創新實驗裝備 優化實驗設計

〔摘" "要〕" 《義務教育科學課程標準（2022年版）》指出，探究實踐活動是培養小學生科學思維能力、探究實踐能力和提升小學生科學核心素養的主要路徑。科學教師要充分利用科學實驗室進行教學，讓實驗室成為學生學習科學的主要場所。所以，加強實驗裝備的優化與創新，讓學生經歷有效探究和實踐過程，對提升小學生科學核心素養尤為重要。本文從創新實驗裝備、優化實驗設計方面進行探索，力求設計能夠促進學生深度學習的思維型探究和實踐活動，實現提升小學生科學核心素養的目標。

〔關鍵詞〕" 小學科學；實驗裝備；優化；創新；核心素養

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " "〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）" 07" " 097-099

《義務教育科學課程標準（2022年版）》提出，科學課程的總目標旨在培養學生的核心素養，為學生的終身發展奠定基礎。其主要包括讓學生掌握基本的科學知識，形成初步的科學觀念；掌握基本的思維方法，具有初步的科學思維能力；掌握基本的科學方法，具有初步的探究實踐能力；樹立基本的科學態度，具有正確的價值觀和社會責任感。

探究實踐活動是培養科學核心素養的重要途徑，主要包括觀察、測量、觀測、實驗探究、模擬實驗、制作、體驗等活動。其中，實驗探究、模擬實驗又是培養小學生科學思維能力、探究實踐能力和提升小學生科學核心素養的主要路徑。新課標指出，科學教師要充分利用科學實驗室進行教學，讓實驗室成為學生學習科學的主要場所，保證學生完成全部的必做實驗。

因此，加強對探究實踐活動的研究與指導，讓學生經歷有效探究和實踐過程，對提升小學生科學核心素養尤為重要。本文根據新課標的要求，從創新實驗裝備、優化實驗方案方面進行探索，力求設計能夠促進學生深度學習的思維型探究和實踐活動，實現提升小學生科學核心素養的目標。

一、創新實驗裝備，讓學生經歷有效探究

隨著新課標新教材的更新，許多學校實驗器材存在老舊缺失的問題，已無法滿足新課標的要求。“工欲善其事，必先利其器。”新課標要求教師根據教學需要，本著科學合理、安全可靠的要求開發實驗教具。應充分利用日常用品和材料，開發創新科學實驗，讓實驗更貼近生活，讓課堂更有趣，使學生有更多動手實驗的機會。所以，我們以創新實驗裝備為抓手，充分發揮實驗探究活動培養學生科學思維能力的作用，實現提升小學科學核心素養的目的。

（一）優化實驗材料，使實驗現象更典型

我們在學生實驗操作過程中用心發現問題，不斷優化實驗材料，力求讓實驗現象更典型。如在青島版科學五年級上冊《熱對流》一課中，我們發現使用木屑不能很好地展示熱在水中對流的路線，用高錳酸鉀顆粒代替木屑，則可以更形象地顯示熱在水中的傳遞過程。但在實際操作中，我們發現投放高錳酸鉀顆粒的多少、放在水中的位置也會影響實驗效果。經過多次實驗，探究出最適宜的顆粒數量，并發現用吸管作為通道將高錳酸鉀顆粒直接送到水底中央，再輕輕拿出吸管，實驗效果最好。我們在實驗教學中運用這一方法，形象地展示了熱對流的過程，實驗現象更明顯，實驗證據更確鑿，幫助學生清晰地了解了熱對流的科學原理，也激發了學生的探究科學興趣。

我們嘗試設置專用實驗裝置，使實驗操作更規范。青島版科學三年級下冊《影子》一課中，需要實驗探究影子形成的條件。教材中的實驗選用白紙、手電筒和阻擋物探究影子形成的條件，學生在撤去白紙后，無法將白紙和屏相聯系，誤以為影子的形成與“屏”無關；探究影子變化的條件時，每次改變的光源距離與角度的值都不確定，導致影子的變化無規律，學生難以得出結論。

我們根據以上問題對實驗裝置進行了優化設計：設計固定軌道和可移動的光源，精準控制三個條件“光源、阻擋物和屏”的有無。當撤去一個條件時，影子無法形成，這種單一變量的探究，有效培養了學生控制單一變量的科學思維。同時，在探究影子的變化與光源的距離和角度有關的實驗中，學生在方格紙上記錄不同條件下影子的大小：當光源角度一定時，改變光源與阻擋物之間的距離，影子的形狀和大小就會發生變化；當光源與阻擋物之間的距離一定時，改變光源角度，影子的形狀和大小也會發生變化。從而得出結論：影子形成的條件是光源、屏、阻擋物。

本實驗裝置的優點在于，既能探究影子形成的條件，培養學生控制單一變量的探究思維，符合三年級學生的探究特點；同時，本實驗裝置也能探究光源的位置與影子之間的關系，一舉多得。本實驗裝置獲第37屆山東省青少年科技創新大賽輔導員組科技創新成果一等獎。

（二）創新實驗裝備，使實驗證據更確鑿

我們發現，在一些科學實驗中有時會出現實驗結論抽象、學生難以理解的問題。于是仔細研究原因，積極改進創新實驗裝置，將數字化實驗裝置引入科學實驗中，力求實驗證據更確鑿。

如青島版科學《水蒸發》一課需要實驗證明“水蒸發時會使周圍溫度降低”這一科學原理。課文中呈現的實驗方案是：用紗布包住水溫計的玻璃泡，觀測溫度；將水溫計放入水（室溫）中，浸濕紗布，靜置一段時間，待液柱靜止不動后記錄溫度；將水溫計從水中取出，在一段時間內觀察液柱的變化，做好記錄。

然而在實際實驗教學中，我們發現此實驗存在三大弊端。

1.原實驗只用一支溫度計測三個場景下（空氣、水中、水蒸發）的溫度，溫度計示數隨實驗場景不同一直處于動態變化中。對小學生而言，這不利于其對數據進行對比、分析。

2.原實驗使用普通水溫計，難以精確測量溫度的細微變化，本實驗進行于初冬時節，此時室內溫度低，蒸發速度慢，溫度計示數變化很小，如果紗布包裹太厚，含水量太多，短時間內甚至看不到溫度計示數的變化，導致學生難以準確收集實驗數據。

3.原實驗不能直觀呈現水從多到少、從有到無的蒸發過程。在有限的實驗時間內，學生從始至終看不到棉紗中的水從多到少、從有到無的蒸發過程，所以難以將“水蒸發”現象與“周圍的溫度降低”這一結果直接聯系起來。

針對這些問題，我們創新了實驗裝備與方法：在木架上固定3支試管，將3支數顯溫度計插入試管內。實驗方法：一是打開數顯溫度計，等待數字穩定后，觀測實驗開始前的初始溫度；二是將1號試管繼續置于空氣中，將2號試管置于室溫水中，將3號試管外部噴灑室溫水霧，使其處于蒸發中；實驗時間6分鐘，每隔1分鐘記錄1次溫度計數據；最后分析實驗數據，得出實驗結論。

這個實驗的創新之處在于：可以全程直觀呈現被測物體試管在空氣、室溫水、水蒸發三種場景中的溫度變化，對比更鮮明；用數顯溫度計代替常規水溫計，能精準呈現數據細微動態變化，便于學生觀測并記錄數據；讓蒸發“看得見”，在試管外部噴灑水霧，學生能清楚地看到水從多到少、從有到無的蒸發現象，可視化的蒸發過程同時伴隨溫度計示數的不斷下降，學生能很容易得出并理解“蒸發會使周圍的溫度降低”的實驗結論。

這一實驗改進裝置獲第38屆全國青少年科技創新大賽（山東賽區）輔導員科技創新成果二等獎。

（三）巧用新材料，使實驗效果更明顯

隨著新材料的不斷普及，我們也積極嘗試將新材料運用到實驗裝備中，收到了良好的效果。在小學科學五年級上冊《熱傳導》一課中，常規使用的實驗裝置是一根鐵棒，上面用火柴蘸取凡士林依次粘好，再加熱鐵棒一端，火柴棒會依次掉落，從而證明熱可以沿著固體從溫度高的地方傳遞到溫度低的地方。在實際操作中，學生因為年齡小，蘸取凡士林的量有多有少，無法準確控制，實驗中極易出現火柴不按順序掉落的現象，從而容易得出與科學原理相悖的結論；同時，原實驗裝置存在熱傳導方向過于單一的缺點。

我們根據以上問題，對此實驗進行了創新設計。

1.將三根金屬棒與圓形鐵片組合在一起，將單一的傳導方向變為多元，既有直線方向，也有360°方向。

2.選擇新材料溫變油墨涂抹在材料表面，將熱的不可見性轉化成可見性。精心挑選淺粉色溫變油墨，當它被加熱到60℃以上時，就會變成深桃紅色，實驗中現象非常明顯，實驗操作對于小學生充滿神奇與趣味性。當加熱三根金屬棒的一端時，可以看到金屬棒從這一端向另一端逐漸變色，圓盤被加熱的一端也變紅，并慢慢向四周擴展。當用酒精燈加熱圓盤的中心時，可以看到淺粉色的鐵片從中心向四周慢慢變成深桃紅色，熱在金屬棒與金屬圓片中的傳遞清晰可見。

3.實驗中，酒精燈火焰容易受空氣流動的影響，導致火焰晃動，影響均勻加熱，本實驗增加防風罩，解決此問題。

本實驗裝置發揮了組合的優勢，改進方法簡單，易激發學生的興趣，實驗操作更節省時間，實驗現象非常明顯。此實驗裝置中的三根金屬棒分別是銅、鐵、鋁，仔細觀察，它們表面溫變油墨加熱后變色的速度也是不一樣的，所以此實驗裝置還可以用于證明不同材質的金屬傳熱能力不同。本實驗裝置獲第36屆山東省青少年科技創新大賽輔導員組創新成果一等獎。

二、優化實驗設計，促進學生進行思維型探究

我們以青島版（六三制）科學教科書為例，加強課例研究與打磨，在優化與創新實驗器材的基礎上，不斷優化與創新實驗教學設計，促進學生深度學習的思維型探究，有效提升學生科學素養。

在青島版科學三年級上冊《土壤的種類》一課“探究黏質土、壤土、沙質土的滲水性”實驗中，教材上選用礦泉水瓶改裝成漏斗式裝置，選用黏質土、壤土、沙質土進行實驗。實驗時使用紗布包裹，水倒入黏質土、壤土土壤后長時間不吸收不下滲，導致黏質土和壤土的實驗結果相近，區分度不高，甚至出現相反的結果。我們自制滲水性實驗裝置，將紗布換成過濾紙，縮短滲水實驗時間，提高了實驗效率；同時在量杯上標注刻度，有助于學生更好地觀察到不同土壤的滲水能力是不同的。我們利用身邊的材料加以整合，解決了教學中的重難點，提高了學生的探究樂趣。

在教學青島版科學三年級下冊《鞋底花紋的啟示》一課開展“影響摩擦力的因素”模擬實驗時，原實驗是這樣的：實驗一，分別在木板上和毛巾面用測力計拉木塊；實驗二，在木板上用測力計拉加了兩個鉤碼的木塊。而在學生實際操作過程中，毛巾面非常容易褶皺，造成木塊卡頓，影響實驗數據的精確測量；測力計測數據時出現小數，三年級學生還沒有學習小數的數學知識，不具備讀兩位小數的能力。我們根據以上問題優化實驗方案：用砂紙代替毛巾，實驗時操作更流暢；創新使用測力計，采用數格子的方法記錄實驗數據，簡單易操作，收到良好的效果。

在教學青島版科學五年級上冊《地震》一課開展“模擬地震的成因”實驗時，原實驗方案是通過擠壓毛巾，模擬地殼發生褶皺；通過折斷筷子，模擬地震發生產生震動與發出聲音。該實驗方法過于簡單，不能形象、全面地模擬地殼的運動方式及地震發生時的情境。我們在此基礎上設計了三組結構化模擬實驗：實驗一，擠壓或拉伸陶泥塊，模擬地球內部高溫高壓產生的力量使地殼褶皺、錯位；實驗二，折斷竹筷發出聲響，產生震動感，模擬地震時有巨響及震動產生；實驗三，彈動吹塑板底部的皮筋，模擬地殼震動，觀察吹塑板上面的積木倒塌，模擬地震造成樓房倒塌的嚴重后果。這樣的設計利用身邊常見材料，層層推進，將抽象的地殼運動、無法復制的地震自然現象轉化為可見的具象，深入淺出，得出結論水到渠成。

三、結語

總之，實驗教學是培養小學生分析與綜合、比較與分類、抽象與概括、歸納與演繹等基本思維方法的重要途徑。科學教師應不斷開發創新實驗教學具，加強實驗教學的探索，讓學生在有效探究中，學會合理分析與綜合判斷各種信息、事實和證據，具備運用證據與推理對研究的問題進行描述、解釋和預測的初步科學思維能力；具有對自然現象的好奇心和探究熱情，能基于證據和邏輯得出結論，實現提升小學生科學核心素養的培養目標，實現小學科學的育人功能。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.關于加強和改進中小學實驗教學的意見[S].北京：教基〔2019〕16號，2019：11.