科学课堂的实验教具创新

安徽省合肥市琥珀小学 郝俊杰

《义务教育小学科学课程标准》要求小学科学课程要面向全体学生，无论学生之间存在怎样的地区、民族、经济和文化背景的差异，或者性别、个性等个体条件的不同，小学科学课程都要为全体学生提供适合的、公平的学习和发展机会。基于此，小学科学课本无论是从内容还是科学实验的设置上都兼顾到了全体学生，让每一个学生都能感受到科学学习的乐趣。但是，教育教学的内容不仅要兼顾到全面性，还应该根据不同地区的差异性，做到在原有的基础上不停改进和不断创新，这也是科学教育的重要内涵。在新的课程理念下，小学科学的学习不再仅仅局限于书本知识的学习，而且传统的“灌输式”教学也逐渐开始被“做科学，玩科学”的探索式教学所取代。其中，科学课堂实验教具的使用和创新，对于学生的创新能力培养起到十分重要的促进作用。

一、课本实验器材的简易性

小学科学五年级上册“阳光下物体的影子”一课中，在课本中展示出的实验材料，为了照顾全国不同地区的教育现状的差异，只利用一些简易材料设置了能基本完成现象观察的实验。比如利用铅笔或筷子、表面光滑的木板和同面积的白纸、尺子、卷尺、橡皮泥等物品来完成阳光下物体影子的实验观察。具体操作就是将铅笔模拟的物体用橡皮泥固定在贴了白纸的木板上，然后将器材放置在阳光下进行观察并记录。实验虽然操作简单，却能满足大多数地区学生的科学课堂观察。但是，实验也存在一些局限性。第一点就是天气条件的限制。课本中的实验想要取得较好的实验效果，就必须要求上课当天的天气状况非常好，光照充足，否则就无法完成实验观察。但是天气情况的变化并不在人为能力的掌控之中，如果天气状况不符合要求，这一课可能就无法正常开展，导致后面课程的延误。第二点是即使选用手电筒来模拟太阳运行，但是靠学生手持手电筒来模拟太阳运行轨迹，可能出现不规范现象（无法保证太阳高度一致），从而带来实验现象的偏差。第三点是实验器材中没有方向的标注，学生在观察和测量时要花更多的时间来观测和辨别影子的长度和方向，使得课堂实验的时间显得紧张。所以对于教学条件相对好点的地区，就可以不仅仅局限于教材上的实验材料，而是结合实际情况，在原有的基础上思考怎样可以改进实验，以期达到更好的实验效果。基于此，在科学课堂的教学过程中，笔者和学生一起不断思索，对“阳光下物体的影子”一课中的教学实验进行了一些创新性改造。希望通过课堂教具的创新改进，可以使学生更好地观察到实验现象，促使学生创新思维能力的发展和动手操作能力的提高。

二、创新教具的具体情况

（一）创新教具的制作材料

需要面积大约600mm×600mm的方形椴木板1块（用以雕刻一组等差半径的同心圆）、小型手电筒1个（用以模拟太阳的光线）、半径约90mm的圆1个（雕刻成量角器的刻度，取1/4块，作为量取太阳高度角的侧面支撑）、椴木支架1个（半圆弧状，雕刻着手电筒移动卡槽）、铰链2个（固定半圆形椴木支架）、蝶形螺丝2个（固定2个支架）、亚克力固定架1个（固定小手电）、胶枪和胶棒等。

（二）制作方法

利用AI（Adobe illustrator）设计软件设计好教具的模型图，导入到激光雕刻机的自有应用程序中，用激光雕刻机直接进行实物雕刻，能够快速制作创新教具。

（三）安装和使用

1.安装方法

（1）将雕刻有等差同心圆的椴木板放置在平整的桌面上，将侧面可以设置角度的量角板安置在相应位置上。

（2）根据纬度计算出当地太阳高度角（太阳高度角=90°-|当地纬度±太阳直射点纬度|），在底板上将太阳运行轨迹支架用蝶形螺丝固定在侧面量角板相应的坡度。

（3）在手电筒卡槽处安装亚克力手电筒支架，用蝶形螺丝在背面将其固定好，并且调试手电筒能否顺畅在卡槽内移动，调试完毕后将手电筒安放在东边一侧备用。

2.使用方法

（1）将本教具放置在水平桌面上，使底板呈水平态。此时太阳高度控制架静止于水平位置（控制架角度表现为零度）。

（2）根据当地纬度计算好太阳高度角后，左手扶底板，右手拿起控制架，使其固定在相应的高度位置上（太阳高度角=90°-|当地纬度±太阳直射点纬度|）。

（3）将要观察的物体模型放置在底板中心位置上（设计和雕刻时预先留有的孔洞），使其便于观察到阳光下的影子（底板上标注有不同半径的同心圆和东、西方向，用以影子长度和方向的观察和读取）。

（4）将手电筒安放在标有“东”边方向的控制架一侧，并且调试能否在控制架上顺畅移动，用以模拟一天中太阳在天空中的移动轨迹，调试完成后将手电筒移动至东边位置。用手电筒模拟太阳，手电筒的光是平行光，平行光是指光在传播途中其波前始终保持是一个平面的光束。太阳光本来是个点光源，发出的光线是球面光，是朝各个不同的方向的，不是平行光，但是因为太阳光传播的距离非常远了以后，比如传到地球上的时候，发散的程度已经很小了，近似得可以认为太阳光的每一个光束都相互平行了，时间上还是不平行的，只不过夹角非常小而已。

（5）从东边开始缓慢移动手电筒，模拟一天时间里太阳在天空中的运行轨迹，并观察和记录物体在阳光照射下的影子方向变化情况和长度变化规律（实验可以选取一天时间里的几个关键时间点，比如早晨8点、中午12点和下午4点来观察，此实验要重复3次以上，实验数据最终取平均数值）。

三、创新教具的优点

随着创新教育的发展及对创新教育研究的不断深入开展，小学科学教学的重点和难点已自然转向创新教具研究以及创新课堂教学方法的研究上。创新教具的开发为创新教学方法提供了必要保障，课堂教学中要想有效培养学生的创新精神和创新能力，其中通过课堂实验教具的创新设计和制作便可以帮助学生实现动脑到动手的转变。课堂教学创新教具的开发本身就具有综合性、复杂性及创造性等特征，这些原因共同形成了学生对科学研究和创新的无限动力。

阳光下物体影子教具能根据不同纬度地区的太阳高度角差异来设置太阳运行路线，使太阳在天空中运动轨迹的模拟教学更加规范化、标准化，学生观察到的实验现象更直观、更科学。同时底板上等差半径同心圆和8个方向位置的设置，使测量过程中物体影子的长度和方向观察更加直观、明了、省时。具体来说，本教具的创新设计，可以完成以下微观现象的模拟。第一，可以满足不同半球、不同纬度、不同季节太阳高度角的设置；第二，模拟不同纬度地区太阳在一天时间里的运行轨迹；第三，一天中阳光下影子的长短变化规律，上午影子逐渐变短，下午影子逐渐变长；第四，阳光下影子的方向与太阳的方向是相反的，阳光下影子的方向随太阳在天空中位置的变化而改变。

自制的阳光下物体影子观察工具可根据不同地区的纬度设置太阳高度，可直接观察物体影子的长度和方向。由于不同纬度地区、同一地区不同季节太阳照射的高度不同，用坡度支架来设置太阳的照射高度，让学生更科学地观察不同地区、同一地区不同季节里太阳的不同高度，从而理解太阳光照射角度不同带来的物体影子的变化情况。用创新自制教具让课堂教学内容的重点一目了然，教学难点也更易突破。用手电筒模拟太阳光照射，便于学生在有效的时间里观察到阳光下物体的影子，实验的时效性提高了。以标有方向的底板模拟地面，让影子的方向读取简单明了。底板上的不同半径长度的同心圆可以帮助学生更快捷、更方便地知道物体影子的长度，大大缩短了实验时间。一节课之内就可以重复多次实验，而且实验的效果非常明显，做完此项实验后更能激起学生的求知欲，提高了科学研究的兴趣。