改进模拟环形山形成的实验设计

◇陈 晨 蒋晓妍（江苏：南京市金陵小学）

模拟环形山的形成是小学科学重要的模拟实验之一，其目的在于让学生了解月球表面的环形山是由陨石撞击形成的，目前的实验方法存在实验现象不清晰、模拟效果不佳等问题。针对上述问题，对模拟环形山的形成实验加以改进，通过使用过筛的沙子模拟月球表面的疏松结构，再在其表面覆上黏土以使撞击时能够看到清晰的辐射纹，能够形成典型的环形山结构。

月球是距离地球最近的天体，从古到今，科学家们对月球进行了持续不断的研究。对于月球表面的描述，也经历了一个发展的过程，古希腊哲学家阿那克萨格拉（Anaxagoras）第一个提出月球是岩石结构，并且月亮反射太阳的光，他还根据想象描述了月亮上的山和居民。1609年，伽利略利用自己动手制作的30倍望远镜观察到月球表面布满了大大小小的圆形山脉，并将其命名为环形山。伽利略根据对地球环形山的观察，推测这些环形山是由火山喷发形成的。直到美国地质学家巴林杰（Barringer,Daniel Moreau）根据对美国亚利桑那州的巨型环形山的研究，提出了陨石撞击说，才引发了人们对于月球环形山形成的重新思考。今天，陨石撞击说成了月球环形山形成的主流解释。真实的月球环形山大多是浅盘状，并且周围有扩散的辐射纹，以著名的第谷环形山为例，其直径约85千米，深4850米左右，并且辐射纹长达1800千米。

描述月球表面的概况是小学科学课程标准中地球与宇宙领域三四年级的学习目标之一。模拟环形山的成因是了解月球表面概况的重要内容。通过模拟实验，学生观察发现撞击所形成的浅盘状撞击坑与火山的锥体形态之间的不同，从而在伽利略的火山说与巴林杰的陨石撞击说之间进行判断选择。但是，受材料和装置的影响，在实际教学的时候，实验效果大打折扣。

因此，有必要对模拟环形山的形成实验进行全面分析和改进：一是研究现有的实验设计，分析其在教学中的不足；二是进行实验设计改进，确定最优的实验材料和装置；三是根据实验改进，优化教学设计。

一、现有实验设计

（一）实验意图

以苏教版小学科学四年级下册为例，第5课《月球》中有关于探究月球表面环形山成因的实验。实验希望通过石子下落所形成的冲击力，在沙子上形成凹坑，来模拟月球表面受到陨石撞击，形成环形山。并且，利用不同高度和不同大小的石子下落所呈现的效果来模拟不同大小的环形山的形成，引导学生理解环形山的大小与陨石的大小和撞击的速度有关（如图1）。

图1 模拟环形山的形成实验介绍

（二）实验设计

（三）实验效果

根据教材中的实验设计，分别利用细沙与面粉进行实验，结果如表1，效果如图2。

表1 现有实验设计实验数据

图2 模拟环形山的形成实验改进前的效果图

二、现有实验设计问题分析

因为实验现象不明显，在教学的过程中，学生容易形成如下错误概念：

·环形山的大小与陨石大小大致相同，与速度无较大关联。

·陨石都是球形或近似球形的，所以，环形山才是圆形的。

·缺乏对于月球表面辐射纹的认识。

模拟环形山的成因是一个典型的模拟实验，重点在于利用实验器材模拟陨石撞击月球表面，形成环形山的结构。学生需要观察模拟形成的环形山的结构，与真实的月球环形山进行对比。但是，教材却加入了两个不同条件的对比实验，这两个对比实验指向的问题是环形山的大小与哪些因素有关，却忽视了学生细致观察实验效果、将其与真实月球表面进行对比的过程。

三、实验设计改进

现有实验设计效果不佳的主要原因是，无论细沙还是面粉，结构的疏松程度都不足，很难在石子下落的有限冲击下，形成环形结构。

针对以上问题，对现有实验进行如下改进：

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·将托盘改为10厘米深的塑料收纳盒，可以铺设更加厚实的材料，更大更深的收纳盒也会减少材料的溅撒，保障实验卫生。

·采用更加疏松的低筋面粉，并且利用细网筛，一层层地将面粉筛入收纳盒中，面粉厚度在6厘米到8厘米左右。

·在筛好的面粉上，用细筛网薄薄地筛上一层黏土。

实验结果如表2，效果如图3。

表2 改进实验设计后的实验数据

图3 模拟环形山的形成实验改进后的效果图

四、改进实验设计的优点

（一）能够形成四周凸起的环形结构

原有的实验，因为沙子和不过筛的面粉的疏松度不足，在接收到冲击的时候，难于形成比较明显的环形结构，通常什么形状的石块就会砸出什么形状的坑，很难通过石块下落时候的冲击波，将模拟月球表面推出一个环状结构出来。而过筛之后的低筋面粉更加疏松，覆盖在面粉上的过筛黏土的颗粒也非常小，在石块下落的过程中，能够被冲击波所作用，推出一个比“月球”表面略高的环形结构。因为表面是被冲击波推出的环状结构，所以，不管是什么形状的石块，都会形成一个比本身直径要大一些的凹坑。在不同的实验条件下，因为面粉层比较疏松和厚实，石块会整体陷入面粉中，保留表面的凹坑，比较好地还原了陨石撞击月球表面的过程。

（二）显著的辐射纹更有利于学生观察

辐射纹是科学家在观察月球时比较重要的发现，巨大的辐射纹也是陨石撞击说的重要证据，科学家通过对于辐射纹的研究，可以了解陨石撞击的角度、能量等重要数据。我们在做这个实验的时候，同一材质很难有效地表达出辐射纹的抛撒飞溅。通过黏土与面粉的组合，在石块撞击之后，飞溅出来的白色面粉落在黄色的黏土上，可以非常清晰地显示出放射状的辐射纹，有效地模拟了太空中的陨石高速撞击月球表面的场景，便于学生观察。

（三）实验教学改进

在实验改进的基础上，笔者进行了教学设计的调整，简化了实验的过程，让学生专注于观察实验现象，进行分析比对，给出解释。

教学片段：

师：当时，伽利略认为环形山是由月球上的火山喷发形成的，可是过了一些年，人们又在地球上发现了这个陨石坑，有人提出了环形山是由陨石撞击而成的。

师：你们同意哪种说法？

生：我认为是陨石撞击形成的。

师：为了验证我们的观点，我们来做个模拟实验。

出示收纳盒，里面放了一些面粉和黏土来模拟月球表面。老师为大家提供一块石头用来模拟陨石，请大家站起来，将石头丢在盒子里，观察月球表面的变化。请注意，是丢在盒子里，不是砸。

学生进行实验。

师：请大家仔细观察你们的实验结果，对比屏幕上的月球环形山，比较一下，有什么相同的地方？

生：我发现，石块下落的过程中，产生了冲击波，将面粉推成了一个环形，这个环形比周围稍微高一点点。

生：我发现面粉飞溅出去，形成的纹路和月球环形山周围的纹路非常相似。

生：我发现，不管是什么形状的石头，形成的环形山都是圆形的，和月球上的很相似。

师：这样的环形山有没有可能是火山喷发形成的呢？

生：火山都比较高，火山口都比较小，和月球上的环形山不太一样，我觉得月球的环形山应该是由陨石撞击形成的。

在这个教学设计中，学生通过进行模拟实验，通过观察凹坑的结构与辐射纹的形成，与月球表面图片进行比较，发现用我们模拟的陨石撞击月球表面比较符合月球表面的实际情况，从而能够得出月球上的环形山形成原因的解释。

模拟实验可以让学生在探究的过程中，通过建模、观察，更有效地发现事物的内在规律。通过模拟环形山成因实验设计的改进，可以使实验效果更加接近真实，增加实验效果与真实情况之间的关联度，增强了模拟实验的可信度，让学生可以通过实验结果找出规律，有利于学生形成正确的科学概念。■