杨苏兰论文：小学科学结构性材料“选择”与“组织”策略的研究
小学科学结构性材料“选择”与“组织”策略的研究
“材料的种类和组合以及交给孩子们的次序就是材料的结构。所谓结构严密指的是各个材料之间、材料与教学内容和教学目标之间具有紧密的联系。因此，具有这样功能的材料叫做具有严密结构的材料，简称‘有结构的材料’。”研究过《自然》或《科学》的老师对这段文字一定很熟悉。这一段话最早出现在兰·本达教授所著的《探究——研讨教学法》里。在这本著作里，兰本达教授提出：“材料引起经历”，“与科学概念有关的结构”能揭示
“探究小学科学实验材料的准备”探究的是如何准备实验材料，使科学探究得以顺利开展。本课题所作的研究是基于苏教版小学《科学（3-6年级）》教材。其理论依据：学生是科学学习的主体，学生对周围的世界具有强烈的好奇心和积极的探究欲，学习科学应该是他们主动参与和能动的过程。科学课程必须建立在满足学生发展需要和已有经验的基础之上，为孩子提供能直接参与的各种科学探究活动。实验材料的应用可以有效地引导学生动手、将思维引向深入，为学生的科学探究做好前提准备。
小学科学课是一门以引领孩子在亲历科学实验、活动过程中来丰富科学知识、提高探究能力和养成科学态度的课程。可以说，实验和活动是贯穿科学教学整个课堂的。学生要进行实验，要参与活动，活动材料必不可少。在绝大多数的科学课堂上，我们都可以看到，各种各样材料摆上了学生的实验桌，少则两三样，多则十几样。这么多的材料，是否在学生的学习中真正发挥了它们最大的效益？科学教师在材料的选择、设计乃至管理等方面是否有过精心的设计和思考？在不少的课堂上，我们看到“学生面对材料无从下手；学生把实验材料当做玩具玩耍；学生操作完材料后依然一无所获；学生被材料吸引，只当时玩玩具了……像这样一些问题，很难真正体现和落实科学活动的价值。在实际的教学中，科学实验材料准备起来存在很大的问题，解决不好直接影响科学探究的有效性。综上所述，我选取了“小学科学课实验材料的选择和组织”这个课题。力求通过这一研究，探索并梳理一些关于“学生活动材料选择和使用”方面的有效策略。
一、课堂上的材料并非多多益善，需要教师精挑细选，架构材料的内在结构。
材料准备的数量并非多多益善。材料种类和数量是一个需要考虑的重要因素。单一的材料不利于培养学生的思维发散性。多样的材料会激发学生从不同的角度去研究问题。只准备一种材料就不利于学生抽象概括出这一类事物的概念，必须提供丰富的个体样品才能形成科学的概念。但要消除材料之间不利因素的负面影响，更要利用材料之间的有利因素进行重新组合，以产生1+1大于2的效果。比如在教学《种子萌发的条件》一课的时候，有老师遇到了一个难题——怎么也找不到菜豆。在同行的建议下，他选择了黄豆、花生、绿豆。原因是学生们了解和熟悉这几种种子而且容易收集。教材里的范例——菜豆——对于学生来说则比较陌生，且也不易收集。在比如，认识单子叶和双子叶的种子——花生和玉米就很典型，而认识各种各样的茎，则需要选择了冬青树苗，牵牛花，葡萄苗，趴根草这四种典型的植物作为研究对象。代表性的材料不仅决定了学生实验的有效性，而且提高了教师教学的目的性。
1、指向概念建构
材料的组成必须指向与概念相关的结构。磁铁、铁块、镍块和铜块、铝块集合到一起就有了一种结构，磁铁和铁、镍能发生相互作用，而与铜、铝却不能发生作用，孩子在支配一组材料时发现的这一现象的概念，便是磁铁的特性。因此，为学生提供的学习材料，必须与所学习的概念组成相关的结构。例如在《物体在水中是沉还是浮》一课中——
老师上课准备了这样一组东西：螺帽、橡皮块、一盆水、回形针、光盘、软木塞、木头、一颗弹球和一只橡皮泥做的小球。那么，这一组材料后面有什么结构呢？把这些小玩意儿放入水中又会揭示什么关系模式呢？
孩子们也许会说，重的东西会沉下去，轻的东西会浮在水面。这是这一模式的一部分，这些物体和水的关系的一个部分。如果我们再加上一小块比那个软木塞和木块都轻的橡皮泥，我们就得想出一种新的模式来。如果我们想揭示一种更广泛的关系，我们可以再加上一只乒乓球、一团和乒乓球同样大小的泥球、一团揉成拳头一样大小的铝箔、一块石头，以及一块切成同那块石头大小和形状都一样的海绵。
这样就会揭示另一个现象：同样大小的东西，重的下沉，轻的浮着。如果要孩子们想办法让那块橡皮泥浮起来，他们最终会把它捏成一个船的样子。形状变了，可是重量没有变；大一些的孩子就会探寻一种新的模式！
第一步：提供一些肯定会下沉（螺帽、橡皮块等）、肯定会上浮（泡沫、纸片等）和难以辨别沉浮的材料（回形针、光盘等）。学生先开始猜测，这些材料中大的会沉，小的会浮，或者是轻的浮，重的沉。实验后，孩子们却发现结果却不是像他们所认为的，他们模糊地认为其实物体的沉浮与它的大小、轻重是没有关系的。
第二步：学生产生矛盾和疑问时，教师适时提供给学生一组大小一样，轻重不一样的材料（如实验分组材料中的塑料球）。学生实验后又惊喜地发现，这组大小一样的材料放入水中后沉浮不一样，轻的浮起来了，重的沉下去了。于是得出物体的沉浮与轻重是有关系的。
第三步：当学生开始怀疑“沉浮和大小是不是也会有关系呢？”时，教师根据学生的需要再提供给每个组轻重一样，大小不一样的材料。学生实验后又有一个重大发现：在这组轻重一样的材料中，大的浮，小的沉。
这些材料揭示了一连串相关的模式。
如果我们把上面讲的材料都交给孩子们，就会发现许多新的模式，孩子们会提出许多表达他们的发现的说法，作出许多有创见的回答，而这些又会提出新的问题。这些材料使孩子们都融入了进去，在许多层次上对他们表现出意义。
在这一堂课里，材料要求指向“比水密度大的会沉在水底，比水密度小的会浮在水面”这一概念，教师为孩子们的探究材料是一套实物教材，包括一些小球、小立方块、小圆柱等，每样都有两个，一个是能沉的，一个是能浮的，还有一些既能沉又能浮的粘土、铝箔。“哦，原来物体在水中的沉浮跟轻重、大小还是有关系的。”“是越小、越重的就越容易沉。”“那轮船怎么会浮呢？”
除了刚才提到的东西外，假如再给孩子们一个气球。孩子们会干什么呢？他们把气球放在水盆里，人靠在气球上，这样水就会溢出来！使水流到地板上成为一个更有趣的经历。从心理学来说，这比那个使阿基米德光着身子跑过亚历山大城的大街，大喊“我想出来了！”的问题更有趣。
但从课堂管理来说，我们发现在这一活动中最好不要用气球。用短截的吸管来进行表面张力的实验也许是合适的，特别是在用肥皂水作为实验材料之一时。但是吸管和肥皂水会使人想起吹泡泡──确实，那也是表面张力的一种形式，但放在孩子聚会时，这会有意思得多！
“浮”这个概念是一种物质特性的表示，和关于空气的那次经历属于同一个概念体系。沉和浮还有另一个因素：东西为什么会沉呢？宇宙飞船在绕地球的轨道上飞行时，飞船舱里的任何东西都不会沉。我们需要有重力！从这一观点看，浮的概念可以归纳入宇宙处于永恒变化之中这一概念体系之下，永远变化的因素之一是物体之间的万有引力。
因此，选择材料时既要以它们和重要的科学概念有关作为基础，也要照顾到它们对孩子们可能具有的心理上的含义。在选择材料时，你怎样发现可能会引起转移目标的活动呢？一个办法是从孩子的角度来看看这些材料。但是在最后选定之前进行一下实际实验还是必要的。可以拿这些材料在某个小组的孩子中试试看，或者更勇敢些，在你班上试试看，但是心里要明白也许达不到这一结构所包含的目标。
2、体现教师指导
比如路培琦老师在执教《反冲现象》一课中，把材料的要求指向“物体里喷出气体、液体或固体，物体会向相反的方向运动”这一概念。路教师为学生提供的：“喷气能飞的气球、喷气能跑的小车、喷水能前进的小船、喷水能旋转的瓶子。这一组材料有气球、车、船、瓶，看起来毫无关联，但学生操作这些探究材料时会发现一个共同的现象：它们内部都喷出气体或液体，它们的运动方向都和喷出物体的方向相反。这样，这些材料集合在一起就具有了一种结构，这种结构揭示了反冲现象的概念。
再比如：A教师准备了纸张、乒乓球、沙包、羽毛等各种物体，引导学生通过研究这些物体在抛向空中时运动的状态来研究地球的引力。各种物体在抛向空中会呈现出不同的运动轨迹，因此，学生运动的思维会从各个角度去思考，发散性思维得到发展。B教师只准备了一个乒乓球，学生玩来玩去，最后无果而终。材料的丰富性，本身就预示着一种多样性、发散性和开放性！提供充足的材料最基本的是在数量上能满足每个学生都有操作实践的机会，每组学生都能有一套材料，每个学生就都有动手操作实践的机会。此外，教师还应准备一些备用材料，以防材料损坏影响教学。学生开展探究活动过程中，可能会想出很多方法来解决问题，每种方法所需不同的材料来开展探究活动。下面通过《轮轴》的案例，来分析教师利用材料来指导的艺术——
A教学：
A教师为每组学生准备了1盒钩码、2段粗线绳、1个铁架台、1个大轮、1个小轮、1个轴、1把大号十字螺丝刀。
上课一开始，老师出示一个水龙头，并做打开的动作，请学生观察水龙头的构造，简单了解水龙头的工作原理。然后揭示课题：像水龙头这样，轮子和轴固定在一起，可以转动的机械，叫轮轴。接着老师说：如果取下水龙头上的轮子，直接去拧轴，还容易打开水龙头吗？为什么？我们怎么才能够明白轮轴的作用呢？实验应该怎样设计？
然后提供轮轴装置，讨论交流，明确实验步骤：（1）、用钩码分别表示阻力和用的力。（2）、确定轮、轴谁为阻力，谁为用力？（3）、观察什么样的力量可以使轮轴两端达到平衡？（4）、钩码在不用外力情况下空中静止时为平衡。（5）、记录数据，分析数据。
A老师仅就“轮轴”本身来讲“轮轴”，学生不光听来索然无味，对轮轴的结构和工作原理也不会有太深的理解和认识。因为“轮轴”是一个环形结构，或者说是一个变形的结构，从力学上理解它的工作原理很抽象也很费解。
B教学：
B教师为了化解这一难点，将轮轴和上一节课的“杠杆”联系起来，以杠杆的变形来分解轮轴的结构。一上课就和学生讨论：如何用一根杠杆吊起深井里的重物？在老师的引领下，学生把杠杆的阻力点和动力点运行的轨迹画出来，就是一个弧形（里面是小弧形，外面是大弧形）。
这时候，老师启发学生思考并且制作了这样一个可以旋转的杠杆：如果把这根杠杆转上一圈会怎样？在教师的演示中，学生顿时惊叹并豁然开朗起来。因为很明显，杠杆运行的轨迹就成了一个轮轴的形状（里面的圆弧是轴，外面的圆弧是轮）。如下图：
接下来，学生自然会把“杠杆”的动力点和阻力点分别与“轮轴”的轮和轴一一对应起来，从而很容易理解轮轴的结构和省力原理。这种“联系”既简便易行，又很有趣味，使科学探究过程变得自然顺畅、轻松活泼。
在《阳光下的影子》教学中，教材安排将一根铅笔用橡皮泥垂直固定在木板上，做一个简易的日影观测仪（照片），放在校园里能照到阳光的地方进行观测。通过测量铅笔在阳光下影子长度、方向的变化，发现阳光下物体影子在一天中变化的规律。备课过程中我按照教材里的方法进行操作，发现采用这样的材料组合，可以解决过去利用竹竿进行观测时需要学生把持和竹竿影子太长，不利于长时间观测和测量记录的弊端。但是铅笔较短，用来固定他的橡皮泥座相对较大，铅笔影子的一部分会落在突起的橡皮泥座上（照片），这样阳光下的影子并不是平直的，而是弯曲的（照片），这样很难使用直尺直接进行准确测量影长的操作。同时如何确定影子长短也成了问题。
只有让影子投在平面上（照片），才能便捷、准确地测出阳光下影子的长度和方向，采用什么样的材料组合才能达到这样的预期效果呢？经过反复思量，我选择学生生活中常见的铁钉、制作笤帚的桨杆代替橡皮泥和铅笔（照片）。对这些材料加以处理：取一段10厘米长的桨杆剥净叶子，在木板中心从下至上钉透一个铁钉（照片），把桨杆插在铁钉上（照片）。经过这样处理后，桨杆在阳光下的影子落在平面上，不但便于长时间地进行观察，而且可以通过采用将影子的长度、方向描画在下面的白纸上的方法，准确、详细地进行记录。
像这样经过改进的、相互间有联系的、具有结构的实验材料，有利于帮助学生在探究活动中认识现象，学习和掌握科学知识，形成科学概念。有效地突破教学的重难点，促进课堂中探究活动的有效开展。
3、满足操作需要
【案例】《磁铁磁性的强弱比较》
A教师预设了三种方案：
方案1：在磁铁的不同地方挂回形针，比一比哪儿挂得多？
方案2：磁铁的不同地方慢慢靠近一铁钉，比较把铁钉吸过来的距离大小。
方案3：用一钢珠慢慢靠近磁铁，看它往哪边滚？
这些不同的方案各需要哪些材料的支持，A教师在准备的时候都充分考虑了。而B教师在做教学预案的时候，只考虑了方案1，结果当学生提出方案2和3的时候的，教师只能打哈哈，不了了之。实际上，我们的课堂上上出现这种怪现象：老师鼓励学生提出自己的方案，结果学生也提出了很多的方案，可是老师只准备了一种方案的材料，学生精心设计的方案在现实的航线中常常搁浅！
学生提出的假设是多样的，教师就要为验证这些假设提供多样的材料，而不能把学生框死在几种固定的材料上。那如何准备多种多样而且有结构的材料呢？具体做法是：
1、合理利用小学科学学具材料袋内的材料，因为它是与教材配套，而且适合分组实验 。
2、充分利用学生的资源和力量。在每上一个单元前，就开出一张材料清单，让学生提前去收集实验材料。
3、前两种方法无法准备的材料则由教师收集。
通过这三种途径准备的材料全部汇集起来，设立“材料超市”，随着学习的深入，“超市”内的材料越来越丰富，对学生的探究学习也有更大的帮助。
4、保证探究质量
【案例】《冷水和热水》
A教师在执教《冷水与热水》一课时准备的材料可谓“充足”。教师提供了冷水、热水、红墨水、冰、茶叶、糖、冷水袋、热水袋等材料，材料之间也有一定的结构。但是，课堂上看上去场面热烈，学生探究积极。但事实上给予的材料太多，分散了学生的注意力，也增加了探究的难度，使学生无从下手；与糖、冰等材料相关的科学概念，到以后的教材中会接触到，出现知识重复的问题。因此，学生探究的实效性很差。
B教师只提供了红墨水、冷水袋两个典型材料，让学生集中精力展开探究活动，在互相配置的过程中学生的思维层层推进，提高了探究效率。
事实上，材料并不是越多越好，也不是越好玩越好。科学教师应该从教学目标、教材特点、学生实际、学校条件、当地环境资源等情况出发，精心准备探究材料，让材料与科学问题、探究结论紧密联系，具有典型性，要做到“少而精”，切忌“多而烂”，防止因材料而引起学生过多地关注无关现象，真正让学生的探究活动落到实处。
【案例】《毛细现象》
1．教师为每组学生提供了一份固定在支架上的餐巾纸。浸入红水中后，学生观察到了水沿纸上升的现象，“水往低处流”的经验与“水沿纸上升”的事实发生了冲突。
2．接着，教师为学生提供以下材料：粉笔、铁棒、玻璃片、棉布条、水彩笔芯、硬纸片等材料，并提出了探究的目标：水还能沿着哪些物体上升呢？有了这些材料，学生目标明确，活动指向性强。学生通过探究，验证了猜想，得出了结论：“水能沿着粉笔、棉布条、水彩笔芯、硬纸片等物体上升”，却不能沿着“铁棒、玻璃片”等物体上升。
同时，由这些有结构的材料而生成了新的探究问题：“水能沿着怎样的物体向上升呢？”学生的探究由此引向深入，学生仔细观察，并进一步开展探究，发现了棉布条、硬纸片等物体有比较明显的孔隙，而铁棒、玻璃片等物体表面都比较光滑，物体结构比较细密。通过对这些探究材料进行比较，学生明白了“水能沿着有孔隙的物体向上爬升”，从而对毛细现象有了更准确和更深刻的认识。
教师为学生提供的材料应蕴涵着多种相互作用，能引起学生探索的经历，给学生留有思考的余地。学生通过操作材料的实践活动，发现相互关联的事实，这些事实又会促成学生思考的习惯，帮助学生从相互关联的事实中发现意义，认识事物及现象。《毛细现象》中为学生提供的材料，既有正面的，又有反面的；有软的，也有硬的；有光滑的，也有粗糙的；有空心的，也有实心的；有单个的，也有复合的。这些材料或明或暗，或正或反地隐含着毛细现象的本质特点及非本质特点，让学生通过操作、观察这些材料就能自然地发现材料之间的相互关联作用，从而引发思考、争辩，获取毛细现象的概念。
二、科学探究的材料不仅需要就地取材，也要追求科学研究的严谨和规范。
科学探究材料的结构，既要揭示与教学内容有关的一系列现象，体现教材的科学性，又要符合学生年龄特征和认知规律，贴近学生的日常生活，还应具有趣味性，使学生喜欢，并有能力通过对材料的探索来发现问题，解决问题，获取新知。此可见，在探究学习中，教师为学生提供合适的、有结构的探究材料是学生进行探究型学习的基础和关键，学生通过对材料的操作、摆弄和思考，才能形成完整的形象，进而获取对事物的正确认识。
1、寻找替代的实验仪器
案例描述：
在网上听了一位老师的课《水能溶解一些物质》。老师在做沙子和食盐的对比溶解实验时用筷子代替玻璃棒搅拌，学生在做实验过程中很少发出“乒乒乓乓”的声响，更没有打破烧杯的现象发生……
结果听完课，有评课的老师提出质疑：为什么不用玻璃棒来做搅拌实验？你们学校的仪器室没有玻璃棒吗？他说：“学校仪器室里有玻璃棒，但使用起来太麻烦，要强调这，强调那，还容易摔断。而筷子使用起来就方便多了，它是学生身边最常见的物品，用筷子来做搅拌实验也不会出现什么问题，那就用不着在学生实验操作之前强调什么，方便又节约课堂教学时间……”
大家对他的回答展开了争论，最后形成这样两种意见：
A：可以用筷子来代替玻璃棒，这符合《科学课程标准》所提出的科学课要“从儿童身边的自然事物开始学习活动”。连筷子也可以做科学实验，使学生真正体会到科学就在我们身边，我们的生活充满着科学，从而进一步培养学生的好奇心和探究欲。
B：认为这样做不妥，觉得用筷子来做搅拌实验很不规范。虽然由于筷子的材质，学生搅拌过程中即使碰到烧杯内壁也很少发出声响，但如果换成玻璃棒，操作不规范肯定会发出很大声响，甚至敲破烧杯。正是换成了筷子，老师和学生对正确搅拌的规范意识淡薄了。
同样，在《研究电池》这样的课中不同的材料准备也带来了不同的实验效果。
导入环节：
A教师让学生带来各种各样的电动玩具，先让这些电动玩具动起来，然后把电池拆下来，再次启动玩具，发现玩具不动而来，由此学生感悟到玩具的能量来自电池。
然后，A教师让学生互相交换电池，让玩具动起来，孩子意识到电池之间也各有不同：有大有小、有方有圆、有长有短……
B教师为学生们准备了各种各样的电池放在信封里。上课后，老师让学生们观察这些电池，找出共同点。课堂气氛虽然活跃，但思维却不深入。
自制电池环节：
A教师准备了铜片、锌片、无纺布、白醋、鳄鱼夹导线和LED指示灯，孩子们通过把三块由铜片、锌片夹着浸湿白醋的无纺布组成的原电池模型串联起来，点亮了LED指示灯，非常兴奋。
B教师准备了初中物理实验室的成套装备：电流表、塑料盒、稀盐酸、铜棒和锌棒等，孩子们把铜棒和锌棒放入稀盐酸槽中，观察电流表的指针轻微的晃动，虽然兴奋，却不明就里。
这两个案例所反映的正是当前科学观察实验工具和材料的选择中的一对矛盾，即材料的选择要贴近学生的生活与科学实验的规范性之间的矛盾。从小学生的生活实际中选取材料和工具，其实验探究的规范性肯定比较欠缺；而仪器室中的材料与工具虽然科学规范，但是脱离学生生活实际而显得比较抽象。
“探究活动对学生发展有没有价值，有多大价值？”这是一个实质性问题。而要让探究活动有价值，那么探究活动中教师、学生的操作材料、工具首先要具有教学价值。再来看案例中的筷子和玻璃棒，它们在探究活动中所能体现的价值一样吗？显然是不一样的。筷子是停留在学生自发的、经验层面上的操作材料，如果泡一杯糖水，杯子里放进糖，加了水，为加快糖溶解的速度，学生自然会想到用筷子搅一下，并且搅拌时也不会讲究正确方法、规范操作，也就是说小学生不经历这节课的搅拌活动，学生已经有了这样的经验，现在经历了这样的活动，学生还是这样的水平，试问筷子这种材料有价值吗？至少是价值低下的材料。相反，玻璃棒就不一样了，这种工具本身特点就要求学生进行正确、规范的操作，如手怎么拿？搅拌时能不能碰到烧杯内壁？……否则就会发出响声，甚至敲破烧杯。这样一方面促使教师、学生在做溶解实验时必须进行正确规范的搅拌；另一方面也在逐渐培养学生在以后的实验中要用玻璃棒来做搅拌液体的意识。这就是玻璃棒这种实验材料的教学价值所在。
这里还有一个度的问题。面对这一对选择科学探究材料过程中的矛盾，还应掌握好一个“度”。材料的教学价值，这是选取材料时应该考虑的一个重要方面，但不是唯一的一个方面。选择科学探究材料时还要考虑到学生的兴趣、知识经验水平及活动本身的设置等诸多方面，如在“研究电池”的第一环节中认识“多样的电池”时，可选取的材料很多，有来自学生实际玩具的纽扣电池、手电筒上的一号电池、锂电池等材料，还有来自于仪器室的专门材料——成套装备：电流表、塑料盒、稀盐酸、铜棒和锌棒等材料。很显然，学生更感兴趣的是来自于他身边的材料，而不是实验室的材料，如果一开始就让学生研究规范的“成套装备——电流表、塑料盒、稀盐酸、铜棒和锌棒等，显然是不符合学生的认知实际，学生会因为这个套工具太抽象，不知道从中研究些什么而最终失去探究的兴趣，进而使探究活动失去应有的价值。
一般地，我觉得在探究活动的引入过程中最好选取贴近学生生活实际的材料，这样更利于激发学生的探究兴趣，更能促使学生发现问题、提出问题，从而快速地进入到科学学习活动中来；而在探究活动的主体研究过程中选取的材料则必须是科学的、规范的，即来自仪器室的实验材料，这样一则提高探究的精确度，再则可以从小培养学生科学规范地进行科学探究的意识和习惯。
【案例】“覆杯实验”
A教师选用集气瓶做，结果学生认为：集气瓶是实验室的仪器，这个实验只有在实验室才能完成。
B教师选用学生随手可得的空八宝粥罐或雪碧瓶来做，学生在课后都动手做这个实验。
一个普通的气球既可揭示空气的存在，又可以去揭示弹性；既可以演示空气的流动形成风，又可以去解释反冲这一自然现象，还可以去体会水、空气的压力和气体、液体的热胀冷缩等。普通的注射器是研究空气的存在、空气占据空间、压缩空气、浮与沉、潜水艇、小容器等很好的材料。学生发表感叹：想不到来自生活中的、普通的、好玩的气球、注射器里蕴含着如此多的科学奥秘，生活中处处有科学啊！心理学告诉我们：学生对自己熟悉而又感到陌生的事物最感兴趣。学生对一个完全陌生的、不会操作、不会使用的器材是不会产生浓厚兴趣的。尽管在小学生的科学启蒙阶段，我们要尽量科学规范地演示实验，使用规范的器材，但我们还是要尽量选择一些符合学生年龄特征，贴近儿童生活的材料，这些材料就是学生日常所见的坛坛罐罐，它们对学生有吸引力，又便于学生操作，具有趣味性和普遍性。
2、改造我们身边的材料
著名特级教师路培琦有两节经典课——《玩注射器》和《连通气球》。前面一节课上，他准备的材料非常简单：只有一盆水，两支注射器，一根软管。孩子对于这一类材料也非常熟悉，所以前半节课让孩子自由操作的时候，大多数孩子是把注射器放进水里面，抽一管子水，挤出去，或者抽一管水挤压到水管里面去，没有玩出什么新花样。如果就传统教材来说，这一节课就是玩注射器，玩压缩空气，最多研究到注射器里面压出来的水有冲击力，仅仅如此而已。
随着课堂的进程，路老师让孩子们将材料进行组合：将两个注射器用软管连在一起……就这么一连通，孩子们的操作就发生了非常明显的变化，出现了一些新现象：这边一推，那边就出来了，这么一抽，那边就缩下去了……咦？这些现象是怎么回事？孩子们立刻对新产生的现象发生了兴趣，于是探究就沿着这个思路进行下去了。
路老师执教的《连通气球》这节课的研究材料，也非常简单：两个气球和一根管子。对于吹气球很熟悉的孩子同样对两个连通的气球产生了浓厚的兴趣，这是为什么呢？
这两节课之所以取得成功，其精妙之处就在于材料的选择：熟悉而又让人惊奇，而这两组材料中妙就妙在有这么一根软管，一旦这两个注射器或两个气球被连接管连起来以后，就指向了科学概念，于是产生了1+1大于2的效果，课堂就发生了质的变化……由此看出，结构严谨、指向概念的巧妙而精当的材料一旦出现在孩子面前，就会对孩子产生一种思维冲击，会引发学生的认知！
比如，在《电和磁》这节课中，A老师在教学《电磁铁》一课时，随便拿一个铁钉做成电磁铁，来研究电磁铁的性质，通电后电磁铁能吸引大头针，然而断开电源，有的不能吸引大头针，有的还能继续吸引。学生发现的实验结论与电磁铁的性质却不同，使学生得出错误的结论，发现了不正确的规律。究其原因，A教师在实验前，没有对铁钉进行焠火处理，铁钉产生了剩磁。在断开电源以后，还能吸引大头针。
B老师准备的材料主要有电池、电线、小磁针、铁钉、大头针。在准备时，他经过反复思考实验，精心挑选器材，为上好课做准备。比如导线，不能太粗、太硬，如果太粗太硬不利于学生在铁钉上缠绕，而且这样导线缠在铁钉上还不能松散、脱落。再比如铁钉不能太小，要大的，有利于缠绕导线，而且铁钉面积大，通电磁性强，效果明显。铁钉还要在火上烧红退火，这样在断电后磁性马上消失，使学生更能直观地观察到电磁铁通电产生磁性，断电磁性消失。还有指南针长时间的放置已不指南北了，提前用磁铁磁化，使小磁针有了磁，就指南北了。
在《热是怎样传递的》一课里，一开始教师用教材里的典型的实验：用凡士林把火柴粘在金属棒上，给金属棒加热，凡士林受热熔化，火柴随之一个个先后掉下。实际教学中，教师把火柴黏在铅丝，由于铅丝的导热系数小，所以，热传递的速度很慢。效果不是很好，浪费教学时间。后来，我改进了实验材料。既然铅丝效果不好，那就用传热比较快的铜丝吧。在生活中，铜丝很容易找到，买来电线，剥掉外面的塑料，做成一个支架。改进材料后，再做上面的实验，用铜丝做传热材料，火柴掉下的先后次序明显，学生对于热传递的现象一目了然。
美国兰·本达教授认为材料就意味着科学概念。有结构材料就是对自然现象或运动变化规律暗自“呈现”的材料，必须组成启发揭示科学概念的结构，让学生通过操作材料收集事实、整理事实，在这个基础上探究科学规律、形成科学概念。因此，材料的选择要以能够体现事物的科学概念为基础，揭示事物正确的科学规律，具有科学性。同时，材料的选取、组合、次序也要符合科学性，避免引起错误的认识。
在熟悉的材料操作中是没有认知的发生的，因为他们只是在重复已有的经验；而面对新奇的现象，他们的思维会随着材料的组合产生高速的运转。在运转过程当中，他需要重新组合在这方面曾有过的经验：现在他所遇到的现象和他以前接触到的现象有什么不同？又有什么联系？这之间又有什么关系？怎么用以前的知识解释当前的现象？……这就是材料使他产生的一系列的思考，这就是概念的形成！
三、课堂上的材料合理隐藏并有序出示，才能起到调控学生探究的作用。
1、避免闹哄哄的探究
准备好的材料是放在学生手中，还是放在教师那里？交给学生的分组材料是全放在桌上，还是放在抽屉里面呢？是全收起来，还是交给学生一部分呢？这是我们准备好材料之后需要去考虑的。经常看到这种现象，课桌上一大堆东西，引发一场闹哄哄的探究，实际上收效却不大。
我们应该清醒地认识到：材料在课堂上也是一种不利的因素！从学生的心理上来看，动手做永远是第一位的。因为材料太会吸引孩子的目光了，当桌上有东西的时候，那么那个东西必然是孩子注意的焦点。所以，材料一旦进入孩子的视野，就会引起他们的好奇心，哪怕是他熟悉的材料，也会引发他操作的冲动。冲动会有两个结果：要么乱做、乱玩，要么细察深究，这个过程中完全由孩子自己做主。而我们需要考虑的是如何利用材料让孩子往理想的方向发展，如何调控孩子的思维由浅层次、无序性向深层次、概念性方面发展。现在课堂上许多的混乱现象，在很大程度上是因为孩子手上拥有了材料，且在不当的时机操作而引起的。所以我们应该意识到不能因为材料，而引发课堂的混乱。
【案例】《暗盒里有什么》的结尾
“每个小组派一个人来拿材料！”这是我在一堂失败的课以后的深刻感悟，这节课叫做《暗盒里有什么》。当时，课的前几个环节进展得非常顺利，学生的发言、探究都很精彩，就缺一个漂亮的收尾了。
最后5分钟左右，学生填写材料单。
填完以后，我说：“请填写完材料单的同学上来拿材料……”话音未落，早已迫不及待的孩子们一下子都涌上了讲台，五十几个孩子开始争抢材料……一堂精彩的课就这样毁于一旦。
如果当时我这样说：“请填写完材料单的小组派一个人来拿材料！”则绝对不会出现这种状况。
一句话，能使一堂课成功，也能使一堂课失败。
【案例】第二块磁铁的作用
本课有两大探究活动：磁极和方向、磁极是怎样相互作用的
A教学：因为第二个活动要用到两块磁铁，教师为了省时间，课前把两块磁铁放在桌上，材料在课前就出现在学生的眼前。教师演示把一只小鸭（纸做的）放在水面上，鸭子轻轻转动，停止，鸭头朝北。提问：你看到了什么？
这应该是个足以引起学生兴趣的演示实验，也是极富趣味性的导入。但我们看到的是，一小部分学生已被桌上的磁铁牢牢吸引了。有的学生开始玩起了磁铁，对于教师的提问置之不理。
接下来，老师的提问，小朋友的回答，他们都两耳不闻。当真正开始需要两块磁铁研究磁极的相互作用时，它们的兴趣已经消失，开始干扰别的伙伴的活动。
B教学：教师把材料都事先藏了起来。桌子上什么都没有。还是和上个老师一样，教师演示：老师把一只小鸭（纸做的）放在水面上，鸭子轻轻转动，停止，鸭头朝北。
教师提问：你看到了什么？
学生个个兴趣盎然，有的举起了小手，有的虽窃窃私语，但看的出都是在议论小鸭头朝向的问题。老师再给你们一块磁铁重做两极相互作用的实验。分发第二块磁铁，学生兴趣依然，材料真正为教学内容服务。
不难看出，在第一次教学中，由于材料的过早出现，分散了学生的注意，产生了自由活动的冲动，整个教学活动很松散。在第二次教学中，材料的分层发放，教学井然有序，教学严谨到位，学生学习热情自始至终。
2、推进科学探究的深入
全国著名特级教师章鼎儿老师有一节经典的课——《桔子》。这一节课的执教者是著名特级教师章鼎儿。章老师在上课的开始用材料气球做引子搞活课堂气氛。然后他拿出一个装有水果的袋子，一下子就把孩子的目光吸引过来了，学生当然非常想要拿到这个袋子，静了下来。这时章老师讲清了玩法，就把这个装有水果的袋子发给了学生，拿了水果的学生自然会去实验，要知道一动起来的孩子很难让静下来。果然孩子拿着那个桔子就去先猜测，再剥开，然后是观察……孩子一旦动起来之后很难静下来，如何让他静下来呢，这又是个难题。
过了一会儿，章老师拿出一个杯子，这个杯子里面装的是黄色的桔子水。他说：“这个杯子里面的水是用桔子榨的。你们的那个桔子也可以榨出这样的桔子水出来。”这时候，学生手上只有什么？桔子。他们需要什么？需要杯子，需要榨汁器，而这些自然是要向老师求助的，所以他们必然安静下来，课堂就静下来了。
当学生静下来以后，章老师就开始发材料，课堂一下子就又“闹”开了……
等学生活动得差不多的时候，章老师又拿出了一个小桔灯。孩子们一看，又有新东西出来了，他们立即停止了榨桔子汁（事实上，这时候学生已经没有桔子可以榨汁了，但是学生还是在榨、榨、榨）……
课就在这一环一环的节奏中进行着。
还有一次，章鼎儿老师给一年级小朋友上课，他准备好了红、黄、蓝三种颜色的液体，在讲清了实验的相关步骤与注意事项后，将三种颜色的液体同时发给了学生，期望让学生通过不同颜色液体的勾兑，不同量的勾兑，观察出现哪些不同的颜色。章老师满以为学生会很理性地勾兑不同颜色的液体。但事实是，学生们把三种颜色的液体全混在一起了。因为他们一直在不停地勾兑，只注意倒液体，却忘了量的多少和及时停下来观察。
第二次上课，章老师没把三种颜色的液体一起发下去了，而是只发两种颜色的液体，让学生操作完并汇报后再发另一种颜色的液体，让学生操作，结果学生能按老师的设想进行操作、观察。
一样的材料，一起发放就混浊一团，分开发放则精彩纷呈。这是因为材料本身也预示着教师思维的状态。为了使材料的结构更清楚，让孩子们更容易看出其结构，学具的发放有时需要分阶段，分层次进行。较后发放的材料称为“后续材料”。在研究“红、黄、蓝”配色时，因为每组材料之间都有极强的先后逻辑顺序，因此材料就必须分阶段发放。后续材料可以循序渐进地增加问题的复杂性，并使学生在逐渐复杂的问题中思维活动步步深入，步步推进，继而给人以强烈的探究欲望和动力，促使学生去进一步发现。第一次教学之所以失败，就在于这三组材料没有分阶段出现，因此，孩子们看不出材料的结构，不知道该什么时候倒液体，倒多少。这组材料的无序和发放的无结构性，使得学生无法产生强烈的探究欲望和动力，思维活动始终处于模糊的状态。而第二次材料的结构就始终牵引着学生思维活动的发展，使学生的思维伴随着对这些材料的操作不断推进。
试想，如果在执教《桔子》时，章老师一开始就把所有的杯子、榨汁器都交给孩子，那孩子还会有这么丰富的发现吗？他们的概念的形成还会沿着一条最佳的路线前行吗？所以把握好材料出示的次序，是我们老师备课的时候必须要思考的一个非常重要的问题。章老师说：“很多种情况下，我们使用的材料完全一样，但由于给学生的自由权利程度不一样，其教学效果就会大相径庭。”给学生主动支配材料的权利说到底是一个教育思想的问题，即是不是在指导学生自行获取知识。然而什么时候给却是一个教学艺术、驾驭课堂的技巧性的问题。
（1）材料的结构要慎重。材料的结构是隐含在材料的本身的，教师要发掘材料的特性，寻求最简洁、最明了的材料来帮助学生解释科学的现象。
（2）材料的发放要有次序。
（3）材料的数量要控制。
（4）材料的常见性要选择。
综上所说，实验材料准备的种类、数量、搭配，出示的时机、次序、步骤，材料的位置、发放、控制，都是我们在准备材料的时候，准备课的时候需要考虑的。课堂上我们不仅要保证每个学生有足以揭示概念意义的关键材料，而且要考虑哪些是共用的，哪些是单独用的，设定好每种材料在学生面前出现的时机和时间，以保证材料出示以后应立刻被相应年龄的学生所接受，足以引发他们的探究经历，并使他们更深地卷入其中。路培琦和章鼎儿老师在几堂公开课教学中所体现出来的对材料的选择、控制和驾驭的艺术值得我们去细细的体会，也值得我们好好的借鉴，更值得我们去深深地反思：
我给孩子最典型的材料了吗？
我的材料能引发孩子的惊奇吗？
我的材料之间的组合合理吗？
我的材料会不会引起课堂的混乱呢？
我的材料出示的时机合理吗？
……
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