優化實驗材料，助力科學探究

黃瑞

【摘? ?要】實驗器材是學生進行科學探究式學習的基礎，對于達成科學學習目標，培養學生科學核心素養起到關鍵的作用。但在教學實踐中，許多實驗缺少合適的實驗器材，導致學生難以通過實驗活動有效建構科學概念。對此，教師應對其中的疑難實驗器材進行優化與創新，使用“創新直觀化材料、優化危險性材料、整合結構性材料、選擇生活化材料”等策略，提升實驗教學的有效性。

【關鍵詞】實驗材料；優化創新；小學科學；核心素養

《義務教育科學課程標準（2022年版）》明確提出，科學課程旨在培養學生的核心素養，為學生的終身發展奠定基礎。學生須經歷發現問題、提出假設、設計方案、開展實驗、交流討論、得出結論等過程，解決課堂中的核心問題，從而掌握基本的科學知識，形成初步的科學觀念，樹立基本的科學態度，提升自身的核心素養。科學實驗活動是學生在科學學習中十分感興趣的環節。所謂“工欲善其事，必先利其器”，這句話用在小學科學實驗活動中很是恰當。合適的實驗器材是助力學生開展探究式學習，幫助教師更好地開展教學活動的物質基礎。

一、審視：小學科學實驗器材的使用現狀

在教科版《科學》的教學實踐中，部分實驗缺少合理、直觀、有效的器材，阻礙了學生對實驗現象的觀察與思考及對科學概念的有效建構。

（一）操作復雜，觀察難度大

盡管當前的科學實驗教具正在逐步完善，但部分實驗材料還存在操作復雜、觀察難度大的問題，導致學生在操作中無法直觀地觀察到實驗現象，難以對問題進行有效的討論，阻礙了科學概念的建構。

（二）存在缺陷，安全隱患多

科學實驗活動必須要在安全的前提下進行。但在實際教學中，許多材料都存在安全隱患，不僅不符合學生的操作程序，還會使學生對實驗操作產生恐懼感，阻礙后續學習進程的順利推進。

（三）環境限制，體驗感差

在小學科學實驗教學中，對自然現象進行觀察、思考和推測，是培養學生科學能力的重要方式。但是，部分科學實驗活動受到自然環境變化的限制，使得教學無法按照原本的計劃進行，導致單元學習目標難以實現，學生科學學習的體驗感較差。

（四）脫離生活，遷移效率低

對于科學實驗活動，許多學生在課堂結束后都會感到意猶未盡，繼續探索的熱情很高。但是由于實驗器材與實際生活聯系不足，學生的課后遷移效率較低，無法形成課內外科學探究的有效聯動。

二、思考：小學科學實驗器材優化與創新的著力點

針對當前科學實驗器材使用的現狀，教師需要思考解決的方法，對已有的器材進行優化創新，從不同維度尋找改進的著力點，使實驗利于“動手操作、保證安全、概念銜接、拓展延伸”，助力學生的科學學習。

（一）創新材料，利于動手操作

設計簡易、便于操作、有趣味性的實驗材料，符合學生的年齡特點，有利于把復雜的過程簡單化，讓學生在體驗實驗樂趣的同時，深入理解科學原理，有效建構科學概念，熟練掌握科學方法，提升科學素養。

（二）優化材料，利于保證安全

確保實驗安全是科學實驗教學的前提，也是優化器材時需要注意的部分。安全、可操作性強的器材能夠讓學生在實驗過程中專注于解決問題，消除恐懼感。這也符合他們的思維能力和操作水平。

（三）整合材料，利于概念銜接

教科版《科學》是以大單元、主題化的模式進行設計的。在單元學習中對某一主題進行研究時，如果能將前后不同的實驗器材進行有效整合，就能縮短實驗的準備時間，也有利于科學概念之間的相互銜接。

（四）選擇材料，利于拓展延伸

科學實驗在某種程度上是生活現象的重現。對于教材中的疑難實驗，如果能選擇生活中常見的材料進行優化，就更容易讓學生了解其中的科學原理，并在課后對本節課的知識進行拓展延伸，開展可持續性的學習。

三、探索：小學中段科學實驗器材優化與創新的策略

基于上述現狀，以教科版《科學》三年級上冊為例，教師嘗試對部分疑難實驗器材進行創新和優化，并總結和梳理相關資料，提出能夠凸顯直觀效果、提高操作實效性的實施策略，幫助學生提升創新能力和實踐能力，促進學生科學核心素養的發展。

（一）創新直觀化材料，解決觀察難點

在教科版《科學》三年級上冊《水結冰了》一課中，教材要求學生用燒杯裝碎冰和鹽，開展使水結冰的實驗，同時用手持溫度計持續測量水溫，并用橡皮筋標記水位。然而，本實驗裝置存在著較大的缺陷：碎冰的準備過程費時費力，不能滿足班級多個小組的活動要求；碎冰加鹽所形成的環境溫度不夠低，導致結冰時間長，可觀察時間短；碎冰可視性差，學生無法觀察到水結冰的過程，使得實驗的直觀性效果大大降低。為此，教師對實驗材料進行了優化，即用冷凍后的飽和食鹽水制造低溫環境（如圖1）。常溫下，飽和食鹽水的凝固點約為-22 ℃。如果將其存放在冰箱冷凍室，能降低溫度，但不會凝固。此外，教師還將燒杯換成250mL的雙層玻璃杯，將珍珠棉作為杯蓋，減緩飽和食鹽水溫度升高的速度。在玻璃試管中加入水后，教師用橡皮筋標記水面的位置，讓學生觀察水結冰過程中體積的變化情況。試管和溫度計還能插入珍珠棉杯蓋的中央，達到固定的效果，使學生無須用手拿著溫度計，使操作更加方便。實驗中，雙層的玻璃杯在加入食鹽水后能起到放大效果的作用，學生容易觀察到試管和溫度計在水中的變化，極大提高了水結冰實驗現象的直觀性。

科學探究活動必須要有相應的實驗器材作為探究基礎。科學合理、易于操作的實驗材料是科學學習成功、有效的關鍵所在。對水結冰實驗裝置的創新和優化，實現了實驗器材的直觀化、實驗過程的簡易化、實驗現象的可視化，解決了實驗過程中的觀察難點。學生熱情高漲，在實驗中聚焦關鍵現象，極大地提升了學習效果，有效發展了科學核心素養。

（二）優化危險性材料，助力安全探究

在教科版《科學》三年級上冊《我們來做“熱氣球”》一課中，學生需要小組合作利用塑料袋、蠟燭、紙筒來模擬制作一個熱氣球，并通過觀察、感受、記錄、討論，明白熱氣球升空的秘密。教材中的實驗材料看似簡單，但在實際教學中卻存在許多安全隱患，如蠟燭容易翻倒、紙筒和塑料袋容易燃燒等。加上不同材料的塑料袋的受熱程度不同，塑料袋的尺寸不合適等問題影響小組合作，導致實驗的成功率下降，學生在實驗中的專注度不高。通過不斷的優化和測試，教師決定采用石膏粉固定蠟燭，將加厚的塑料PVC管切割成帶孔的圓筒，使用50cm×50cm規格的塑料袋（如圖2）。這樣，實驗的安全隱患得到了解決，學生便于操作。學生在實驗中的觀察點和討論點集中于塑料袋的變化，概念的建構更加高效，教學目標更快達成。

又如，在教科版《科學》三年級上冊《風的成因》一課的實驗活動中，學生小組合作利用蠟燭、紙盒、線香和小風輪觀察空氣的流動情況，從而建構溫度差使空氣流動的概念。教材提供的實驗材料（如圖3）存在較大的安全隱患：蠟燭在紙盒中燃燒產生的熱量在短時間內就能導致紙盒燃燒。

為了優化材料，教師將前一節課使用過的PVC圓筒作為本課實驗的關鍵材料（如圖4）。這樣就有了直觀的煙霧流動通道，學生能夠安全、直觀地觀察煙霧流動的過程。且學生可以在PVC圓筒上方放置小風輪，通過小風輪的轉動了解空氣流動形成風的原理。

教師應基于學生的實際操作水平，選擇安全的實驗器材，助力學生進行科學探究，提升科學課堂效率。教師也能在優化實驗材料的過程中對教學內容產生更多的思考，為學生的學習搭建有效的探索支架，促進學生思維的發展和概念的建構，落實對學生科學核心素養的培養。

（三）整合結構性材料，解決限制條件

教科版《科學》三年級上冊《觀測風》一課中的探索活動是讓學生借助小風旗和風向標來判斷不同位置的風速和風向，建構起小風旗飄動的方向與風向相反、風向標的指向與風向相同、小風旗能夠表示三種不同的風速等概念。但在實際教學中，經常會遇到上課時無風的情況，或者學生只能感受一個方向的風，導致科學概念的建構不完整、不透徹。很多學生在本課結束后依然無法掌握判斷風速和風向的方法。對此，教師嘗試優化實驗材料，利用方位紙、手持風扇、小風旗、風向標模型等（如圖5）解決實驗中遇到的問題。學生在小組活動時，可以將小風旗或風向標模型立于方位紙中央，并將手持風扇放在不同的方位模擬風吹來的不同方向。這樣能夠非常直觀地觀察到小風旗飄動的方向與風向相反、風向標的指向與風向相同等現象。且手持風扇可調節風速，學生能夠通過小風旗飄動的幅度感受不同的風速。

又如，在教科版《科學》三年級上冊《測量降水量》一課中，學生需要學習氣象學家測量、記錄和確定降水量的方法。為了激發學生學習測量降水量的興趣，讓學生理解雨量器的工作原理，教師指導學生親自制作一個簡易雨量器，用來測量、記錄降水量。由于條件限制，課堂中無法組織學生對真實的降水量進行測量。因此，教材要求學生利用噴壺模擬降水。但是由于噴壺噴出的水滴比較細小，無法滿足自制雨量器的蓄水需求，活動中有學生直接用噴壺對著雨量器口噴水，失去了模擬降水的意義，實驗活動變成了無效的“玩?！?，學習目標無法得到有效的落實?；诖耍處煂y量降水量的實驗材料進行了優化，將浴室花灑與塑料瓶相結合，制作新的實驗裝置（如圖6），用來模擬降水，使降水量的測試更具直觀性?；⒛軌蚋淖儑娝康拇笮。M不同的降水量，為學生后續對實驗現象的深入討論打下基礎。學生也能在實驗中獲得獨特的活動體驗，可謂一舉多得。

優化實驗器材，整合結構性材料，能夠對自然觀察類的科學探究實驗進行有效的補充。教師在實驗前期，應有效處理部分實驗活動與課堂時間和空間矛盾的問題，引導學生不斷探索，積極思考，提升科學探究能力。

（四）選擇生活化材料，促進遷移應用

在教科版《科學》三年級上冊《水沸騰了》一課中，學生需要觀察水的沸騰過程，記錄水沸騰的相關現象與證據，與已有的認知形成沖突，從而獲得深刻的體驗與認識。該實驗要在敞口的燒杯中進行，導致水在加熱過程中熱量散失較快，水溫很難達到沸騰所需的100℃。且實驗時間較長，大多數小組無法在規定的時間內完成操作。加上實驗材料的缺陷，導致學生的觀察興趣大大降低。許多教師只能自圓其說，讓學生牢記水沸騰的現象，違背了科學探索實事求是的精神。

因此，教師嘗試對本實驗中的材料進行優化，選擇生活中學生熟悉的迷你電陶爐來加熱燒杯，并利用變形夾固定溫度計（如圖7）。這樣，學生不僅能在短時間內觀察到水從常溫到沸騰的所有現象，感受水溫上升的過程，也能直觀認識水在100℃時沸騰，沸騰后繼續加熱溫度不會再上升的事實。學生在課后可以利用家中的燒水設備重復實驗，鞏固本節課的知識，并將知識遷移應用到生活中，提升自身的核心素養。

又如，教科版《科學》三年級上冊《空氣有質量嗎》一課中，學生圍繞空氣質量的問題進行探索，并利用簡易天平這一熟悉的測量工具證明空氣是有質量的。但是，由于空氣質量較小，加上天平的轉動受到摩擦力的干擾，學生很難觀察到打氣后皮球變重的現象，只能憑借想象猜測實驗結論，并過渡到對知識的機械性記憶。

對此，教師以生活中量程小、精度高的精準電子秤作為測量工具（如圖8）。學生通過直觀的數據，比較小球在打氣前后的質量差異，認識到空氣也有質量這一事實。在《一袋空氣的質量是多少》一課中，學生再次將生活中較輕的物品與空氣進行比較。教師可以在課后作業中引導學生運用精準電子秤，尋找身邊較輕的物體與空氣進行對比，對知識和方法進行遷移應用。電子秤的使用方法簡單明了，極大地簡化了實驗操作的難度，讓學生專注地思考核心問題。由此，科學核心概念的建構也會更加完善、徹底。

科學概念的有效建構需要建立在實驗探究活動的基礎上。對現有實驗器材進行優化和創新，不僅可以提升實驗教學的有效性，彌補原本實驗器材的不足，還能促進學生深入理解、遷移和應用科學知識，進一步培養學生的科學觀察能力、實踐動手能力和思維創新能力，有效落實科學核心素養的培養?？茖W教師要善于發現，樂于思考，勤于總結，在教學中時刻留心科學實驗器材的使用情況，提升實驗器材的使用質量，助力學生進行真實有效的探究式學習。

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）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［2］喻伯軍.小學科學教學關鍵問題指導［M］.北京：高等教育出版社，2020.

［3］楊崴.小學科學實驗教學改進策略［J］.新課程，2021（32）：212.

［4］黃月鳳.實驗器材優化對于提高小學科學實驗教學有效性的作用研究［J］.教育界，2022（8）：98-100.

［5］張懿，陳莉.素養導向下小學科學實驗教學改進策略［J］.實驗教學與儀器，2023，40（1）：88-90，99.

（浙江省瑞安市君子石小學）