自制實驗裝置創新科學課教學設計

【摘要】本文以小學科學《誰輕誰重》為例，以改進創新實驗裝置為切入點，從實驗教學目標、內容設計、方法設計、教學過程設計、教學反思等方面進行實驗教學設計，促使學生通過實驗探究初步建立對“物體有輕重”的認識。

【關鍵詞】小學實驗教學 說課 自制教具 《誰輕誰重》

《義務教育小學科學課程標準》（2017年版）明確提出“倡導探究式學習”，通過物質科學領域內容的學習，“幫助學生初步養成樂于觀察、注重事實、勇于探索的科學品質”。教科版小學科學教材一年級下冊第一單元第2課《誰輕誰重》實驗教學的設計，是基于學生核心素養的培養，以學生原有知識水平為元認知起點，以改進創新實驗裝置為切入點，引導學生了解物體有輕重，比較不同物體的輕重并排序，促使學生初步形成對“物體有輕重”的認識而進行。以下，筆者以《誰輕誰重》一課的教學為例，根據實驗教學說課流程，從實驗教學目標、實驗內容設計、實驗方法設計、教學過程設計、教學反思與評價等方面進行闡述。

一、教材分析

《誰輕誰重》一課隱含的科學概念是：質量是物體的基本屬性之一，并且質量可以通過測量而得到。對一年級學生而言，他們需要了解物體有輕重，能夠比較不同物體的輕重并進行排序。這個階段的學生，已經初步掌握了一些觀察、描述物體的方法（如看一看、聽一聽、摸一摸、聞一聞等），積累了一些關于物體特征的科學詞匯（如大與小、多與少、長與短、輕與重等），甚至意識到可以用“掂一掂”（即掂量）的方式比較物體的輕重。但學生在自主探究過程中不難發現，對物體輕重的相互比較，不同的人可能得到不同的結果，尤其是兩個物體的重量接近時，很難通過掂量進行判斷。那么，要準確判斷物體的輕重，還有哪些更好、更科學的方法？由此，筆者針對一年級學生的年齡特點，用自制教具——聲光電多維數字天平儀進行稱量，最后通過小組合作、討論、觀察、比較、統計等多樣化手段得出結論。

二、實驗教學目標及重難點

根據教材結構與內容分析，制訂以下實驗教學四維目標。

1.科學知識概念目標：質量是物體的特征之一，且質量可以被測量;

2.科學探究目標：用稱一稱、掂一掂、試一試等方法比較物體的輕重;

3.科學態度目標：進一步對研究物體產生興趣和愿望;

4.科學、技術、社會與環境目標：認識到用稱一稱、掂一掂、試一試等方法進行測量，測量結果的準確程度不同。

本課實驗教學重點是用稱一稱、掂一掂、試一試等方法進行物體輕重的比較，幾種不同的方法可能導致結果的準確度各異。本課實驗教學難點是用簡易天平和聲光電多維數字天平儀進行測量并記錄，認識到用稱量的方法測量物體的輕重更準確、更科學。

三、實驗內容設計

教材提示可以用乒乓球、木塊、塑料塊、小橡皮、大橡皮等五種物體進行“誰輕誰重”的比較。為了有效達成教學目標，本課實驗內容設計為三大部分。

1.預測：猜一猜，預測幾種物體的輕重并做記錄。

2.掂量：掂一掂，用手比較物體的輕重并做記錄。

3.稱量：稱一稱，用簡易天平和筆者自制的實驗裝置——聲光電多維數字天平儀，比較物體的輕重，并進行數據記錄、對比。

四、實驗方法設計

（一）實驗操作出現的問題

根據教材實驗，筆者先引導學生分別用“猜一猜”“掂一掂”“稱一稱”三種方法比較不同物體的輕重。部分學生在使用課本提示的實驗器材——簡易天平進行實驗操作，并在實際操作過程中發現三個問題，同時引發筆者進一步思考，具體如下。

1.問題一：天平左右不平衡怎么辦？

由于簡易天平僅用三根木條組合而成，部分學生在稱量前沒有做到讓平臺左右平衡，導致實驗一開始就出現了數據偏差。

2.問題二：怎么判斷天平是否左右平衡？

簡易天平的木條上沒有任何標記，部分學生只能憑肉眼判斷平臺是否平衡，缺乏精細化天平儀的指針判斷，導致重量接近的物體輕重難以進行比較。

3.問題三：底座不穩怎么辦？

教材中的簡易天平底座僅有一塊薄木板，在分組實驗過程中，常常因為底座不穩而導致天平倒下，實驗必須重做。

（二）實驗情況分析

根據課堂中匯總的實驗排序結果，筆者針對不同學校一年級的6個教學班、72個實驗組進行調查，由調查結果可知，稱量結果與實際結果不相符的有21組，錯誤率達29.2%（如下表所示）。

這樣的結果說明，一些組別的學生沒有意識到，用稱量的方法測量物體的輕重更為準確。

（三）解決方案：自制教具——聲光電多維數字天平儀

為了使實驗過程更規范，稱量結果更準確，也為了進一步提升不同層次學生的科學素養，筆者通過自制教具——聲光電多維數字天平儀（該教具于2019年8月29日由國家知識產權局專利受理，申請號：201921417281.5），以新技術助推科學探究，更科學、準確、直觀地測量物體的輕重。

五、教學過程設計

（一）教學設計

根據以上教學內容，筆者針對實驗教學環節設計如下教學過程。

1.探索：自主選擇以下一至兩種方法進行稱量，比較物體的輕重并做好記錄。

（1）方法一：簡易天平測量法。用教材提供的簡易天平進行稱量并做記錄，學生平均用時為4分05秒，準確率為70.8%。

（2）方法二：左物右碼稱量法。教師首先進行現場演示，將聲光電多維數字天平儀放置水平桌面，在左右兩個托盤分別放入大小相同、重量相等的白紙，直接讀取數字：數字為“0”代表天平左右平衡;數字不為“0”，則通過調節平衡螺母使數字顯示為“0”。其次，根據“左物右碼”原則，將乒乓球、木塊、塑料塊、小橡皮、大橡皮五種稱量物體分別放在天平左側托盤，此時的數字發生了變化。隨后，將回形針等物體作為標準物逐一放置在天平右側的托盤，直至數字顯示為“0”，數出回形針個數，學生將五種物體依次稱量并一一記錄。此方法平均用時為4分12秒，準確率為91.7%。

（3）方法三：直接讀數稱量法。教師首先進行現場演示，將聲光電多維數字天平儀放置水平桌面，直接讀取數字，數字顯示為“0”代表天平左右平衡;數字顯示不為“0”則調節平衡螺母使數字讀取為“0”，然后將五種稱量物體（乒乓球，木塊，塑料塊，大、小橡皮）分別放置在聲光電多維數字天平儀左側，通過聲光電多維數字天平儀進行數字化稱量，數字越大代表物體越重;反之，數字越小代表物體越輕。此方法，學生平均用時僅需3分05秒，準確率高達98.6%。

2.研討：比較猜測、掂量、稱量哪種方法更為準確？

3.拓展：形狀相似、大小相同的兩個碗，它們一樣重嗎？

通過改進創新實驗裝置，能較為準確地比較物體的輕重。（附學生實驗過程視頻，略）

（二）設計原理

自制教具——聲光電多維數字天平儀通過增加智能控制板及聲光電裝置，使物體出現輕重變化，導致聲光電多維數字天平儀數字、聲音、光電發生變化，測量結果更為明顯，進一步完善了學生在探究過程的直觀體驗，準確性、高效性、普及性、推廣性更強。

（三）創新點

與簡易天平相比，自制教具——聲光電多維數字天平儀的使用讓測量結果更為準確，主要有六大創新點，其中前三大創新點回應了學生提出的三個問題，后三大創新點則是該裝置的新增功能。

1.有可調節的平衡螺母進行左右兩端的平衡調節。

2.數字可視化，天平平衡則顯示為“0”。

3.加大天平的底座面積，使其更為穩固。

4.物體輕重的數字越大，物體越重;數字越小，則物體越輕。

5.物體輕重有聲音提示，單側物體越重，提示音越大。

6.物體輕重有光電提示，天平光電隨物體的重量變化而使亮度發生變化。

此外，聲光電多維數字天平儀的數字顯示、聲音及光電功能可以分別控制開關，教師、學生可以根據實際需要進行選擇，或同時使用，或使用其中一種功能。該裝置既達到本節課設定的教學目標，也突破了教學重、難點。此外，該裝置可以拓展應用于教科版小學科學三年級上冊《空氣有質量嗎？》等實驗教學中。

六、教學反思

（一）基于學情有效改進實驗裝置

改進實驗裝置的目的是提高科學課堂的有效性。本實驗裝置引入“互聯網+”及數字化方式，將原有的簡易天平進行數字化改進，既提升了精確度，又降低學生實驗操作的難度，減少實驗操作用時，便于學生科學、準確、直觀地觀察物體的輕重，構建相應的科學概念。

（二）基于問題有效創新實驗教學

實驗教學創新是為了更好地實現教學目標，突破教學重、難點。本實驗教學通過提供更多實驗儀器，拓展更多實驗方法，以聲、光、電多維數字天平儀的引入為切入點，切實解決學生無從下手、稱量失誤、結果不一等問題，有效鼓勵學生持續性探究，提高課堂教學的實效性。

（三）基于教學有效培養核心素養

科學課是以培養學生的科學素養為宗旨。本課基于學情、實驗、事實、數據等，通過教師的“教”——實驗裝置的改進與創新，獲得學生的“學”——觀察認知與實驗探究，提高了教學成效，培養了學生的科學素養和創新能力。

總之，通過科學實驗裝置的改進與創新，學生不但對物體輕重有了感性的認識，還對科學探究產生濃厚的興趣。在今后的教學中，筆者還將通過改進實驗裝置、創新實驗教學等方式，做到愛教、會教、巧教、樂教，鼓勵學生愛學、會學、巧學、樂學。

注：本文課例在2019年全區中小學實驗教學說課活動中獲一等獎;本文作者在第七屆全國中小學實驗教學說課活動中被評為2019年度全國中小學實驗教學能手。

作者簡介：梁惠娟（1980— ），女，壯族，廣西南寧人，碩士研究生學歷，一級教師，南寧市鳳翔路小學景暉校區副校長，研究方向為小學科學教育。

（責編 楊 春）