激光雕刻技术在小学科学分组实验的应用案例探究

卢宝生

【摘要】在小学科学教学实践中，我们发现有些实验的设计和实验材料的选用不合理、不科学。针对小学科学分组实验存在的问题，我们运用激光雕刻技术对已有的实验做出有益的改进，并不断创新和开发科学实验，从而提升科学实验教学的实效。通过设计简易、便于操作、有趣的、符合孩子们年龄特点的教学具来诠释不同的科学原理，把复杂的问题简单化，让学生体验实验的乐趣，使学生的科学素养得到培养和提升。

【关键词】小学科学；激光雕刻；分组实验

一、问题的提出

瑞士著名发展心理学家皮亚杰曾说：“儿童就是科学家。”每个孩子天生具有强烈的好奇心和探究欲。我们要创设条件去保护学生的好奇心和求知欲，激发学生学习科学的兴趣，引导学生主动探究。然而，在实际教学实践中，我们发现分组实验的实施效果不理想，学生的科学探究兴趣不高，笔者总结了以下几点原因。

1.小学科学教学没有与教材完全配套科学实验器材。大部分小学科学教师为了上好一节实验课，需要到处寻找实验器材，耗时耗力，并且有些教具数量有限，只能演示，而且小学大部分没有配备实验员，教师课时量又多，没有时间、也没有精力去准备足够多的实验器材，导致学生参与度不高。

小学科学新课程标准指出，科学教学要面向全体学生，要考虑到每个学生是否都能够参与到课堂中来，否则，不仅学生兴趣不高，教学效果也会大打折扣。比如，在《结构的稳定性》一课中，多数教师通过演示矿泉水瓶正放和倒放的实验来说明支撑面大小与结构稳定性的关系，但是学生无法确切地感受到结构稳定性的强弱，而且只是看教师演示，学生参与度不高，容易失去兴趣。

2.有的科学实验没有现成的实验器材，需要动手制作，导致课堂的大部分时间都花在了实验材料的准备上，课堂效率低下。如，制作一个水车，首先需要制作一个齿轮；制作一个风向标，首先需要一个箭头形状的纸板；制作一个简易雨量器，需要剪开一个塑料瓶等等，在这些实验中，实验材料的准备前期就会耗费掉课堂的大部分时间，以至于课堂难以正常开展。

3.在现有教材中，有些实验装置不够严密，造成实验误差大；有些实验装置操作繁琐，导致实验时效长；有些实验装置操作困难，结果学生无从下手等。比如，在《摆的研究》这一课中，学生在对影响摆的快慢因素进行猜测时，很多学生会猜测摆幅大小会影响摆的快慢，但是教材并未對摆幅大小进行探究，在实验过程中也没有做到唯一变量，实验装置不够严谨，并且教材中的实验装置支架高度不够，摆绳太短，容易产生圆锥摆，不利于实验的顺利进行。

4.有些实验器材不可重复利用，制作成本高。实验器材是开展小学科学分组实验基本条件，陈峥嵘在《小学科学实验室教学与实验室管理》一书中也指出“必须为学生提供适当而充足的资源，包括优秀教师、时间、材料和设备，适当而安全的场所和社区。”但一些实验器材不可重复利用，且制作成本高。比如，粤教版六年级科学下册第三单元《风的能量》一课中，学生用瓦楞纸来制作风车，学生在制作风车时大都将瓦楞纸粘在一起了，难以回收重复利用。

5.小学儿童的思维正处于从具体形象思维向抽象逻辑思维的过渡中，但仍以具体形象思维为主，教材中部分实验较抽象，不能形象生动地呈现给学生，学生难以理解。

科学课程标准指出：“在小学科学教学中，学生是学习的主体，要基于学生的认知水平。”比如，在粤教版六年级上册《食物的消化》一课中，教师提出问题：“吃下去的小馒头都到身体哪些地方旅游了呢？”要求学生根据自己对消化器官的已有认识，通过画、贴等方式进一步了解人体消化器官的特征与作用，从而认识消化器官。但由于消化器官是在人体内的，我们不可能拿出来看，而图片又不能很真实、很直观地展现这些器官的特征。

6.科学教材中有一些探究活动只是让学生去搜索资料，平时观察，学生会难以理解。小学科学课程倡导探究式学习，探究式学习是学习科学的重要方式，许多课堂的探究活动难以开展，需要教师对学生的分组实验器材进行开发和应用。比如，粤教版六年级科学下册《风的能量》，本课的探究活动只是让学生用去制作风能小吊车去说明风具有能量，对于能量的转换方面的知识点，更多的是查阅资料自行了解，很少部分学生会自行去了解，并且即使了解了，也较难理解这方面的科学知识。

二、如何解决问题

小学科学注重探究学习，在课堂中需要用到各种实验器材，由于实验器材的种种限制，许多课堂的实验探究难以开展，在小学科学的分组实验中更是如此。我们发现，运用激光雕刻技术可以解决以上大部分提出的问题。利用激光雕刻技术切割木板或者亚克力板，我们只需要在电脑上画设计图便可得到各种可拼接可拆卸的有结构材料，这样不仅可以高效率批量生产，而且制作成本较低。

通过深化学习小学科学新课标，结合现有的3-6年级小学《科学》教材，设计课堂实验及探究活动方案，以激光雕刻模型为实验器材，结合电子元件，通过课堂教学实践，不断改进模型设计。我们利用了激光雕刻技术，从不同方面解决了各种不同的问题。

1.学生参与科学实验

利用激光雕刻高效率地批量生产分组实验器材，让学生真正地参与到科学实验中。通过画设计图，我们可以得到各种形状各种尺寸的图形，特别是在一些需要设计制作作品的实验中，如果没有激光雕刻机，学生通过手工完成实验项目的制作，即使是裁剪或制作一些简单图形，也需要花上很长的工作时间。如果需要同时制作多个相同元件或复杂零部件，这个步骤会变得十分枯燥，而且很容易做出不合格产品。而激光雕刻机只需要几分钟就可以完成手工几个小时的工作，效率提升数十倍，并且很多时候质量比手工做的要好得多。它不仅可以帮助教师减少准备实验的时间，更重要的是，它可以帮助学生节省更多时间思考设计本身的问题，提高课堂效率。

案例：在粤教版四年级下册第三单元《运动与力》中，里面有几课涉及到制作小车，分别有橡皮筋小车、风帆小车、气球小车等，如果只是用瓦楞纸制作一部小车，学生在设计小车之前还需要准备制作小车的材料，比如裁剪合适的形状、测量合适的尺寸，用胶水粘贴纸板等繁琐的工作，这会浪费很多时间。

改进方法：我们运用激光雕刻技术，在电脑上画出了小车的设计图，通过切割，得到尺寸固定、形状合适的木板，教师在分组实验时把切割好的材料发给学生，学生可以立刻设计制作小车，并且是通过拼接的方式进行组合，不需要胶水，还可以拆卸。

2.提高课堂效率

利用激光雕刻技术，改进科学教材中原有的实验，使学生更容易理解相应的科学原理知识，从而提高课堂效率。

①实验材料的改进

俗话说得好：“工欲善其事，必先利其器。”实验教学要取得最佳效果，我们就要积极对实验器材进行教学前的尝试使用，发现其中的不足，并及时加以改进，从而让实验开展得更好。另外，运用激光雕刻技术制作的实验材料可以重复利用，减少浪费，激光雕刻可以切割木板、塑料、亚克力等，而我们传统课堂上大多数用到的材料是纸张或瓦楞纸，所能用到的材料非常有限，且不具重复利用性，容易造成浪费。

案例：在粤教版六年级上册《食物的消化》一课中，教师提出问题：“吃下去的小馒头都到身体哪些地方旅游了呢？”要求学生根据自己对消化器官的已有认识，通过画、贴等方式进一步了解人体消化器官的特征与作用，从而认识消化器官。但由于消化器官是在人体内的，我们不可能拿出来看，而图片又不能很真实、很直观地展现这些器官的特征。

改进方法：我们在电脑上画出人体的消化器官，并用激光雕刻机切割出来，再把上色后的图纸贴上去，就可以做出一套相似度极高的人体消化系统了，在课堂上，分组实验让小组成员对消化器官进行拼接，并指出食物消化的路程。学生通过拼接器官，对消化系统的组成会有较深刻的印象，并且可以直接在拼图上指出食物消化的过程，增强学生的兴趣，有利于学生对消化过程的理解。在学具用完后还可以回收并在下一个班继续使用，既节省了时间，又提高了课堂效率。

②实验设计的改进与创新

实验设计往往是教学中的难点，无论是教师精心进行的实验设计，还是小组合作进行的实验设计，无不体现智慧的力量。

案例：新粤教版教材中六年级下册第三单元《能量及其转换》第5课《风的能量》一课中，只是通过风能吊车将物体提起以说明风具有能量，而没有说明风的能量可以转换。

改进方法：通过激光雕刻技术，用木板，扇叶，电机，LED灯等制作迷你风能发电机，当风吹过时，能带动扇叶转动，可说明風具有能量，扇叶转动带动电机转动，产生电能，可说明风能转换成电能。

3.开发并设计适用于科学教材的实验器材

结合科学教材，利用激光雕刻开发设计可以应用到科学课堂实验中的器材或模型。

小学科学课程的学习方式多种多样，探究式学习是学生学习科学的重要方式，科学教材中实验探究活动占了大半部分，但是对于一些比较抽象的科学知识，科学教材还是以查阅资料，平时观察为主，针对这一问题，我们利用激光雕刻技术，开发并设计了适用于科学教材的实验器材，把这些实验器材或模型运用到科学课堂上，有利于学生更容易理解抽象的科学知识。

案例1：粤教版科学三年级上册第4单元《天气和我们》第3课《风的观测》一课中，教材只是通过展示风向旗、炊烟、红旗这三幅图来暗示学生可以通过观测外界事物来知道风的方向，然后告诉学生“风吹来的方向就是风向”，只是教师一昧地讲解，学生没有亲自体验，很难形成“风吹来的方向就是风向”的科学概念。

改进方法：利用激光雕刻技术和亚克力等材料，切好用于制作风向标的的材料。应用于课堂，让每个小组都可以进行实验去测量风向。用风扇或风筒模拟自然风测试学生制作好的风向标，将风扇或风筒放置在不同方位，风向标箭头指向不同方向，学生可以知道风向标箭头指向的方向就是风吹来的方向。

案例2：苏教版四年级科学上册《小小纸飞机》一课中，学生探究飞机飞行的距离与什么因素有关，要控制无关变量，如要控制抛出纸飞机的力度一样。

改进方法：利用激光雕刻技术，制作飞机发射器，保证每架纸飞机飞出去的初始速度都一样。

三、问题解决的成效分析

通过激光雕刻技术，我们改进并开发出了适合应用于小学科学分组实验的实验器材与模型，并在实际课堂中加以运用，课堂结束后，结合学生在课堂上的表现，分析运用激光雕刻技术后，学生对知识点、技能以及在科学态度情感价值观是否取得明显成效。总体取得的成效可以从教师、学生、环境三个方面进行叙述。

1.对教师

①节省时间，节省精力，提高课堂效率

节省了教师课前准备材料的时间。利用激光雕刻技术进行制造，不需要花费太多时间和精力在找材料上。如在《运动和力》单元制作小车时，我们运用激光雕刻技术，在电脑上画出小车的设计图，通过激光雕刻，得到尺寸、形状合适的拼接小车的木板，教师在分组实验时把切割好的木板发给学生即可。教师不用再在课前到处寻找用于制作小车的瓦楞纸或其他材料，节省了教师的精力，使教师有更多时间和空间去思考如何设计完善一节课程。这样不仅节省了教师课前准备的时间，更节省了课堂的时间。粤教版教材有四个单元，每个单元7、8课，课程多，任务重，学生科学课时少，大多学校一星期只有一节科学课，所以课堂要高效。在《运动和力》单元中要制作小车探究力与运动的关系，教学重点是探究力与运动的关系。如果用瓦楞纸或没有切割好的木板等原材料给学生进行制作的话，则仅仅是制作小车就需要一节课的时间，根本没有时间再进行探究。笔者在实践中总结发现，教师在分组实验时把切割好的木板发给学生，学生可在5分钟之类就制作好一辆小车，课堂上的探究时间就多得多了，课堂明显更高效。

②彰显教师个性化教学

近几年来，教育部开始实行人才发展战略计划，加大了对基础教育和高等教育的投资力度，重视教育的改革与创新，着重发展个性化教育。这就需要教师运用个性化教学方法，丰富教学过程。如笔者在讲述风向标时，发现学生对风向标如何观测风向这一知识点不理解，笔者经过思考，利用激光雕刻技术切割了用于制作风向标的材料，让学生去动手制作，对风向标的结构有一个更全面的理解与认识，形成箭头的指向即风向的科学概念。

学生是学习与发展的主体，教师是学习过程的组织者、引导者和促进者。在开放的科学课中，教师要想让学生依据自身兴趣进行自主性学习，必须为学生准备大量的学习用具，以供学生在开展不同的实验科目时有所选择。学生通过自主性的选择实验材料进行实验探究真正地掌握科学知识原理，认识到现象背后的规律，掌握正确的实验原理和实验方法。教师还依据学生的兴趣提高学生的科学认识，让学生通过自身选择不同的实验道具，进行不同的小组探究实验。如在制作风力小电灯时，学生根据自己的设计选择不同数量，不同大小的叶片，不同的电机去进行制作，让学生去探究影响风能发电的因素。

③教师间、学校间互相推广教学具，做到资源共享

我们在教学实践中发现，目前的科学教材存在一些实验的设计和实验材料的选用不合理、不科学。于是需要教师用好教材，进行实验研究和改进，从而促进科学学科的建设。教师利用激光雕刻技术制作的教学具在教师间、学校间互相推广，为学生提供了手脑并用、解决问题的机会，为学生的探究活动提供了物质条件，如利用激光雕刻技术为学生提供制作风力发电机的学具。

此外，教师依据激光雕刻技术改进和开发的课程案例放在互联网上（如公众号）进行推广，作为教师教学研究的课程资源，教师在教学过程中合理使用课程资源，很大程度上提高了学生学习科学的兴趣和质量，也提高了教学活动的水平。不仅开发促进小学生学习科学的网络资源，还促进教师开展网络研修活动，提高教师的专业水平。

2.对学生

①学生更容易理解科学知识

激光雕刻可以通过在电脑上画图，设计各种类型各种形状的图形，切割出来的图形比较形象，并且可以通过拼接和粘贴制造出各种相似度较高的实验器材或者模型，从而可以把抽象的科学知识通过实验或者相关模型形象化，学生会更加容易理解科学原理，对所学的科学知识留有更深的印象。例如，在《消化系统》这一课中，原来学生只是通过画、贴等方式了解消化器官，学生自己对照着书本的图画观察器官，学生难以集中注意力认真观察，当换成用激光雕刻的木板来拼消化系统的时候，在拼接的过程中，学生对消化器官会逐渐熟悉，包括器官的名字、形状，在消化系统中的位置以及食物在消化过程中所走的路径。

②节省课堂时间，留有更多时间思考实验本身的设计和原理

科学教材中有很多的探究活动，有些探究活动的实验准备时间较短，但是也有部分实验需要较长的准备时间，特别是类似设计制作小车的实验项目。很多实验中，学生需要提前先裁剪好各种形状的图形。各种长度的木棍，又或者是把它们黏贴起来等等繁琐的工作，在這一系列工作完成后才开始真正进入动手设计的环节，这时候已经浪费了大量时间，设计的环节就会很赶，学生没有时间充分思考，而思考设计才是课堂的重点。运用激光雕刻提前切割好实验需要的材料后，学生只需要专注于思考设计即可，设计好后可直接运用已有的材料进行拼接或者粘贴，也可针对自己的想法对已有材料进行小小的改造，在设计制作以后留出了更多的时间进行检验与改进，在这个过程中加强了学生对科学原理的理解，课堂更加充实了。

③全体学生可以参与到课堂中，提高学生课堂参与度

在小学科学课堂中，有的探究活动因为实验器材较难制作、制作时间较长或者制作成本高，老师只能在课堂上进行演示实验或者多位同学一起做实验，不管是教师的演示实验亦或是多人实验，总不能够照顾到每一位学生，总会有部分学生看不见或看不清，这时学生就会失去兴趣，开始找别的事情干，对科学知识原理更是难以理解。用激光雕刻技术可以批量生产各种实验器材，这时可以满足课堂上分组实验的器材数量要求，四人小组或者三人小组做实验，确保了每一位学生都可以参与到课堂实验中，提高了学生的课堂参与度，学生可以自己动手做实验，对科学课堂的兴趣提高了，不仅上课更加认真，也更加积极。

④学生学习科学的热情高涨，动手能力增强

当实验器材不够，学生无法参与到课堂实验中；当实验器材过于复杂抽象或简陋，学生难以理解实验的科学原理知识；当实验因为实验器材步骤变得繁琐，学生会因此失去耐心，注意力分散。这些种种的原因都会让学生对课堂、对实验甚至是对科学失去兴趣，但把结合教材后激光雕刻出来的实验器材运用到课堂实验中，每位学生不仅能够参与到实验中，而且对实验、对学习科学的兴趣增强了很多。更重要的是，学生在做实验的过程中不需要考虑太多繁琐的步骤，可以专注于实验本身的设计，在设计和改进的过程中增强了他们的动手能力。

⑤在分组实验过程中培养学生分工合作意识

分组实验除了可以让学生全体参与到课堂中，帮助学生理解科学知识外，还有一个非常重要的好处就是培养学生的合作分工意识，在没有运用激光雕刻时，上课时有些实验只能通过教师演示，学生与学生之间是没有任何互动的，运用激光雕刻技术后，有足够的实验器材进行分组实验，每个小组内的成员交流讨论，分工合作，进行思想上的碰撞，当每个人的意见不同时，学生之间通过讨论决定最终的想法，当只有一套器材时，小组内的人会通过互相交流安排好分工，在这个过程中，逐渐增强了学生的合作分工意识，并且这种合作分工意识会普及至学生课堂外以及生活中。

3.对环境

可重复利用，节约材料，培养学生的环境保护意识和社会责任感。新课程标准将原本的科学、技术、社会目标更改为科学、技术、社会、环境目标，增加了环境目标，可见，国家发展越来越注重环境。在以往的课堂实验中，教师大多数用的实验材料都是塑料，纸张等一次性的材料，这种材料不可以重复利用，每上一个班都要重新准备新的材料，这样及浪费时间也浪费材料，不利于保护环境。运用激光雕刻技术制作实验材料，可以选择木板、亚克力板甚至是金属，这些材料都是可以重复利用的，教师只需要准备一次即可，既提高了课堂效率又做到了保护环境，还可以间接培养学生的环境保护意识。

综上所述，小学科学是以探究为主的学科，科学探究是获取科学知识的主要途径，精心设计探究实验，让学生通过实验操作，对实验现象进行分析与整理、得出结论，并进行运用和拓展，从而获取知识和技能，提升学生的科学素养。因此，可操作的、成功的实验才是科学课堂教学的基石。激光雕刻技术在多方面很好的辅助了学生的课堂分组实验，进一步提升了科学课堂的教学效率，通过设计简易、便于操作、有趣的、符合孩子们年龄特点的教学具来诠释不同的科学原理，把复杂的问题简单化，让学生体验实验的乐趣，使学生的科学素养得到培养和提升。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准[S].2017.

[2]王仕艳.基于人工智能的个性化教学的研究[J].科教文汇（中旬刊），2018（08）：35-36.