小学科学三年级上册《空气有质量吗？》探究式教案

小学科学三年级上册《空气有质量吗？》探究式教案

一、教学背景深度分析

（一）教材体系与内容定位

本节课选自湘科版小学科学三年级上册第一单元《认识空气》的第二课。本单元作为三年级学生系统接触物质科学领域的起始单元，承担着引领学生从直观感性认识迈向初步理性探究的关键任务。第一课《空气在哪里》已引导学生通过多种感官和简单实验，确认空气的存在并感知其占据空间的基本性质，为本课的学习奠定了认知基础。本节课《空气有质量吗》则旨在引导学生跨出关键一步：从定性感知上升到定量测量，初步建立“物质具有质量”这一核心科学观念。后续课程将在此基础上，进一步探究空气的流动性、压缩性等性质，从而构成一个完整的空气性质认知体系。因此，本节课在单元中起着承上启下的枢纽作用，是学生科学思维从“是什么”向“为什么”、“有多少”发展的重要转折点。

（二）学习者特征剖析

认知发展水平：三年级学生（约8-9岁）正处于皮亚杰认知发展理论中的具体运算阶段初期。他们的思维开始具有逻辑性，但仍需依赖具体事物和实际操作进行思考。对于“质量”这一抽象概念，学生往往与“重量”混淆，且难以想象看不见、摸不着的空气具有质量。

前概念与迷思概念：

1.常见前概念：学生普遍知道空气存在，但多数认为空气是“什么都没有”或“很轻的东西”，倾向于认为空气没有质量。

2.可能迷思：将“轻”等同于“没有”；认为只有能用手掂出分量的固体、液体才有质量；难以区分“质量”与“重量”、“重力”的关系（虽不要求掌握，但可能产生模糊概念）。

3.已有经验：在生活中接触过气球、轮胎充气，有过“充了气的东西更饱满”的体验，但未将此与质量增加建立明确联系。

技能与态度基础：经过低年级的科学学习，学生已具备初步的观察、描述和简单比较的能力。对新奇事物充满好奇，乐于动手操作，但实验设计的系统性、变量的控制和测量的精确性都处于萌芽阶段，需要教师搭建精细的脚手架。

（三）当代教学理念指引

本设计深度融合以下理念：

1.建构主义学习观：正视并利用学生的前概念，通过认知冲突（空气真的没质量吗？）激发探究动机，引导学生在动手实验和社会性建构（小组讨论、交流）中主动建构“空气有质量”的科学概念。

2.探究式学习（5E模式）：整个教学过程将融入参与（Engage）、探索（Explore）、解释（Explain）、深化（Elaborate）、评价（Evaluate）的循环，强调学生的主体性和知识的生成过程。

3.STEM/STEAM教育视野：本课天然融合科学（S）、技术（T，使用测量工具）、工程（E，设计实验、改进装置）、数学（M，测量、读数、简单计算）。通过跨学科整合，培养学生解决真实问题的综合素养。

4.核心素养导向：聚焦科学观念（物质观、质量观）、科学思维（质疑、推理、建模）、探究实践（提出问题、设计实验、获取证据、得出结论）和态度责任（实事求是、合作分享、环保意识）的协同发展。

二、教学目标与核心素养发展指向

（一）科学观念目标

1.通过严谨的对比实验，认识到空气是一种物质，具有质量。

2.理解“质量”是物质的基本属性，不因物体的形状、状态（气态）而改变其存在。

3.初步建立“看似空无一物的地方也存在有质量的物质”的唯物主义自然观。

（二）科学思维目标

1.推理与论证：能基于观察到的现象（如天平失衡），运用逻辑推理，得出“空气有质量”的结论，并尝试用证据支持自己的观点。

2.模型构建：能利用简易天平模型，将抽象的“空气质量”转化为可视化的“平衡变化”进行研究和表征。

3.批判性思维：能对“空气没有质量”的常识观点提出质疑，并设计实验进行检验；能分析实验中的干扰因素（如气球皮质量、漏气等），思考改进方法。

（三）探究实践目标

1.问题提出：能从具体情境中提出可探究的科学问题：“空气是否有质量？如何证明？”

2.方案设计：能在教师引导下，小组合作设计验证空气有质量的对比实验方案，初步理解控制变量的意义。

3.实验操作：能规范、安全地使用简易天平、打气筒、电子秤等工具进行测量和收集数据。

4.信息处理：能如实记录实验数据，并通过比较、计算（如差值）等方式处理信息。

5.表达交流：能清晰陈述本组的实验过程、现象和结论，并能倾听、评价他人的报告。

（四）态度责任目标

1.养成实事求是、尊重证据的科学态度，实验数据不以“符合预期”为目的进行篡改。

2.在小组探究中乐于合作，积极承担任务，分享想法和材料。

3.初步认识空气作为一种宝贵的环境资源，其质量与我们的生活息息相关，萌发保护空气质量的意识。

三、教学重难点及突破策略

维度

内容

突破策略

教学重点

设计并实施对比实验，验证空气有质量。

采用“脚手架”式引导：从教师演示铺垫→师生共议方案→小组合作实施→多方案验证，层层递进，让学生在“做”中学设计。提供结构化的实验记录单，聚焦关键操作与观察。

教学难点

1.理解“质量”概念，并将其与空气关联。

2.设计严谨的对比实验，有效控制变量。

针对难点1：避免直接定义，通过“充气前后物体变‘重’”的体验和测量，让学生在具体情境中构建“空气有质量”的观念。用“份量”、“多少”等儿童化语言过渡。

针对难点2：通过“比较什么？改变什么？保持什么不变？”的系列追问，引导学生思维。利用可视化工具（如变量控制图）辅助理解。对比有缺陷的实验设计与优化后的设计，在辨析中深化认识。

四、教学资源与环境准备

（一）教具与学具

1.演示材料：

1.2.大型杠杆式演示天平（或自制大型简易天平）1台

2.3.两个完全相同、容积较大的透明塑料瓶（带盖）

3.4.电动抽气机（或大型注射器）

4.5.电子投影秤（精度0.1g）1台

5.6.篮球或足球1个，打气筒

6.7.PPT课件（含视频、动画、实验记录表模板）

8.分组材料（4-6人一组）：

1.9.方案一材料包：简易小天平（木杆、支架、挂钩）、两个相同的小气球、细线。

2.10.方案二材料包：电子天平（精度0.01g，学校条件允许可选）、小烧杯、注射器（20mL）、橡胶塞。

3.11.方案三材料包：精度较高的电子秤（0.1g）、瘪的排球、打气筒。

4.12.公共材料：记录单、笔、安全剪刀、抹布。

（二）技术融合

1.慢动作摄影：录制打气过程中天平指针缓慢偏转的视频，便于全班观察细微变化。

2.交互式白板：实时呈现各组的实验数据，快速生成数据对比图表。

3.传感器技术（拓展）：使用力传感器连接数据采集器，实时显示充气过程中“重量”增加的动态曲线，将不可见的变化可视化、精确化。

（三）环境布置

1.实验室布置成“探究工坊”模式，桌椅便于小组合作。

2.墙面布置“我们的问题墙”、“证据链”展示区，用于张贴学生提出的问题和实验记录。

五、教学过程实施详案

第一阶段：创设情境，激疑引思（Engage）——约10分钟

【活动一：谜语热身，唤醒旧知】

1.教师活动：出示谜语：“奇妙奇妙真奇妙，看不见来摸不着，无孔不入到处跑，动物植物都需要。”

2.学生活动：齐声猜谜（空气），并简单交流空气的特点（看不见、摸不着、无处不在……）。

3.设计意图：快速集中学生注意力，以轻松方式回顾上节课关于空气存在的认知，为新课铺垫。

【活动二：矛盾冲突，聚焦核心问题】

1.教师活动：

1.2.出示一个充满气的篮球和一个瘪的篮球。提问：“这两个篮球有什么不同？”（一个鼓，一个瘪）。

2.3.用手分别掂量（做出明显感觉不同的表情），问：“感觉上，它们有什么不同？”（学生：充气的更“重”、更“沉”）。

3.4.追问：“是什么让篮球变鼓、感觉变重了？”（学生：空气）。

4.5.抛出关键问题：“那么，是空气有‘质量’，有‘份量’吗？你怎么看？”将“空气有质量吗？”板书于黑板中央。

6.学生活动：

1.7.观察、比较、体验。

2.8.独立思考并发表自己的初始观点和理由。预计会出现“有”和“没有”两种观点。

3.9.将自己的姓名贴贴在黑板相应的“猜想区”（有/没有/不确定）。

10.设计意图：制造认知冲突。学生生活经验（掂量感觉）与潜在的前概念（空气很轻=没有）产生矛盾，从而激发强烈的探究欲望，使问题产生于真实情境。贴姓名贴的方式让每个学生的想法可视化，增强参与感和后续验证的期待。

第二阶段：探索方案，实证初探（Explore）——约25分钟

【活动一：头脑风暴，设计实验方案】

1.教师活动：

1.2.引导：“光凭感觉和争论不能解决问题。科学家靠什么说话？”（证据、实验）。

2.3.提出任务：“我们需要设计一个实验，来寻找空气是否有质量的证据。小组讨论：我们可以用什么工具？怎么比较？”

3.4.提供思维支架：展示天平图片，提示“天平可以比较物体的轻重”。追问：“如果要用天平比较空气的质量，我们该怎么做？比较哪两种情况？”

5.学生活动：

1.6.小组围绕核心问题展开讨论，尝试提出实验设想。可能出现的想法：给一个物体打气前后称重；比较两个一样的气球，一个吹鼓一个不吹……

2.7.小组代表分享初步设想。

8.设计意图：将探究的主动权交给学生。鼓励大胆设想，不求方案立即完美，重在激发思维和暴露真实想法，为后续的优化做铺垫。

【活动二：教师演示，启发优化思路】

1.教师活动：

1.2.肯定学生的想法，指出“比较打气前后”是个好思路。

2.3.进行演示实验1：将两个相同的空瓶放在大型演示天平两端，调平。然后打开其中一个瓶盖，用抽气机抽出部分空气后迅速拧紧。

3.4.提问：“大家预测一下，现在天平还会平衡吗？哪边会下沉？”

4.5.操作并展示结果：抽掉空气的一端向上翘起。

5.6.引导分析：“为什么抽掉空气的一端变‘轻’了？这说明了什么？”（说明空气被抽走了，瓶子的总质量减少了，反推可知，原来瓶内的空气有质量）。

7.学生活动：

1.8.观察、预测、见证现象。

2.9.分析现象，尝试解释。初步感知到“空气的增减会导致总质量变化”。

10.设计意图：教师的演示实验并非直接给出答案，而是作为一个“认知锚点”，为学生的小组实验设计提供范例和原理支持。演示中“抽气”而非“充气”，巧妙地规避了“打进去的东西是否有质量”的争议，直接证明“原有空气有质量”。

【活动三：方案聚焦与细化】

1.教师活动：

1.2.引导聚焦到“充气/放气前后比较”的核心思路上。

2.3.提出挑战：“老师演示用了抽气机，我们小组实验条件有限，怎么实现‘充气’这个操作？用什么容器装空气最方便？”

3.4.展示气球、篮球、注射器、瓶子等材料，引导学生选择。

4.5.重点引导控制变量思想：以气球方案为例，提问：“如果用一个气球，吹气前称一次，吹气后称一次，行吗？”（引导发现气球皮上沾水、手温影响等问题）。再问：“那用两个气球，一个吹鼓，一个不吹，直接放天平两边，行吗？”（引导发现气球皮本身也有质量，需要先平衡）。

5.6.与学生共同梳理出优化的“气球方案”步骤：①将两个相同的气球挂在天平两端，调节平衡；②取下其中一个吹鼓，再挂回原处；③观察天平是否平衡。

6.7.同样方法，引导梳理“篮球/排球+电子秤”方案、“注射器+电子天平”方案。

8.学生活动：

1.9.在教师引导下，反思初始方案的不足，理解控制“气球皮质量”、“容器质量”等变量的必要性。

2.10.与教师共同完善实验步骤，明确操作要点和观察记录重点。

11.设计意图：这是培养科学思维的关键环节。通过层层设问和方案对比，引导学生自己发现实验设计中的漏洞，深刻理解“对比实验”中“控制变量”的精髓，这是从“动手做”走向“动脑做”的飞跃。

【活动四：分组实验，收集证据】

1.教师活动：

1.2.分发不同方案的实验材料包，允许小组选择感兴趣或本组讨论最成熟的方案进行实验。

2.3.出示实验记录单（如下），明确记录要求。

3.4.巡回指导，关注学生操作安全（如使用打气筒）、规范性（如天平调平、电子秤归零），并适时以问题引导深入观察：“天平的变化明显吗？”“指针偏转了多少格？”“电子秤显示的数值变化是多少？”

4.5.鼓励遇到问题的小组尝试分析原因（如漏气、未平衡好）并重新实验。

实验记录单（示例）

小组：______方案：______

1.6.我们的问题：空气有质量吗？

2.7.我们的猜想：______

3.8.实验步骤（图文结合）：

4.9.实验现象与数据：

1.5.10.实验前状态：_________________

2.6.11.实验后状态：_________________

3.7.12.关键数据：_________________

8.13.我们的发现（结论）：_________________

14.学生活动：

1.15.小组合作，按照优化后的方案进行实验操作。

2.16.仔细观察现象，准确记录数据（天平偏转方向/角度，电子秤具体读数）。

3.17.组内讨论，初步形成结论。

18.设计意图：赋予学生充分的自主探究时间和空间。不同的实验方案提供了多元的探究路径，尊重了学生的选择权，也便于后续交流时对比不同方法的优劣。结构化记录单帮助学生有序地收集和整理关键信息。

第三阶段：研讨交流，建构概念（Explain）——约15分钟

【活动一：数据共享，现象汇谈】

1.教师活动：

1.2.组织各小组依次上台汇报。要求汇报者展示记录单，讲述本组如何做、看到什么、数据是什么、得出什么结论。

2.3.利用实物投影或拍照上传，将各组的记录单同步呈现。

3.4.引导全班倾听，并鼓励其他小组提问或补充。

5.学生活动：

1.6.汇报小组清晰陈述实验过程和证据。

2.7.其他小组认真倾听，可以就实验细节、数据可靠性等提出问题或发表看法。

8.设计意图：科学共同体知识的建构过程。通过公开分享，将个体或小组的证据转化为班级共享的证据库。在问答中，锻炼学生的表达与倾听能力，进一步厘清实验逻辑。

【活动二：证据整合，得出结论】

1.教师活动：

1.2.在黑板上汇总各组的发现。板书关键词：“天平倾斜”、“充气一端下沉”、“电子秤读数增加”……

2.3.引导全班分析这些来自不同方法、不同材料的证据有什么共同点。（都显示充入空气后，物体的总质量增加了）。

3.4.追问：“这个增加的质量，来自于什么？”（充入的空气）。

4.5.进行逻辑推理：“既然充入空气后质量增加，放掉空气后质量减少，那么我们能得出什么关于空气本身的结论？”

5.6.邀请最初持不同猜想的学生，基于证据重新发表看法。

7.学生活动：

1.8.对比、归纳各组证据。

2.9.在教师引导下，进行逻辑推理，全班共同得出“空气有质量”的科学结论。

3.10.修正自己最初的观点。

11.设计意图：引导学生从具体的、分散的现象和数据中，进行抽象概括和归纳推理，最终形成科学结论。这是一个从具体到抽象、从现象到本质的思维提升过程。让学生修正观点，体现了“实证高于感觉”的科学精神。

【活动三：概念澄清与深化】

1.教师活动：

1.2.明确给出“空气有质量”的科学陈述。

2.3.播放一段慢镜头视频或动画，展示大量空气聚集时的质量表现（如台风摧毁房屋、充气城堡需要固定），强化认知。

3.4.联系生活提问：“既然空气有质量，为什么我们平时感觉不到头顶空气的压力？”（简单解释空气四面八方都存在，压力平衡）。

4.5.介绍“空气质量”的环保概念：我们呼吸的空气，其“质量”不仅指物理学上的“mass”，也指洁净程度，渗透STS教育。

6.学生活动：

1.7.观看视频，建立宏观感知。

2.8.思考并回答生活化问题，将新概念与已有经验连接。

9.设计意图：巩固核心概念，并通过联系生活实际和前沿视角（环保），拓宽学生对“空气质量”的理解，使科学学习更有意义和深度。

第四阶段：迁移应用，拓展创新（Elaborate）——约15分钟

【活动一：挑战与迁移】

1.教师活动：

1.2.提出进阶挑战任务：“我们已经用充气的方法证明了空气有质量。能不能设计一个实验，在不充气、不放气的情况下，直接比较两瓶空气的多少（质量）？”

2.3.提供材料暗示：热水、冷水、两个密封的瓶子、天平。

4.学生活动：

1.5.小组讨论新方案。（预期思路：加热其中一个瓶子，里面的空气受热膨胀，部分空气被排出后密封冷却，则瓶内空气密度变小，质量减少，与另一瓶室温空气相比质量不同）。

2.6.简要交流思路，不要求完整操作。

7.设计意图：设置认知阶梯，将探究引向深入。这个问题打破了“充放气”的思维定式，引导学生思考温度对空气体积、密度和质量关系的影响（定性层面），为后续学习埋下伏笔，培养发散思维和创新能力。

【活动二：制作与表达】

1.教师活动：

1.2.布置创意作业：选择其一完成。

1.2.3.科学小报：以“看不见的质量——空气”为主题，图文并茂地展示今天的探究过程和结论。

2.3.4.家庭小实验：回家后用厨房电子秤、保鲜袋和吸管，设计一个给袋子充气前后称重的小实验，拍视频或照片记录，向家人讲解。

5.学生活动：

1.6.了解任务要求，课后完成。

7.设计意图：将课内探究延伸至课外，以多元化的成果展示方式满足不同学生的兴趣和特长，促进知识的个性化建构与巩固，并增进家校科学教育联动。

第五阶段：反思评价，内化提升（Evaluate）——贯穿全程及最后5分钟

【过程性评价】

1.观察评价：教师在小组探究中巡视，观察学生的参与度、操作规范性、合作情况，给予即时口头反馈或记录。

2.作品评价：对实验记录单的完整性、数据的真实性、结论的合理性进行评价。

3.提问评价：通过课堂提问，诊断学生对核心概念和探究思路的理解程度。

【总结性评价与反思】

1.教师活动：

1.2.引导学生回顾整节课的探究历程：从提出问题→猜想→设计实验→动手验证→分析证据→得出结论。

2.3.提问：“今天最大的收获是什么？”“在实验中遇到的最大困难是什么？怎么解决的？”“关于空气，你还有什么新的疑问？”

3.4.展示“问题墙”，鼓励学生将新问题（如：空气的质量有多大？怎么测量？热空气和冷空气谁的质量大？）贴上去，作为后续探究的起点。

5.学生活动：

1.6.回顾、梳理学习历程。

2.7.分享收获、困难和新问题。

8.设计意图：引导学生进行元认知，反思自己的学习过程和思维变化。将课堂终点变为新探究的起点，保持科学好奇心的延续性。评价贯穿始终，实现教学评一体化。

六、板书设计（思维导图式）

空气有质量吗？

/\

猜想实证

(有/没有)|

——我们需要证据——

|

+--------------------+

|对比实验思路|

|(控制变量)|

+--------------------+

/|\

抽气法充气法其他？

(演示)(分组探究)

/|\