小学科学自制教具的研发

新课程改革以来,小学科学教学坚持以培养科学素养为教育宗旨,以探究为核心的教学理念.但在平时的教学中,教师常常会发现科学教材中存在实验缺陷和教具短缺的情况,直接影响教学的有效推进.自制教具是科学教学中值得长期研究的重要教研活动,是教师对探究实验的一种提炼和思考,更是教师对探究实验的一种改进和拓展.自制教具在实施中充满研发多重策略的选择问题.小学科学自制教具的研发要坚持从科学教学的高效达成出发,吃透教材的同时进行创意思考、设计生成、制作完善,最后通过实践进行检验.

一、吃透教材――提供自制教具的原理保障

自制教具是实现科学课堂有效探究的必要补充,必须根据教材提供的科学原理进行研发.因此,自制教具的有效实施必须对教材做一个全方位的探究和思考,这是自制教具有效实施的客观前提.吃透教材能为自制教具活动打好有效铺垫,这是一个始终如一的探究过程.教师要在教学过程中沿袭细吞慢咽的原则对教材进行不同层次的思考和探索.

1.初读教材

教师要读懂教材设置的基本实验现象,除了教材的基本布局外,对教材文本和图片,教师也要做到心中有数.同时,教师要全面理解教材设置的科学概念,这是探究实验的成果目标,明确基本概念中蕴含的科学原理尤为重要.此外,教师要在现象和概念间建立一种联系性思考,思考实验探究活动中传达的科学信息及其与概念的合理性.

2.细读教材

教材的细化研读有利于理清教材细节.教师要思考实验操作和科学概念的有效衔接,读懂和理清教材中实验器材设置的重难点.

3.反思教材

实验设备的完善是无止境的.教师要带着科学教学的精神,吸取实验成与败的经验,反思实验的合理性和高效性,学会质疑教材,分析成败原因,找准实验设计的突破点.

4.拓展教材

教师要抓住实验关键,不断思考、勇于推进、积极尝试更为有效的实验探究方式,关注细节、突破难点、有效演示、有效概念等都是进行自制教具的切入点.

二、深化教学――酝酿自制教具的动力支持

对科学教学的思考和拓展是自制教具的源动力.教学中有许多未知领域值得我们去探索和追求,对探究实验中的脚手架――实验器材进行有效研究,将有效促进科学教学的发展.

1.目标定位

我们要像科学家一样学习科学,教学的内在深度和广度就会得到不断的拓展和延伸.教师要以探究为核心,贯彻小学科学新课程的先进教学理念,面向全体学生,努力提升自身的科学素养,成为一个研究者,更好地引领课堂教学.

2.课前酝酿

教学设计要切合学生的学习心理,以科学探究为核心.教师在每次上课前要进行下水试验,找准实验的成败点,进行前期思考.此外,教师要注重创新思考,在设计、取材和制作上巧花心思,实现实验的合理性和有效性.教师要以课堂浓厚的探究味、研讨味和趣味化为目标,把握学生的学习心理和课堂教学氛围,倾听学生的呼声.

3.课时生成

在教学中,教师要善于发扬个性,对科学教材进行灵活处理,营造轻松、有趣、高效的课堂气氛.教材导入部分要切合主题,注重生活化与趣味化,充分调动学生的生活经验,激发他们探究的.教师要以问题为线索,以有结构材料为铺垫,引领学生有效思考和跟进.在设计环节,教师要引导学生进行有效酝酿、制订计划、思考材料、引出实验材料和实验细则.在实验环节,教师要调动学生个体和小组的积极性,确保实验的安全与效果；进行实验后,教师要注重实验单的整理和研讨,以生生或师生的研讨为基础,提炼探究活动的内在价值.

4.课后延伸

基于科学课堂,教师应引导学生向生活领域拓展.小论文、小制作、小发明等创新社团都是学生探究和思考的平台.对自制教具来说,教师要反思实验器材在课堂中运用的有效性,从实验的高效、便捷和简约性等角度进行思考和突破.

三、创意思考――引发自制教具的灵感生成

发现问题比解决问题更重要.自制教具的研发源于课堂且高于课堂,锁定探究实验的教学困惑进行针对性的思考是自制教具的前提.如何挖掘自制教具的问题生成是自制教具的重要内容.

1.关注科学课堂探究中的点滴细节

现有教具在教学中出现的细节性缺陷,尤其会影响实验的高效达成时,就会让教师产生自制教具的灵感.关注细节、锁定细节、突破细节是自制教具灵感获取的必要途径.

自制教具：便携式电路检测器（教科版小学科学四下“电”）

关注问题：

我在讲授“导体和绝缘体”一课时,学生完成对指定材料的检测后,在他们开始检测教室材料时意外地发现学生拿取电路检测器很不方便,有的组将电路检测器握在手心,有的组是两人分工检测.

策略思考：

如何设计便携式电路检测器,经过思考和研究,我从学生佩戴的儿童玩具手表中受到启发,形成将电路检测器安装到玩具手表上的创意.

自制教具：白糖加热实验改进版（教科版小学科学六下“物质的变化”）

关注问题：

白糖加热实验要求学生必须戴上安全手套,手持金属汤匙用蜡烛给白糖加热.但在教学中会发生意外,加热中的液态糖会溅到学生手上.

策略思考：

教师可以制作支架固定金属汤匙,并在多种材料中进行筛选和改进.经过反复试验和改进,我决定利用三脚架边缘,将铅丝弯折,绕成一个汤匙架,解放双手,提高实验的安全性.

2.有效提高科学实验的直观演示性

实验的直观演示是一种很好的教学手段,如何提高传统教具的直观演示性也是自制教具的灵感源之一.

自制教具：磁悬浮列车教具（教科版小学科学三下“磁铁”）

关注问题：

磁悬浮列车教学往往表述磁极原理,通过环形磁铁进行同极相斥的实验探究,但是微型实验教学不能自然地迁移到大型的磁悬浮列车.策略思考：

指向设计一个较大的磁悬浮列车模拟效果.我最终从小孩子的强力磁铁中受到启发,购写了一个2cm×1cm×0.2cm的强力磁铁,重点解决强力磁铁的拼装难题,经过近2个月的努力终于完成磁悬浮列车模型的搭建.

3.以探究实验的难点突破为出发点

教师在教学中不难发现配套教具总会存在一些难点问题,导致很多实验达不到要求的精准性,操作麻烦.实验的难点突破是自制教具创作的重要源泉.锁定难点、突破难点是教具制作的重要路径.

自制教具：小缆车时速测量装置（教科版小学科学五上“运动和力”）

关注问题：

我在进行测试“拉力大小与小车的运动关系”的实验时出现了下列操作难题.

（1）计时动作需要专门训练,浪费时间.

（2）由于小车从起始点到终点的确认仅靠经验来感觉,计时数据精确性差.

（3）小车没有专有行驶跑道,容易偏离直线跑道,导致行程变长,干扰数据的可信度.

策略思考：

解决这些技术难题的关键是秒表的计时工作,我在对秒表研究时意外发现秒表计时开关可外接,可以在秒表外并联接出起始开关和终点开关.攻克起始开关和终点开关的设计制作难题后,我又制作了小车导向轨道和终点开关内金属滑道,至此小车运动快慢测量装置的设计和制作方案就浮出水面.

自制教具：数字化轮轴原理器（教科版小学科学六上“工具和机械”）

关注问题：

在轮轴的实验探究中,我发现教材设计中存在一些难以克服的难点.

（1）轮轴原理缺乏足够的说服力,按照教材的方式操作只能实现两倍和三倍轮的实验效果.实验次数不多,影响结论的有效性.

（2）轮轴的组装及砝码悬挂较为繁琐.

策略思考：

如何实现集成化实验效果一直是我思考的重点.最初的时候,我想用一到五倍的轮进行组合,但是制作既麻烦又费材料.能否进行简单、有效的实验设计?于是,我将多轮进行合并,采用单平面结构,用画圆的方式绘制五轮圈,在五轮圈横向直径交点处设置挂杆,轮轴面左侧挂杆挂砝码,右端挂杆用挂线连接可移动电子称,实现轮轴实验数字化、简约化与高效化的实验效果.

自制教具：数字化物体稳定性检测器（教科版小学科学六上“形状与结构”）

关注问题：

《建高塔》一文的教材设计是塑料瓶大头朝下则稳定,瓶口端朝下就不稳定.在做“上轻下重稳定性好”的实验时,在塑料瓶底盛放沙子或水,我们可以得出“底部加重稳定性好”的原理.但是这样的实验显得有些粗糙,用手指拨动仅仅获得粗略的感觉,缺乏实验的严谨性和科学性.

策略思考：

解决方案的设计灵感来自实验中用手拨塑料瓶,可以设计用挡板代替手,用螺杆旋转推动挡板移动,在挡板上设计移动杆和指针刻度盘,以数据的方式配合呈现.设计大小、轻重模块,作为标准实验模块,从而实现实验的标准化.

4.紧紧围绕科学概念的有效生成

科学概念是科学探究活动的结晶,既是探究的结果和目标,又是探究活动的主线.教学具是学生建构有效科学概念的载体,使科学概念以实证的科学方法来演绎.关注实验器材对科学概念的有效达成,成为改进和开发自制教具灵感的重要来源.

自制教具：体验版与数字化撬棍原理器（教科版小学科学六上“工具和机械”）

关注问题：

杠杆教学中将撬棍翘石头作为导入,杠杆尺作为原理探究的载体.但是撬棍翘石头对现代学生来说比较陌生,学生没有体验的机会,教材设计变得空洞乏味.在整理杠杆平衡原理所得的数据时,学生很难发现其中的规律.

策略思考一：

为了解决有效体验的问题,最初的方案是教师在教室里提供实物体验,但准备繁琐,存在一定的危险性,之后想到可以在实验桌上进行体验.于是,我决定将支点设计为滑道移动式,重物盒可放不同数量的砝码,用长块合页固定在底板上,设计一个多功能、高效的体验版撬棍原理器.

策略思考二：

如何解决实验数据整理难的问题,经过思考,紧紧围绕撬棍进行延伸和拓展,我认为可以在撬棍用力点一端挂取砝码,阻力点一端用电子秤进行数字化显示,将阻力点向上的力量利用下端的定滑轮转化成向下的力量,再用手提电子秤显示,数字化撬棍原理器的灵感模型就出现了.

四、设计生成――促进自制教具的方案完善

自制教具的创作灵感是成功的开始,在灵感雏形的基础上教师要努力做到精益求精,不断完善、反思、改进与突破,巧用图纸.自制教具的设计方式因人而异,有很多种,但在设计环节要遵循简约高效的原则,努力达到事半功倍的效果.下列是自制教具设计环节中的阶段性示意图（见图1）.

教具的构思要遵循针对性研究的原则,在远景目标指引下,逐个击破,步步为营.同时,教师要养成先重后轻、首先攻关核心技术的设计要领,然后再研究附加难题,这样就可以少走弯路.设计方案要坚持从设计草图,到图纸的改进细化,再到图纸完善的路线.教师应在有效反思中,不断推翻和修正,直到形成精准图样为止.

在设计环节,教师要进行有的放矢的多维思考.突破核心技术是关键,此外还要考虑制作的可行性,基于简单有效的原则进行核心技术的试验.此外,教师也要考虑选材和经费.自制教具的选材可以在商店、商业城或网络上购写.学校历年积累下的闲置教具也可以变废为宝.同时,这一环节要为教具的制作环节做好准备.教具制作的总后台是设计者,要坚持自主制作、外援参与的原则,在教具制作中要和木工、铁匠工和油漆工等及时联系,建立长久合作的关系.

五、制作完善――实现自制教具的有效制作

预先周到的设计和精确的图纸描绘为教具制作指明了方向.材料的构思与预设基本成型,制作的可行性也应进行明确安排.（1）检查设计图样：制作前必须对设计图纸进行排查,确保图纸的成品效果.检查的问题有：图纸结构原理的正确性、图纸尺寸的规范性、材料选择的有效性及制作加工的合理性.

（2）准备制作工具：常见的工具有剪刀、老虎钳、尖嘴钳、螺丝刀、金属焊接器及各类胶水、胶带等粘合剂.非常见工具,如电钻、抛光机、简易车床等.对制作工具,教师要做到心到手到,注意积累操作经验.

（3）预设制作材料：教具的取材设计环节主要是安排和采购,遵循物美价廉的原则,可以在一般小店、商场、商业城购写,或者网上购物.在采购前,教师要列好清单,购写时一目了然.

（4）统筹制作步骤：首先制作关键技术部分,再对其他附加难题进行制作,制作中要及时查看和修正,确保质量,进行统筹安排.

（5）自主有效制作：坚持自力更生为主,把图样记在心里,努力将其变成实物,把握各个环节.在制作时,教师要控制尺寸和形状,及时进行试验.

（6）联系外援制作：有些环节要求助于外援,如木工、铁匠工、油漆工等.教师要做好有效指导,和外援做好交接,明确交作要求,及时商讨,寻找最佳制作方式,建立良好的合作关系.

（7）组装美化教具：对教具的外形进行美观设计,如颜色、装饰涂装等.

六、检验应用――优化自制教具的使用效果

自制教具的试验是一个必要环节,自制教具的应用是最终的归宿.自制教具要进行实践性检验,在教学应用中不断完善和提升教具的价值.在自制教具的预设功能下,教师要有的放矢地进行反复试验,收集和记录数据,或借用仪器检测,在应用中比对实验数据和实验要求的达成度,在展示和交流中征求学生的意见和看法.

设计的检验：设计环节的检验为有效制作的实现奠定基础,只有经过有效试验才会推进教具的科学设计,教师要基于先重后轻、逐个击破的原则,及时进行检验、整理、思考和改进.

制作的检验：坚持稳扎稳打的原则进行及时检验,使制作过程更为顺利.教师应坚持从核心技术出发,进行附加技术的检验,压缩次数,提高效率.

后期的检验：教师要对教具进行多次实验操作,做好实验记录,整理和比对预设效果,及时进行教具的调整,直到达到设计要求为止.

课堂的应用：教师需要将自制教具预设在教学方案中,针对教具的使用效果,进行多方位的分析和评价,检验操作的便捷性、实验的直观性与简约性,针对出现的问题,进行深入的设计和改进.

（作者单位：浙江省杭州市萧山区朝晖小学）

（责任编辑：孙建辉）