小學科學單元整體實驗教學器材的研發(fā)策略

劉少君

【摘要】實驗教學是國家課程方案和《小學科學課程標準》規(guī)定的重要教學內(nèi)容，是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)和創(chuàng)新人才的重要途徑。面對現(xiàn)有實驗器材難以滿足科學新教材的教學需要。為提高基礎教育質(zhì)量，提升教師實驗教學能力，實驗器材的創(chuàng)新研發(fā)勢在必行。筆者認為，科學教師應關(guān)注教材單元整體實驗教學，從實驗被迫中斷，實驗器材難準備、難操作等問題，靈活借鑒、巧妙借用其它實驗器材，并大膽創(chuàng)新研發(fā)新器材，從而開發(fā)出適用于多節(jié)實驗教學內(nèi)容的器材，為實現(xiàn)學生科學素養(yǎng)培養(yǎng)目標奠定良好基礎。

【關(guān)鍵詞】小學科學;實驗教學;實驗器材

小學科學課程是一門基礎性、實踐性和綜合性課程。小學科學課程倡導以探究式學習為主的多樣化學習方式，實驗教學以其獨特的魅力吸引學生主動探究，親身經(jīng)歷動手動腦等實踐活動，獲取科學知識、領(lǐng)悟科學思想和學習科學方法。國家課程方案和《小學科學課程標準》將實驗教學列為重要教學內(nèi)容。實驗教學是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)和創(chuàng)新人才的重要途徑，但現(xiàn)有實驗器材難以滿足科學新教材的教學需要。為貫徹落實《教育部關(guān)于加強和改進中小學實驗教學的意見》的文件精神，提升教師實驗教學能力，加強實驗教學與探索，全面提高基礎教育質(zhì)量，全國各地如火如荼地開展了中小學教師實驗教學技能競賽系列活動，“創(chuàng)新實驗器材研發(fā)”競賽項目更是對實驗教師隊伍的一大挑戰(zhàn)。作為一名科學教師，該如何改進和研發(fā)實驗器材呢？

許多教師習慣性地將目光和研發(fā)精力集中在一個實驗，忽略了科學教材各單元之間的聯(lián)系。《義務教育小學科學課程標準》指出，“培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)是科學課程的宗旨。”單元整體備課是達成核心素養(yǎng)的重要途徑。對教材單元進行系統(tǒng)梳理，挖掘教材單元中各部分內(nèi)容的素養(yǎng)教學功能，規(guī)劃設計教學策略及教學過程，才能有效促進教學，達到核心素養(yǎng)目標。單元整體實驗教學也需進行系統(tǒng)梳理，基于核心素養(yǎng)達成需要研發(fā)出的實驗效果明顯并適用于多節(jié)實驗教學內(nèi)容的器材，不僅能減少浪費，減輕教師準備實驗器材的負擔，學生使用器材實驗時也更為得心應手，方便學生快速進入探究活動。

教科版五年級下冊《時間的測量》單元中的第5課《機械擺鐘》、第6課《擺的研究》、第7課《做一個鐘擺》和第8課《制作一個一分鐘計時器》都是有關(guān)單擺的研究，筆者以此為例，分析如何研發(fā)適用于單元整體多節(jié)課教學的實驗器材。

一、關(guān)注實驗被迫中斷等問題，靈活借鑒及改進其它實驗裝置

教師在組織學生開展實驗探究過程中，常會遇到某些配套實驗器材設計不合理，實驗被迫中斷、實驗數(shù)據(jù)誤差大、實驗現(xiàn)象不明顯等問題。當你聚焦這些問題并深入開展研究時，往往能取得事半功倍的效果。

例如，《機械擺鐘》一課“觀察我們的擺”實驗，科學教材提示我們可利用鐵架臺做支架，擺繩一端系于橫桿上，另一端掛一螺帽做擺錘（見圖1）。大多數(shù)教師會選用試管夾、大小鐵圈等鐵架臺原有配件當橫桿，長度普遍較短，還有六角螺帽在擺動中受到的阻力不勻等原因，實驗中常出現(xiàn)擺錘撞到鐵架臺豎向鐵桿的現(xiàn)象，從而導致實驗被迫終止。筆者改用加長筷子代替短桿實驗，但因擺繩系于長桿遠離固定點的另一端，擺錘擺動時很容易導致長桿傾斜和移位（見圖2），從而造成誤差。因多人任教科學和實驗室不足等原因，將十幾個重達二三十公斤的鐵架臺搬到教室上課實屬不易，還存在安全隱患，用鐵架臺做單擺支架的缺點顯而易見，有沒有更好的辦法解決以上問題呢？我們能否靈活借鑒其它實驗裝置呢？

教科版五年級下冊《地球的運動》單元第3課《證明地球在自轉(zhuǎn)》中“擺的特點”實驗，蘇州愛牛科教器材有限公司為此開發(fā)了“傅科擺”（見圖3）。“傅科擺”由木質(zhì)支架、一個可轉(zhuǎn)動的底盤、擺繩和擺錘組成。在擺擺動過程中慢慢轉(zhuǎn)動底盤，擺的擺動方向不會隨著圓盤轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，從而得出“擺”具有保持擺動方向不變的特點。對于這種僅適用于一個實驗教學且占用較多空間的裝置，許多學校都不愿購買。若將其改為易于拆卸和收納的結(jié)構(gòu)，例如，將兩條豎桿從圓盤的固定豎桿結(jié)構(gòu)中拔出，并利用合頁將桿子進行折疊收納，整個裝置重量僅有0.3公斤，能有效解決《時間的測量》單元4個課時實驗用鐵架臺做支架的弊端。我們還可在支架橫桿上懸掛可移動位置的量角器，指導學生在“擺的快慢與擺錘重量、擺繩長度有關(guān)嗎？”等實驗中嚴格控制一個變量，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。在時間允許的情況下，創(chuàng)新性增加“擺的快慢與擺幅有關(guān)嗎”實驗，有利于學生進一步驗證通過多個小組實驗數(shù)據(jù)推理出的“擺的快慢與擺幅無關(guān)”的結(jié)論是否正確，也更符合小學生的年齡特點和認知規(guī)律。

二、關(guān)注實驗器材難準備問題，巧妙借用及改進其它實驗器材

在實驗教學中，科學教師還常會遇到實驗器材難以準備的問題，若我們能巧妙借用及改進其它實驗器材，就能輕松解決所面臨的難題。

例如，《擺的研究》一課“擺的快慢與擺錘重量有關(guān)嗎？”實驗，教師教學用書提示我們要準備三個大小相同、輕重分別是20克、40克、60克的擺錘，但生活中難以找到同體積、密度按相應比例增加的三種材料，許多教師只能退而求其次，以增加螺帽數(shù)量來改變擺錘重量，但擺錘重心、體積也發(fā)生了改變。許多學生對實驗沒法控制一個變量提出質(zhì)疑。為此，筆者從網(wǎng)上購買同體積塑料球和鐵球作為重量不同的擺錘，后來還巧妙借用《沉與浮》單元中同體積不同重量的塑料塊、鋁塊和鐵塊裝在塑料小桶中當擺錘。球形、圓柱體結(jié)構(gòu)較六角螺帽受到風的阻力更為均勻，有效減少實驗中的誤差。

三、關(guān)注實驗器材難操作問題，大膽創(chuàng)新研發(fā)新實驗器材

在實驗教學中，科學教師還常會遇到實驗器材過于復雜或難于操作等問題。例如，《擺的研究》一課“擺的快慢與擺繩長度有關(guān)嗎？”實驗，因?qū)W生年齡小、動手能力差等原因，測量繩長、打結(jié)等微不足道的小事都會耗費學生大量的時間。因本課實驗較多，給科學探究爭取更充裕的時間。筆者對擺繩進行創(chuàng)新改進，在擺繩兩頭和中間位置打三個結(jié)，擺繩兩頭的結(jié)分別掛于支架橫桿掛鉤和擺錘時，為兩倍繩長;當擺繩中間的結(jié)掛于橫桿掛鉤時，則為原來繩長，無需更換擺繩進行實驗，操作簡單、省時高效。

《做一個鐘擺》中的“擺長怎樣影響擺動次數(shù)”實驗也存在類似問題，教材提示教師準備三個金屬圓片并固定于三條木條的不同位置（見圖4），而僅在木條一側(cè)固定金屬圓片的做法易使擺錘重心偏離木條而出現(xiàn)轉(zhuǎn)圈現(xiàn)象。有些教師用胡蘿卜代替金屬圓片的實驗效果明顯，胡蘿卜的位置也易于調(diào)整（見圖5），但當班級和小組數(shù)過多時就顯得過于浪費了。

筆者創(chuàng)新性地在寬度較小、長30厘米的薄木條兩邊，吸附兩塊外包軟膠的強磁，在擺擺動過程中不會出現(xiàn)磁鐵移位或轉(zhuǎn)圈現(xiàn)象，實驗效果明顯，更能快速調(diào)整磁鐵位置進行對比實驗，省時高效。

最后，我們改進和研發(fā)的系列實驗裝置（見圖7）不僅節(jié)省材料，還具有重量輕、易操作、實驗效果明顯、易收納、可重復使用等特點，深受學生喜愛。它還適用于小學1-6年級《科學》教材有關(guān)單擺的所有實驗，支架還可應用于三年級上冊《水沸騰了》《水結(jié)冰了》等教學內(nèi)容，懸掛溫度計測量水沸騰、水結(jié)冰過程中的溫度變化等，有效減輕教師準備實驗器材的負擔。

實驗教學是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)和創(chuàng)新人才的重要途徑。面對現(xiàn)有實驗器材難以滿足科學新教材的教學需要等問題，科學教師應扎實提升自身的實驗教學能力，關(guān)注科學教材單元整體實驗教學并進行創(chuàng)新實驗器材研發(fā)，努力研發(fā)出適用于多節(jié)課實驗教學的系列器材，有效提升教學質(zhì)量，為達成學生科學素養(yǎng)培養(yǎng)目標奠定良好基礎。

參考文獻：

[1]教育部.小學科學課程標準[S].北京師范大學出版社，2017.

[2]王鋒.例談核心素養(yǎng)視域下教材單元整體備課[J].中學化學教與學，2020（6）.