科学教育是基础教育的重要组成部分，2023年2月，习近平总书记在中共中央政治局第三次集体学习时做出“要在教育‘双减’中做好科学教育加法”的重要指示。今年5月，教育部等十八部门联合印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》。意见提出，通过3至5年努力，在教育“双减”中做好科学教育加法的各项措施全面落地。

学校是青少年科学教育的主阵地，抓好科学学科课堂教学是提升科学学习质量的重要保证，而科学实验作为学生学习科学的重要载体，对科学教育起着至关重要的作用。因此，在“双减”中做好科学教育加法，必须进一步围绕课堂教学提质增效开展深入的教学改革。而实验的创新与改进能够提升实效，提高学生操作的便简性和严谨性，呈现科学现象由抽象到具体，帮助学生突破学习难点，发展思维，构建核心概念，是提高课堂教学的有效方式。

本文以教科版小学科学四年级上册《运动》单元第2课《用气球驱动小车》为例，探究科学实验的创新改进，在双减中赋能科学教育课堂加法。

一、原实验不足

《用气球驱动小车》一课指向两个核心问题：1.是什么力让物体从静止到运动；2. 物体运动的距离（速度）与反冲力的关系。教材中安排了3个探究活动：探究1——感受气球的喷气方向和运动方向，指向初步感受反冲力；探究2——组装利用气球驱动的小车，指向利用反冲力驱动小车；探究3——思考让气球小车行驶得更远，指向控制反冲力大小。但在实际教学时，气球方向难控制从而增加学生观察难度，一味追求行驶距离从而限制学生思维发展，缺乏衡量标准从而导致学生操作困难，使教学难以按预期目标开展，难以顺利解决本课的两个核心问题。同时“物质的运动与相互作用”较为抽象，对学生的探究水平提出了较高的要求，因此对课堂实验教学的要求也相应提高，涉及的实验器材为较为经典的机械运动、热运动和电磁运动的传统实验器材，对于小学科学实验教学而言缺乏针对性和实用性，教师往往需要花费大量的时间讲解实验器材复杂的构造和使用方法，大大降低课堂效率。

从单元角度来看，《运动和力》单元主要让学生初步认识和感受重力、反冲力、弹力、摩擦力等几个简单的力，利用的器材有小车、垫圈、气球、橡皮筋、弹簧测力计等，材料丰富实用，有助于解决课时核心问题。但课时之间缺乏联系，缺乏科学概念的连贯性和综合性；材料多取自仪器室，与生活生产实际联系少，难以将所学知识运用于生活及其它新的情境。

（一）观察难——反冲力不可视、方向不可控

教材中探索1活动感受气球喷气方向和运动方向，而实践操作时，由于气球太轻，喷气方向和运动方向时刻在改变，不便于学生的感受和观察。其次，探索2活动中气球的喷气方向和运动方向都是水平的，在这里就缺少了对水平方向的感受与研究。

（二）思维窄——易演变成吹气球比赛

原实验一味追求小车行驶的距离，因此实验就转变成谁能将气球吹的更大，操作难度低、趣味性差，而气球的承受能力有限，实验时危险性也较大；其次，学生只能想到通过改变气球大小来改变小车运动的远近，很难想到其他方法，如更换气球、喷嘴口等，思维的发散受到了限制，难以进入深度学习。

（三）操作难——气球大小难控制、无明确衡量标准

气球大小全靠学生主观控制，没有明确的衡量标准，具体操作时还容易漏气，得到的实验结果信度低，难以和结论之间建立因果关系，最终结论的得出全靠学生的前概念，使实验失去意义。

二、实验改进

针对以上分析，设计本课实验器材“返回基地——反冲力实验装置”，如图1所示。它由这几部分构成：轨道支架、月球车、喷嘴和皮卷尺。轨道支架的上部固定一根铁丝，上面串有气球固定装置，气球与滴管相连在此穿入可以自由的在水平方向运动。支架两边粘贴丝带，可将气球喷出的气可视化。喷嘴三个——两个无阀门但喷嘴口大小不同、一个有阀门，这个喷嘴的气球上标记了线段AB。

图1 返回基地——反冲力实验装置

如图2所示，接下来我将针对原实验的不足，具体介绍“返回基地”这套器材的创新改进，及其在实际教学中的应用，从而更好的解决本课的两个核心问题。

图2 本文研究思路

（一）“加”构造优体验，化抽象为现象

《意见》指出，要落实科学及相关学科教学装备配置标准，加强实验室建设。探索各种技术手段改进和强化实验教学。在具体教学时，首先，要用齐用足用好现有实验材料，让学生在不断的动手探索过程中解决科学问题、获得科学知识、提高探究能力；其次，针对现有实验材料的不足，应适当的进行改进，增加或改变部分构造来优化直观体验，化抽象为现象。

1. 加滴管——直观竖直方向的反冲力

将1ml塑料滴管的顶部减掉，用胶带与气球的出气口固定。塑料滴管膨大的顶部，能与气球的出气口较好的吻合，从而保证密封性；而1ml的滴管的重量合适，不会太轻使气球乱飞，也不会太重使气球飞不起来。这样的组合能较好的保证气球的喷气和运动方向。实际教学时增加了双手的体验，如图3所示：

体验感受：一位同学把气球吹大，用拇指堵住喷气口并调成竖直，另一位同学一只手放于气球上方，另一只手放于喷气口下方，用心感受，并抓住气球。更换新的气球，轮流体验。

通过体验感受，学生清晰地感受到气球的运动跟喷气时的一种推力有关！向下喷气，气球向上运动，方向正好相反。

图3 增加滴管后的气球        图4 增加支架后研究水平方向反冲力

2. 加支架——研究水平方向的反冲力

将装有滴管的气球安装在支架上，如图4所示，还可以研究气球在水平方向的运动，从而更精细更全面的研究反冲力与喷气方向的关系：

直观现象：一位学生将气球吹大并用拇指堵住喷气口，松手后观察气球的喷气方向（借助丝带）和气球的运动方向，交换气球放置方向再试一次，记录结果，交换气球放置位置，再来一次。

通过直观现象，学生可以发现，在水平方向上，气球的运动方向也与喷气的方向相反。通过这两次体验，学生对反冲力和它的方向有了丰富的体验和直观的认知，能科学的解释是反冲力使气球从静止到运动，还能准确的判断气球运动的方向。从而顺利解决本课的第一个核心问题。

从体验到直观，再到判断，加深现象的视觉冲击；在观察气球运动时，兼顾竖直方向与水平方向，注重细节的充分考量，从现象到精细；增加支架构造后，将不可见的反冲力转化为可见的气球的运动，将不可见的喷气，转化为手的触觉和丝带飘动的视觉，化抽象为现象，直观反冲力形成。

（二）“加”项目促思维，化定势为发散

《意见》指出，深化学校教学改革，提升科学教育质量。实施启发式、探究式教学，培养学生深度思维。探索项目式、跨学科学习，提升学生解决问题能力。在科学教学中，应提供更多项目式学习、创新发明制作等活动，激发学生好奇心、想象力和探求欲，培养学生科学兴趣，引导学生广泛参与探究实践，并在此过程中并在此过程中获得科学知识、掌握科学方法、解决科学问题，从而促进其思维发展，化定势为发散。

1. 改善教材任务，提升探究意义

对教材中的实验做了优化，创设了一个让月球车返回基站的情境，如图5所示。学生不会再一味地想把气球吹到最大，而是要有计划地改变气球大小、喷嘴口大小等来改变反冲力大小及其持续时间，危险性更小，趣味性、科学性更强。

图5 月球车返回基地情境

2. 创设项目学习，螺旋递升思维

设置递进性的项目，如表1所示。其中，第一层级——让月球车运动起来，指向反冲力概念的运用，第二层级——让月球车返回基地，指向反冲力方向的改变，第三层级——让月球车精准到达基地，指向反冲力大小的控制，由易到难，循序渐进。并提供多种组合条件，不设唯一解，实现思维的逻辑递升。

表1 改进后的项目学习与原实验的对比

在教学时，首先，学生需要利用反冲力让月球车运动起来——先组装月球车，将装有气球的喷嘴安装到月球车上，吹大气球，用拇指堵住喷气口，将月球车放在水平桌面上，观察月球车是否运动起来；再控制反冲力方向让月球返回基地——重复上述操作，将月球车放到支架起点处，改变喷嘴口朝向，观察月球车是否能返回基地。这两个层级的项目是对反冲力及其方向的理解应用。

接着，任务来到了第三层级，需要控制月球车运动的距离，使其精准到达基地。学生马上可以想到，可以通过改变气球和喷嘴口大小从而改变反冲力大小和持续时间来加以实现。但在具体操作时，学生会遇到一些困难，如吹完气球用拇指去堵住时会漏气、再比如无法精确调整气球大小，导致无法精准回到基地等，在实践中发现问题并思考解决方法，从而激发继续学习的内在动机，综合判断已有现象和事实，不断质疑、改进、修正，突破定势思维，培养发散思维。

（三）“减”操作明指标，化繁琐为精简

“物质的运动与相互作用”这一核心概念抽象程度较高，对学生的探究水平要求也较高，探究活动数量也较多。而一节课的探究时间有限，因此要精心设计实验材料，减少学生在操作时的繁琐步骤、避免因操作不便得出错误结论，精简细化操作，明确衡量指标，化繁琐为精简。针对学生在项目学习时发现的问题，提出合理方案，出示改进材料（图6），继续实践探究。

1. 巧妙利用阀门，精简细化操作

将输液管中的阀门剪下，加在喷嘴和气球之间，这样既能保证气球吹大后不用手堵住也不漏气，又能调节喷嘴大小，从而研究其对反冲力的影响。增加气球的构造后，气球运动方向更稳定更全面，学生操作更严谨更简便，大大优化了直观体验。

图6 改进后带阀门的喷嘴口

2. 线段标记气球，明确衡量指标

在气球两端标记AB两点，用打气筒将气球吹大，将AB两点沿皮尺划线连接，再将气球恢复到原样。在具体操作时，随着气球被吹大，线段AB的长度也会随之变长，起到标记气球大小的作用。

具体实验时，先打开阀门，将气球吹大，不要松口，立刻关闭阀门，再将整个喷嘴装到月球车上，注意有阀门的一面朝上（以防气球吹大后接触地面）。用皮尺测量气球上线段AB的长度并记录到活动记录单上（表2）。将月球车放到轨道支架起点处，用拇指堵住喷气口，打开阀门，松开拇指，观察月球车是否到达基地，记录实验结果，根据实验结果，不断修正，反复实践，直至月球车成功到达基地。

表2 让月球车精准到达基地活动记录表

结合实验，引导学生交流。除气球充气多少以外，学生还会从阀门打开的大小、气球本身大小和伸缩能力等多方面进行分析，培养学生发散性思维。本课的第二个核心问题也得以解决。

此时课堂接近尾声，教师鼓励学生继续探究，从而将项目延伸到课外，继续设计实验，微项目化探究。在不断的探究中引发了学生思维发散，让科学研究真正走向解决生活实际问题，真正培养学生科学素养。

三、实验成效

（一）实验材料生活化

本次实验创新改进的材料均来自课堂和生活实际，易取得、成本低、易推广，便于学生在课后继续探究，便于家长的参与，从而推动科学教育走进千家万户，提升家长科普意识和学生科学素质。

（二）实验器材通用化

本套器材还具有通用化的特点。能沿用到《运动和力》单元其他课时，如第1课《让小车运动起来》、第3课可以继续《用橡皮筋驱动小车》、第5课《运动与摩擦力》，以及三年级《物体的运动》单元部分课时，都可以“返回基地”为主项目，形成一系列相互关联的项目群。从而将“物质的运动与相互作用”这一核心概念所涉及的课时加以融合，做到年级学段的有机衔接。

（三）学生思维主动化

本套器材的使用，使实验操作更简便，效果更明显，记录更方便。有助于提高学生操作的科学性、严谨性；项目化的任务驱动，让学生从被动接受到主动思考推理分析，设计实验改进完善，提升了思维的主动性以及建构知识的整体性。

在“双减”背景下，教师要不断加强理论和实践研究，聚焦科学实验创新与改进，在原有实验器材的基础上，“加”构造优体验，化抽象为现象；“加”项目促思维，化定势为发散；“减”操作明指标，化繁琐为精简，寻找最有利用学生思维发展、能力提高的方法，从而为科学课堂提质增效，赋能科学教学加法。

参考文献

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