量路程的“器”。

另一种测量长度的“器”，一个是超声波的测距仪，一个是激光测距仪（见左图四）。激光测距仪测量的距离可以长一点；超声波测量的距离会短一点。

激光测距仪还有一个功能，可以计算面积。测了长度，只要按一下乘号，再测宽度这一块的面积就算出来了。如果要测这一块的体积也可以，把它翻过来放在地面上，测得高，再把刚才的面积乘以这个数，就是这一块的容积。

像这种测距方法，在那所研究航空航天科技的项目学校里怎么用呢？学生放飞的火箭下降时有个降落伞，比较容易瞄准，学生就对着降落伞测火箭飞的高度。这其实是一种很好的科学方法的训练，不一定测得多么准，就是要让学生知道，现代科技有这样的东西可以用来测距离，他在今后的科学探究活动当中，在生活当中都会想到用它。比如去买房子，这个房子面积多大，层高多少，那就测好了，测了就可以判断售楼材料写的是否准确。

还有一种测量长度的器械，是一个数码显微镜，这个是测微小距离的器械。

测量微小距离的显微镜

显微镜我们大家都知道，学校配备的学生显微镜是生物显微镜，或者是在工具箱里看到的手持式的显微镜。

教育部配的学生显微镜，光都是从下面照上来的，我们把它叫做透射式的，标本要是透明的，如植物的切片、岩石的切片等，切得很薄，夹在玻璃片里，放在显微镜载物台上，光从下面照上来，透过标本。而这个测微距的数码显微镜是上面有光下面也有光，不必将标本切薄就可以观察。

我们主要讲它的测量功能。比如要测面值一元的硬币上面那个“1”的长度，测出来的长度是1.42毫米；它还可以测量圆、测量角度等。

像这样一些器械，用在科学课教学上是非常有利的，它不仅可以观测微小的事物，还可以用来照相，也可以储藏很多的资料，教师上课也很方便。

有所学校做了这样一个研究，看厨房的抹布和厕所马桶盖上哪个的细菌多，结果是厨房抹布上的细菌要比厕所马桶盖上的细菌还多。

有些长度单位我们接触不到，但是关于长度的故事或者距离的故事，会给我们带来感动。下面这个幻灯片就描述了一个长度、距离到达极致的令人震惊的故事。

播放幻灯片《从镜头看世界》：

我们来进行一次高速的旅行，从一米开始，然后按照十的乘方增加，慢慢往上去进行宏观世界的探索，祝大家一路顺风。

这是从一米处看到的树叶；从十米上空看到的一片树林；一百米，看到我们房子的房顶；一千米，十千米，这时城市已经很小了，看不清房子；这是一千公里，这里看到的是美国佛罗里达州的一个角，一万公里，这是人造卫星上看到的，要离开地球了；十万公里，看起来地球很小了，我在哪里呀？一百万公里，地球和月亮的运行轨道，白色部分是月亮的运行轨道；一千万公里，地球轨道的一部分；一万万公里，金星和地球的轨道；十亿公里，水星、金星、木星和地球的轨道；一百亿公里，这时我们能看到太阳系和行星运行的轨道；一千亿公里，太阳系看起来变得有点小了；一万亿公里，太阳看起来就是众多恒星中的一颗，就是红框里边的那一颗，边上都是恒星；一光年（光年是天文学里测量距离的单位，光1秒钟走30万公里，光一年所走的距离就是一光年。在天文距离上用公里就没办法来统计了，数字太大。）十光年，一百光年，在这个距离上我们已经在银河系里边旅行了，你看满天的星斗，我们还没有出银河系；十万光年，开始接触银河系的外围了；好，这就是银河系，一百万光年，从那个距离我们看到的银河系；一千万光年，我们还能往远处走，但是，我们还是早点回家吧，回去了。宇宙是如此的广袤，人类生活在地球上真是太渺小了，我们是谁？我们将去什么地方？我们从何而来？这样看了以后，我们的眼界也开阔了，不要老看着我们眼前生活上的一些事，经济上的一些事，想想我们在自然界太渺小，我们要为小朋友的科学教育而奋斗。

刚才是往宏观的方向，现在往微观的地方去。一片树叶，十厘米的距离，我们看到树叶的样子；再往里面，一个厘米，我们能够看到它的结构，如叶脉等；一个毫米，细胞组织开始展现；十个微米，细胞内部结构；一个微米，细胞的核；这个是染色体了；这是埃米；一百埃，这是DNA的显微照片，不是模型；十埃米；一埃，大家看清楚啦，这是一个碳原子；十个皮米，我们可以看到电子了；这是一个皮米；我们可以看到原子核；十个飞米，碳原子的原子核，一个飞米，能够看到质子。现在你想想，你是宇宙的中心吗？看了这以后呢，我们对整个自然界有个比较深的了解，从测量展开去，我们看到了宇宙还有物质内部的一些情况，都跟测量有关，都跟我们的长度单位有关。

（放映幻灯）长度单位：

（未完待续，敬请期待）