以“4341析改創享法”改進小學科學實驗器材的嘗試

【摘要】本文針對實驗器材在實際教學中存在的實驗操作煩瑣、實驗現象不明顯等問題，提出“4341析改創享法”，通過“分析—改進—創新—分享”遞進式流程，進行“四分析—三改進—四創新—一分享”探索，有效促進小學科學實驗器材的改進與創新。

【關鍵詞】“析改創享法” 小學科學 實驗器材 改進與創新

【中圖分類號】G62 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）25-0087-04

教育部2019年印發的《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》明確提出“鼓勵各地各校積極開展教學儀器設備適用性評價和研究，開展優秀自制器材評選，鼓勵教師自制實驗器材”的意見。開展小學科學實驗教學是國家課程方案和《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《2022年版科學課標》）規定的重要教學內容，是培養創新人才的重要途徑。

當前的小學科學實驗教學，在實際教學中存在諸多問題，如：實驗器材、資料箱、工具箱滿足不了不同版本教材的需求；部分實驗器材實驗操作煩瑣、實驗誤差大、實驗現象不明顯、不適宜分組合作、無法滿足不同層次學生探究活動的需求等。針對這些問題，筆者所在的團隊積極探尋促進小學科學實驗器材改進與創新的有效策略，提出了“4341析改創享法”，通過“分析—改進—創新—分享”遞進式流程，進行“四分析—三改進—四創新—一分享”探索，有效促進小學科學實驗器材的改進與創新。

一、“四分析”：對教材、學情、過程、器材進行分析

現代教學論認為，要實現教學最優化，就必須實現教學目標和教學過程最優化。教材分析、學情分析、過程分析、器材分析，正是實現小學科學實驗教學最優化的重要手段。

1.教材分析。對小學科學實驗教學的教材分析應基于學生發展和實驗的具體需求，遵循學生的認知規律，以學生的前概念為出發點。一是仔細研讀課標。仔細研讀課標是正確進行教材分析的前提。《2022年版科學課標》是小學科學學科教學的指導性文件，是編寫教材和進行實驗教學的依據。它詳細規定了課程的性質、任務、教學目的等。因此，在分析教材時應以課標為依據，以課標的要求為目標。二是整合教材內容。首先，要理解教材編寫的思路與內容的邏輯關系，分析本段教材對基礎知識和基本技能的表達方式和程序，研究設計意圖，從中領悟教材提供的教與學的過程和方法，明確教材的思路；其次，要明確教材在知識體系中的地位和作用，認真研究教材內容中的新知識和教材前后知識的聯系，發掘新知識的“生長點”，從全局上更好地把握和使用教材。三是確定教學重點和難點。在認識和理解教材的基礎上，教師要依據課標和教材內容，結合學生實際，科學準確地制訂教學目標，確定教學重點和難點。四是全方位分析教材。從教材的整體性和綜合性、從反饋信息和研究成果等方面分析，多角度、全方位地對教材進行深刻分析。

2.學情分析。學情分析是系統化教學設計不可或缺的重要組成部分，摸準學情可以為有效開展小學科學實驗教學提供有價值的教學參考。一是學生前概念分析。前概念是學生在日常生活經驗積累的基礎上形成的概念。分析學生前概念有助于從學生“最近發展區”出發，有效確立實驗教學目標，提高實驗教學的有效性。二是學生心理分析。運用多元分析方法與多維分析視角，分析學生在學習具體環節中的心理過程、特點及障礙，以便在實驗教學過程中更好地落實教學要求。三是學生實驗能力分析。雖然學生在實驗前已經具備一定的實驗能力，但能力的高低強弱，還需要結合學生實際情況進行綜合分析。

3.過程分析。小學科學實驗教學過程分析是教師對小學科學實驗教學實踐的再認識、再思考、再反思，并以此來總結經驗教訓，進一步提高教育教學水平。一是問題環節分析。根據學生探究的科學問題，分析該問題與前一課學習的關聯性，體現課程的連貫性。二是探究過程分析。在探索過程中，重點分析前概念測查、預測、探究計劃的制訂、實驗過程、信息收集、組織和呈現、形成的解釋等。三是研討階段分析。在研討階段，分析學生交流、討論、論證的關鍵問題以及所遇到的難點問題。四是課堂效果分析。在全課結束后，對整節課目標達成、呈現方式、教學流程、教學效果等進行反思、改進，以反思促進“教”與“學”，提高科學課堂教學效益。

4.器材分析。器材作為一種知識載體，為學生實施實驗提供了直觀形象的物質基礎。一是氛圍創設分析。在小學科學實驗教學過程中，要考慮器材的呈現是否為學生科學探究氛圍的創設提供有效幫助。二是裝置分析。器材的使用是為實驗探究提供便利與服務的，要分析提供的器材是否便于達成實驗教學目標，突破實驗教學重難點。三是過程分析。客觀分析器材使用過程中的優點與不足以及對學生操作過程和實驗效果的影響。

例如，教科版小學科學五年級下冊《擺的研究》實驗教學的重點是研究擺的重量、擺繩的長度與擺擺動快慢的關系。通過上述“四分析”可以發現：這兩個實驗需要由學生數擺擺動的次數，如“擺來回擺動算1次”“測量15秒，并重復測量3次”等。實驗過程中，學生既需計數又需計時，很容易出現計數方式錯誤或計數出現偏差的情況，導致數據誤差較大，甚至影響實驗結論。為此，科學教師對器材進行了改進，自制“數字化擺研究實驗裝置”，以電子計數代替人工計數，確保實驗數據的準確性，避免人工操作的誤差，使實驗更嚴謹、更高效。

二、“三改進”：基于具體學情、器材問題、實際教學的改進

當發現現用器材在小學科學實驗教學過程、實驗效果等方面存在問題后，教師應基于學生學情、器材問題、實際教學進行改進。需要注意的是，對實驗器材的改進要考慮不能與國家現行法律、法規、道德規范相抵觸，不危及食品、藥品試劑和飲食安全，不危及人類健康和生命財產安全，不造成環境污染，不妨礙文物保護和動植物保護。

1.基于具體學情的改進。學生實驗的有效性與學情息息相關，在實驗器材改進中，必須基于學情對器材進行有效改進，做到“三提高”。一是提高學生實驗興趣。小學科學實驗中涉及概念、規律、法則、定律等，往往枯燥乏味，難以吸引學生注意力，但學生對實驗過程卻表現出強烈的好奇心，一個好的器材、一次成功的實驗，能誘發學生積極思考，提高學生實驗興趣。二是提高小組合作有效性。器材除了關注個體，還應關注小組間的合作交流，改進器材使之適合學生小組合作學習，能激勵學生參與解決問題的熱情，增加學生從實驗探究中獲取知識的意識和能力。三是提高動手動腦能力。好的器材要符合學生心理、年齡特點，有助于學生動手探究、動腦思考，從而使學生愛學、樂學、會學、巧學。

2.基于器材問題的改進。當前，我國建立了一定規模的教學儀器生產體系，但由于教材版本不同、學生學情不同，部分器材在實際教學過程中存在實驗效率不高、實驗效果不夠理想等問題，這種狀況亟須改進。一是改繁為簡。繁雜的實驗器材容易使學生產生畏難情緒，使之無法完成探究任務，影響其概念的建構與學習，因此必須將繁雜的實驗器材改變為簡單的便于學生操作的器材，讓學生在實驗過程中便于觀察，方便實驗數據的收集與整理。二是改偏為正。實驗器材如果與教材偏離，出現不夠配套、不夠吻合等問題，在教學使用過程中勢必導致實驗效果不佳、學生理解吃力，因此改進實驗器材時一定要緊扣教材，使符合學段要求。三是改舊為新。隨著《2022年版科學課標》的出臺，教科版、粵教版等不同版本的教材將相繼更新，而現有某些儀器室配備的依然是舊課標的實驗器材，無法適應新的實驗要求，因此對實驗器材的改進要以最新的課標為依據，做到與時俱進。四是改粗為精。部分實驗器材較為粗劣，致使學生在實驗過程中雖然按實驗步驟操作，但最終效果不佳，實驗數據不準確，因此要對這部分實驗器材進行改進，讓實驗器材更為精準。

3.基于實際教學的改進。實驗器材的改進離不開課堂教學，在科學概念和科學探究雙螺旋協同發展的實驗教學過程中，必須基于實際教學對實驗器材進行改進。一是準確把握實驗教學目標。在小學科學課程的物質科學、生命科學、地球與宇宙科學和技術與工程四大領域中，實驗教學目標各異，器材改進的前提是深刻理解和準確把握實驗教學目標。二是實驗教學相互關聯不斷推進。實驗教學中涉及器材使用之處，教師通過“三環節”，即課前對器材進行試用、課中對器材的使用進行觀察、課后對器材的適用進行反思，及時發現以有效改進，使學生實驗與教材相互關聯不斷推進，形成整體。三是掌握實驗教學進階的特點。小學科學實驗是“兒童的實驗”，在充分體現科學特質的同時，要考慮實驗教學進階性，關注實驗，研究器材。

例如，教科版小學科學五年級上冊中的《光與熱》一課中，安排了下面的教學實驗：用鏡子將陽光反射到紙上，觀察、比較用一面鏡子和多面鏡子，反射光的強弱有什么不同？用溫度計測量紙上光斑處的溫度，比較用一面鏡子和多面鏡子，溫度計顯示的溫度有什么不同？希望學生通過實驗認識光的強弱與溫度的關系。但在實際教學中，天氣是一個可變因素，如果遇到下雨天、陰天或陽光不是很強的天氣，就會影響實驗的效果。加上傳統的溫度計讀數有時不準確，也會影響實驗數據的準確性。為此，科學教師可以運用上述“三改進”策略，設計新的裝置探究光的強弱與溫度的關系：用白熾燈臺燈模擬太陽光作為光源，用溫度傳感器測量不同強度的光照背景下光斑處的溫度，然后運用四位數碼管替代溫度計直接顯示溫度值。教師利用創客模塊的器材改進實驗裝置，繞開天氣這一不可控因素，突破教學重難點，最終有效達成教學目標。

三、“四創新”：加、減、乘、除“四法”創新

實驗器材的制作突出實驗創新，強調新技術、新方法的應用：通過引進合適的新技術、新材料、新成果，創新實驗器材，提高實驗教學效率。它是把想法創新物化的過程，是“人無我有”的過程，能培養教師的逆向思維、側向思維、求異思維、類比思維、發散思維等。以下四種方法既可單項使用，也可根據需要綜合運用。

1.做好“加法”。實驗器材過于簡單會影響實驗的嚴謹性、規范性。因此，器材的創新應做好“加法”。一是同類“加”。新課標確定了18個主要概念，以此為依據的實驗器材可以延伸出許多同類型器材，通過同類“加”原理，將實驗器材加高、加厚、加長、加重、加深、加寬……或將類似器材進行有機的結合，達到強化、凸顯實驗現象等效果。二是異類“加”。根據實驗教學或學生小組合作需要，將原有的實驗器材與其他器材進行重新組合，加入其他器材后，形成新的器材裝置，可以獲得不同的實驗效果。

2.做好“減法”。某件器材在減去一部分進行縮小與簡化后，有時會變成更適用的實驗器材，做到刪繁就簡，也就是做好了“減法”。一是同類“減”。在做物體的沉浮、定滑輪和動滑輪等實驗時，可以考慮部分實驗器材減輕重量、減小體積、減少面積、降低高度。二是異類“減”。如何從粗到精、從繁到簡、從有到無……這就需要根據學生學情、實驗教學需要，考慮可以減什么器材、如何減器材，怎樣壓縮器材、濃縮器材，甚至是省略器材等。

3.做好“乘法”。乘法可以把一個數擴大，在小學科學實驗器材的改進與創新中不妨嘗試用到“擴一擴”的乘法思路。一是同類“乘”。實驗器材過小往往導致學生觀察不清楚，用放大、擴展的方法制作一個更大、更易于觀察實驗現象的器材，或由小數據分析到大數據分析的整體化實驗器材，達到事半功倍的效果。二是異類“乘”。隨著科學技術的日新月異，實驗器材的跨學科、跨領域、跨時空思路可以不斷開闊，將現代電子技術、人工智能等新領域、新材料、新技術融入實驗器材，體現傳感器、單片機等現代新器材的便捷。

4.做好“除法”。除一除、縮一縮使許多器材向微型方向發展，創造了小學科學實驗器材的另一片小天地，能給實驗帶來更大的方便。一是同類“除”。器材是可以用同類型器材替代和覆蓋的，經過同類型器材的替代和覆蓋，有效提升科學實驗教學的實效性，也許會產生新奇、驚人、震撼的效果。二是異類“除”。在基本原理不變的情況下，用新型的或不同的材料除一除，能起到提高實驗器材性能、降低實驗器材成本、擴大實驗器材應用范圍、延長實驗器材使用壽命等效果。

例如，教科版小學科學三年級下冊《水結冰了》一課中的實驗教學重點是科學、準確、直觀地觀察水結冰過程中溫度變化的階段性過程，難點是及時捕捉到水開始結冰的瞬間。在實際操作過程中發現：水結冰現象比較細微，學生無法直觀構建水在0℃時開始結冰的科學概念。為了解決這一問題，我們團隊的教師按照上述“四創新”理念，自制了“多維立體測量儀”：通過“加”，創新增加溫度傳感器及單片機主控，液晶顯示屏實時顯示溫度從而代替了用煤油溫度計來測量溫度；通過“除”，創新自制保溫杯和試管架代替了包毛巾保溫和人工手持溫度計的方法；通過“乘”，創新用攝像裝置實時采集水結冰的過程，特別是能夠捕捉到水開始結冰的瞬間，完善了學生在探究過程中的直觀體驗。在課堂中讓學生使用“多維立體測量儀”來進行實驗，既達到本課設定的教學目標，也突破了教學重難點，提高了課堂教學效率。此外，該裝置還可以應用于該單元系列實驗，如《測量水的溫度》和《冰融化了》的實驗中。

四、“一分享”：實驗器材交流分享

為進一步將改進與創新的實驗器材與教材融合，體現“教”與“學”、“做”與“思”的統一，教師在自制器材后要進行分享，重在對器材改進之處、創新點、對提升教學實效性的幫助等方面與同學科教師進行交流分享。

1.分享實驗教學目標。實驗教學目標的定位合理性決定了小學科學實驗教學的有效性。一要闡述清楚。實驗教學的意圖、地位和作用闡述清楚明確，對實驗器材進行了一定的創新、改進和完善。二要主體突出。實驗教學目標層次符合課標要求和學生實際，突出學生的主體性，體現新課程理念。

2.分享實驗內容設計。實驗教學內容是實現教學目標的主要載體，如何突出實驗教學重點，突破實驗教學難點，實驗內容的設計是重要一環。一要科學合理。教學方法科學，實驗設計合理，實驗器材、自制器材選擇恰當，合理使用教學手段、實驗內容。二要引導有效。能有效引導學生積極參與實驗探究過程。三要改進創新。對實驗教學方法或運用材料或實驗器材進行改進、創新和完善。

3.分享實驗方法設計。優化實驗方法，有助于凸顯器材和進一步提升小學科學實驗教學的實效性。一要方向吻合。結合自制器材選擇恰當的實驗方法并說明依據，能體現小學科學課程與教學改革方向，為教學設計的合理性提供理論支撐。二要方法適合。實驗教學的方法要適合學生的年齡特點，能反映教學改革理念，體現教學水平。

4.分享實驗過程設計。合理的教學思路和教學環節可凸顯器材改進的意義。一要結構合理。課堂教學結構合理，教學環節清晰、自然，邏輯性強。二要駕馭課堂。實驗過程能體現教師的課堂駕馭能力，課堂反饋針對性強，有利于學生實驗能力的提高和知識的掌握。

5.分享實驗教學反思。反思自己的教學行為與器材創新情況，能建構自我的現代教學理念、優化教學行為，構建理論與實踐的橋梁，提升自身專業素養。一要有“形”有“神”。針對實驗教學和器材改進，進行問題原因分析、相關理論支撐以及提出改進措施，對問題進行深入探討，做到有“形”有“神”，提升教學反思意識。二要評價得當。判定學生的實驗學習結果，需要制訂科學、合理、系統的評價反饋方案，借鑒多種手段進行檢測和統計，最終通過實踐來檢驗效果。

例如，根據教科版小學科學一年級下冊第一單元第2課《誰輕誰重》實驗中的問題，我們團隊的教師設計了一個“聲光電多維數字天平儀”，在“一分享”環節闡釋了該裝置的改進與創新，通過簡易天平測量法、左物右碼稱量法、直接讀數稱量法互相對比，呈現出“聲光電多維數字天平儀”的優勢。使用改進后的實驗裝置展開實驗探究，有利于學生比較不同物體的輕重并排序，從實際實驗效果來看，學生實驗用時減少、正確率顯著提升，學生逐步建立起“物體有輕重”的認識。

實踐證明，基于實驗器材改進與創新的“4341析改創享法”，能有效避免小學科學實驗教學知識化、形式化、虛擬化、邊緣化等問題，充分體現教學性、科學性、創新性、啟發性與實用性的統一，對促進小學科學實驗器材改進與創新、提高小學科學實驗教學的實效性、促進學生科學概念的建構、提升學生科學探究能力和科學素養都具有積極的作用。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［2］黃賢群.七談小學科學有效教學［M］.南寧：廣西人民出版社，2018.

注：本文系南寧市教育科學“十四五”規劃立項課題“小學科學實驗器材改進與創新的實踐研究”（2021B068）的階段研究成果。

作者簡介：梁惠娟（1980— ），廣西南寧人，高級教師，研究方向為小學科學教學。

（責編 韋榕峰）