小学科学三年级下册“空气有质量吗？”探究式教学设计

小学科学三年级下册“空气有质量吗？”探究式教学设计

一、教材与学情深度剖析

教材分析：

本课隶属物质科学领域，是学生在学习了“水”、“空气占据空间”等概念后，对空气这种特定物质基本属性的进一步探究。教材通常以“空气有重量吗？”这一疑问切入，通过简易天平称量吹气前后的皮球或气球，引导学生获得“空气有质量”的定性认知。然而，站在当前科学教育前沿，此内容蕴含着更为丰富的教学价值。它不仅是事实性知识的传授，更是引导学生经历完整科学探究过程、初步建构“物质粒子观”的绝佳载体。本课可视为学生从感性认识走向理性实证、从宏观现象思考微观本质的关键阶梯，为后续学习“质量”、“密度”、“大气压力”等概念奠定坚实的经验与思维基础。

学情分析：

三年级学生处于具体运算阶段初期，其思维正从具体形象向逻辑抽象过渡。他们对“空气”既熟悉又陌生，知道其存在，但对其物质属性理解模糊。学生已具备使用简单工具（如尺子、放大镜）的经验，但进行对比实验、控制变量的意识较为薄弱。在认知上，学生容易混淆“质量”与“重量”，且常受生活经验干扰（如感觉气球“轻飘飘”），从而形成“空气没有质量”的前概念。他们的兴趣点在于动手操作和直观现象，持久观察和严谨记录的能力有待培养。因此，教学设计需以具身活动为核心，通过层层递进的探究任务，引导学生亲手“捕捉”证据，在矛盾冲突中实现概念转变。

二、教学目标（基于核心素养的立体化设定）

科学观念：

通过实证探究，认识到空气是一种物质，具有质量，并能初步区分“质量”与“重量”在日常表述中的联系与区别。

科学思维：

1.能基于生活现象和已有知识，对“空气是否有质量”提出有依据的猜想。

2.能在教师引导下，设计简单的对比实验方案，初步感知“控制变量”的思想。

3.能通过观察、测量、记录实验数据，并基于证据进行分析、推理，得出探究结论。

4.初步尝试运用模型解释现象，如将空气想象为由无数微小粒子组成。

探究实践：

1.能熟练使用简易天平、打气筒、电子秤等工具进行定量观察。

2.能合作完成“称量空气”的实验操作，系统收集、记录多组数据。

3.能尝试对实验现象和数据提出自己的解释，并与同伴交流研讨。

态度责任：

1.培养尊重证据、实事求是、严谨细致的科学态度。

2.激发对物质世界深入探究的好奇心和热情。

3.在小组合作中养成倾听、分享、互助的协作精神。

4.意识到科学技术的发展源于人类不断的质疑与探索。

三、教学重难点

教学重点：引导学生设计并实施对比实验，获取空气具有质量的直接证据。

教学难点：实验方案的设计与变量控制的理解；从“空气有质量”的实证现象，初步关联“空气由微粒组成”的微观模型。

四、教学准备

教师材料：

1.演示用：精密电子秤（精度0.1克）、篮球、打气筒、大号密封玻璃罐、抽气机、红色水幕演示装置。

2.多媒体：交互式白板课件（含探究问题链、数据记录表、空气微粒动画模型、相关科学史资料片段）。

3.板书设计框架贴纸。

每组学生材料（4人一组）：

1.探究套件A（基础定量）：简易杠杆天平（带标尺）、两个完全相同的未充气小气球、小型打气筒、绿豆若干（作为非标准砝码）。

2.探究套件B（精准测量）：高精度迷你电子秤（精度0.01克）、小号密封注射器（50mL）、橡皮帽。

3.记录工具：小组实验记录单、铅笔、尺子。

五、教学过程

第一课时：激趣导疑，方案初建

（一）情境聚焦，问题驱动（预计时间：10分钟）

1.现象冲击，激活前概念：

教师手持一个瘪的篮球和一个充气充足的篮球。

师：同学们，请观察这两个篮球。如果老师同时松开手，它们会怎样？（学生预测：充气的会弹起，瘪的不会。）教师演示，验证预测。

师：为什么充气的篮球能弹起来？（学生：里面有空气。）空气在里面做了什么？（学生：把球撑起来了，给了它力量…）

教师顺势将充气篮球放在讲台精密电子秤上，显示读数；然后用打气筒再打入10筒空气，再次称量。

师：看，读数变了！增加了！这说明了什么？

学生可能回答：空气有重量！空气让篮球变重了！

教师板书学生关键词：“空气”、“让……变重”。

2.提出核心问题，鼓励猜想：

师：篮球读数增加，一定是空气的“功劳”吗？有没有可能是打气筒活塞带来的？我们如何证明是空气本身有质量呢？

教师呈现优化后标题：“捕捉无形的证据：空气有质量吗？”

师：今天，我们就化身“证据捕手”，来研究这个课题。开动脑筋，你认为空气有质量吗？请把你的想法和理由写在“猜想卡”上。

学生独立填写并张贴于“猜想墙”，形成“有”、“没有”、“不确定”三个阵营。教师引导学生简要陈述理由，暴露“轻飘飘所以没有”、“感觉不到所以没有”等前概念。

（二）聚焦问题，设计探案方案（预计时间：25分钟）

1.思维碰撞，明确方向：

师：公说公有理，婆说婆有理。科学不能靠感觉，要靠什么？（生：证据！实验！）

师：对！我们需要设计一个“公平”的实验，来寻找证据。关键是要“看到”或“测量到”空气本身。大家有什么好主意？

引导学生回顾“空气占据空间”的实验，思考如何“捕捉”一份空气。学生可能提出：用袋子装、用瓶子扣、用气球装…

2.引导设计，渗透变量控制：

师：用气球装是个好主意！如果我们有一个天平，两边各挂一个一模一样的气球，一个瘪的，一个吹鼓的，天平会平衡吗？

学生争论。

师：看，这就是我们的第一个探案方案雏形。但要让实验“公平”，我们必须考虑哪些条件要相同？哪些条件可以不同？

通过师生对话，提炼出：气球要完全相同（材质、大小）、挂的位置要相同、天平要先调平。唯一要改变的，就是其中一个气球里的“空气多少”。教师引入“控制变量”思想，但不出现专业术语，用“保持一样”和“只改变一点”来表述。

3.完善方案，预设记录：

教师发放“探案计划书”（实验记录单第一部分），引导小组讨论并图文结合地画出实验装置图，填写“保持不变的条件”和“要改变的条件”。

各组分享方案，师生共同评议、优化。重点厘清：如何确保气球“完全相同”（使用未充气的同款）；如何知道吹入了空气（气球鼓起来）；如何判断质量是否变化（看天平是否倾斜）。

教师介绍辅助工具：绿豆可以作为“砝码”来尝试恢复平衡，从而更直观地“看到”质量差。

4.安全教育与操作预演：

强调打气筒安全使用规范（不对人、不过度充气），天平轻拿轻放。进行简单的操作步骤模拟。

第二课时：实证探究，建构新知

（三）分组探案，收集证据（预计时间：20分钟）

1.实验操作与数据采集：

学生以小组为单位，领取探究套件A，依据上节课制定的“探案计划书”开展实验。

教师巡视指导，重点关注：

1.2.天平是否初始调平。

2.3.气球是否确实“完全相同”（比较瘪的状态）。

3.4.充气过程是否缓慢、平稳，充气后是否扎紧口。

4.5.观察天平指针变化时，是否等待稳定。

5.6.是否尝试用绿豆来“平衡”掉增加的质量，并记录所用绿豆的大概数量。

各组在记录单上如实记录实验现象（如：“充气气球一端下沉”、“加了X颗绿豆后，天平几乎平衡”）。

7.进阶挑战，精准测量：

对于提前完成或探究能力较强的小组，发放探究套件B（迷你电子秤和注射器）。

挑战任务：请用更精密的工具，测量一定体积（如50mL）空气的质量。

引导步骤：

1.8.用电子秤称量带橡皮帽的空注射器质量，记录为M1。

2.9.抽拉活塞，抽取50mL空气，盖上橡皮帽。

3.10.再次称量注射器总质量，记录为M2。

4.11.计算：M2-M1=？

学生惊讶于数值之小，但电子秤清晰显示出了变化。教师引导思考：“为什么之前感觉不到？现在的测量告诉我们什么？”

（四）研讨论证，建构概念（预计时间：15分钟）

1.证据发布会：

教师组织全班进行“证据发布会”。各小组派代表借助记录单和实物，汇报本组的“发现”。

核心汇报提纲：

1.2.我们是怎么做的？（简述方案）

2.3.我们看到了什么？（描述现象与数据）

3.4.我们认为这说明了什么？（初步结论）

将各组的结论关键词（如“下沉”、“加了绿豆”、“读数变大”）汇总到班级大记录表上。

5.深度思辨，形成共识：

师：几乎所有小组都发现，充了空气的气球一端下沉了，或者需要加东西才能平衡。这些证据一致地指向了什么？

引导学生得出：空气有质量。

师：注射器实验告诉我们，50毫升空气的质量大约是多少？（读出具体数值，如0.06克）这个质量大不大？为什么我们平时感觉不到？

学生讨论：因为空气的质量很小，我们的身体和普通秤感觉不出来。

师：是的，但再小，通过精密的工具和方法，我们也能测量出来。这正是科学的力量！

6.链接微观，初建模型：

教师播放动态模拟视频：无数个极其微小的、有质量的“空气粒子”涌入气球。

师：科学家认为，空气是由无数我们肉眼看不见的微小粒子组成的。当我们给气球打气，其实就是打入了大量的空气粒子。粒子虽然每个都极轻，但数量巨大，加起来就有了一份可以测量的质量。这个模型，能帮助我们更好地理解今天的发现吗？

引导学生用“空气粒子模型”重新解释实验：充气=加入粒子=总质量增加。

（五）拓展迁移，深化理解（预计时间：10分钟）

1.释疑解惑：

回顾课初的“猜想墙”，请原先持不同观点的同学分享现在的想法是如何改变的。强调证据在科学认知中的决定性作用。

2.情境应用：

呈现新情境：一瓶密封的矿泉水，放在冰箱冷冻室后，瓶子鼓胀甚至变形。水的质量变了吗？瓶子的总质量变了吗？为什么瓶子会鼓胀？（引导学生运用“空气有质量”、“空气粒子受冷运动减慢”等综合解释，不要求完全准确，重在迁移思考。）

3.工程挑战预告：

师：既然空气有质量，那如果一个充满空气的密闭容器，我们把里面的空气抽走一部分，它的质量会变吗？如果全部抽走呢？下节课，我们将扮演工程师，利用抽气机和大罐子，设计实验来验证这个猜想，并探讨一个接近“没有空气”的空间——真空。

六、板书设计（动态生成式）

捕捉无形的证据：空气有质量吗？

我们的问题：空气有质量吗？

我们的猜想：有（）没有（）不确定（）

寻找证据的方案：

保持一样：气球、位置、天平…

只改变：一个气球里的（空气多少）

我们发现的证据：

1.天平倾斜了！（充气端下沉）

2.需要加（绿豆）才能平衡。

3.电子秤读数：M2>M1

我们的结论：空气有（质量）。

科学家的模型：空气由无数（有质量的微小粒子）组成。

新的思考：抽走空气，质量会（减少）吗？

七、教学反思与评价设计

教学反思要点：

1.探究深度与节奏把控：两课时的设计是否给予了学生充分的猜想、设计、操作、研讨时间？进阶的注射器测量任务是否有效满足了差异化学习需求？

2.概念建构的阶梯性：从宏观现象（篮球）到自制工具对比（天平气球），再到精密测量（电子秤注射器），最后链接微观模型，这一认知阶梯是否顺畅？学生对于“质量”与“粒子”的初步关联是否建立？

3.思维发展的可见性：通过“猜想卡”、“探案计划书”、实验记录单和研讨发言，学生的思维过程是否被有效记录和呈现？前概念的转变是否明显？

4.STSE（科学-技术-社会-环境）融合：是否可引入更多关于空气质量监测、气体在航天器中质量计算等现实应用，增强学习的社会意义？

多元化评价设计：

1.过程性评价：

1.2.课堂观察记录表：关注学生参与讨论的积极性、提出问题的能力、小组合作中的角色与贡献、实验操作的规范性。

2.3.“探案”档案袋：收集学生的猜想卡、图文方案设计图、实验记录单、课后反思日志，综合评价其探究全过程。

4.表现性评价：

1.5.小组实验操作评价量规：从“器材准备与检查”、“步骤有序性”、“变量控制意识”、“数据记录准确性”、“合作默契度”等方面进行星级评价。

2.6.“证据发布会”陈述评价：评价学生汇报的逻辑性、证据使用的准确性、语言表达的清晰度。

7.概念性评价：

1.8.前后测问卷：课前课后使用简单选择题或绘图题，检测学生对“空气是否有质量”及其原因解释的概念转变情况。

2.9.迁移性情境题：例如，“一个充有空