基于STEAM教育理念改进实验学具

吴益锞

在课程改革的新形势下，全面推进素质教育刻不容缓，在小学科学课堂教学中，教师要为学生探究活动提供新颖的材料，挖掘适合探究的主题，激发学生的创新精神，培养学生的创造性思维能力。学具能让学生获得最直观的感性认识。“工欲善其事，必先利其器。”通过自制或改进学具的利用，能让许多科学概念、现象变抽象为具象。而STEAM 教育强调知识与实践之间的关联，工程、技术类课程作为衔接理论知识与应用实践的桥梁，在工程、技术类课程的基础上，整合科学、数学与艺术等相关课程的内容，既可以有效弥补基础教育领域中工程与技术教育的短板，又可以培养学生科学化的学习习惯。

一、缘起

小学科学学具作为一种新的知识载体，为学生理解理论知识以及实验提供了极大的辅助作用。我们可以依据学生的心理特点为其展开有效的服务，使得学生在轻松愉悦的科学学习过程中得到知识、技能的协调发展，从而发挥学具的优质特性。通过STEAM教育理念的融合提升学生的综合实践与创新应用能力，在综合运用科学、技术、工程、艺术及数学等跨学科的知识中，解决真实问题，亲历体验、探究创新、内化吸收的过程，从而培养学生实践能力和创新能力，使其获得有益终身的学习能力和情感价值。

STEAM（Science科学、Technology技术、Engineering工程、Arts艺术、 Mathmatics数学的首字母）的原型为STEM，是一种用科学、技术、工程和数学跨学科方式认识世界和综合创新形式的教育，强调知识与实践之间的关联。在新课改背景下，小学科学成为一门以培养学生科学素养为宗旨的基础性课程。学具的展示与应用既可以优化教材内容，又可以快速吸引学生学习的注意力，使得学生在学具的开发与制作中得到课堂实验与探究欲望的满足感。通过寓教于乐的学习过程使得学生获得学习的自信心，在优秀学具的运用中激发学生科学的探索精神，让学生可以充分利用学科知识的链接进行科学知识的探索，从而提高学生的思维能力。在STEAM教育理念的落实中提高学生科学能力，推动科学课堂教学的进展。

通过思考和探索，对教科版小学科学六上第一单元第七课《斜面的作用》中的实验做了一定的改进和创新。斜面是本单元学习的最后一种简单机械，此前学生通过学习杠杆、轮轴和滑轮组，已经掌握了一些研究简单机械的实验方法。

这一课，学生将在实验中对比测量直接提升重物与用斜面提升重物所用力量的大小，也将在实验中更深入地对比研究同一重物在不同坡度斜面提升时的用力情况。在前面一系列简单机械原理及作用研究的帮助下，通过认识斜面，提出“斜面是否能够省力”的科学问题，设计出简单的对比实验并进行实验研究，学生可以获得对简单机械斜面的作用及省力原理的认识，从而培养学生的思维能力、动手能力，激发他们探究简单机械的兴趣。

二、学具原理

把书上用木板随意搭成的斜面做成用卡扣固定的装置，使得学生在做实验时搭成的斜面很稳固;电源、直流减速马达和弹簧测力计（电子测力计）制作在一起并固定在斜面上，使得提升物体变得匀速，学生读数更加方便和精准。在研究坡度越小越省力的实验中，在两块木板中间加了一根螺旋杆，可以利用调节螺丝任意调节斜面的坡度。为了加强实验角度的准确性和对比性，又在木板中增加一个45°的量角器。实验时，可以引导学生研究不同坡度所提升物体的拉力，如斜面15°、斜面30°、斜面45°（当然也可以调节成其他不同角度），提升同一物体所用力的大小，从而让学生很容易地得出“坡度越小越省力”的实验结论。不用时，又可以把它合拢，平放，易于整理和收藏。综上所述，笔者将其取名为“多功能斜面”教学仪。

三、学具所需器材及装置图

“多功能斜面”教学仪包含：木质斜面、弹簧测力计（包括电子测力计）、双向开关、直流减速马达、量角器、刻度尺、电源、砂皮纸、相同钩码10个、木块、铁块。

四、学具改进与创新之处

改进的学具“多功能斜面”教学仪，取材简单、可操作性强，通过更改某些条件，可以完成小学科学中与力学和斜面相关的多种实验。斜面倾角可以在0～45°之间灵活调节，且通过调节螺丝和卡扣牢牢固定木板角度，使之固定在指定角度进行相应实验。附以量角器、刻度尺、砂皮纸的接触面和弹簧测力计（也可更换成电皮子测力计），并在斜面最上端安装了直流减速马达、电源及双向开关等电子元件，克服了速度不易匀速控制的缺点，减少人为因素。这些装置的安装与改进都能有效地提高实验的可视性和准确度。

1.用直流减速马达、电源、双向开关等电子元件来匀速控制提拉弹簧测力计（电子测力计），代替手拉弹簧测力计，读数更加精准。在实际的实验操作中科学教师都知道，用手提拉弹簧测力计时，手的拉力与斜面的摩擦力会导致弹簧测力计的读数忽大忽小，会影响观察者读数的准确性。而采用这种“多功能斜面”教学仪，就完全杜绝了这两大因素的干扰，读出的数会更加精准，这样就更容易引导学生进行比较和得出斜面实验的结论。

2.使用“多功能斜面”教学仪，斜面容易固定，坡度大小易显现。学生想要研究多大的坡度，只要调节斜面上的调节螺丝和卡扣，用量角器就能呈现出相应的角度。这样的一个装置，让学生操作实验更加科学、规范，有利于培养学生严谨的科学探究态度。

3.小学科学所有涉及斜面的知识都可以用“多功能斜面”教学仪这个装置演示出来，当然，同样可以在斜面表面貼上一张砂皮纸来改变表面的光滑程度进行实验。例如，在教科版五上第四单元第五课《运动和摩擦力》这节典型的科学探究课中，以探究摩擦力大小与哪些因素有关为主线，通过学生猜想、设计对比实验、实验探究和合作交流等教学环节，让学生在科学探究的过程中亲自构建科学概念，主动获取科学知识。使用“多功能斜面”教学仪可以完成这一课中的两个对比实验：实验一是木板光滑面与砂皮纸粗糙面之间的比较;实验二是弹簧测力计改变提拉物体的重量（钩码的多少或者是木块与铁块的比较）得出的实验数据，学生一比较，自然明白了其中的道理。让学生亲身经历探究摩擦力大小与接触面粗糙程度和物体重量关系的过程。

五、学具用于部分探究实验及其探究过程

实验一：探究斜面有什么作用。

1.用弹簧测力计分别测出提起1个钩码、3个钩码、5个钩码所用的力。

2.打开“多功能斜面”教学仪，调整到一定坡度（如30°），将弹簧测力计挂在直流减速马达下面，分别将1，3，5个钩码挂在弹簧测力计上，测出此时拉起这些钩码所用的力。

3.将测量的结果进行比较，得出结论：当其他条件相同时，使用斜面具有省力的作用。

实验二：研究不同坡度的斜面。

1.测出直接提起2个钩码所用的力，也就是斜面坡度为 90°时。

2.改变斜面的坡度为45°，用弹簧测力计测出提起2个钩码所用的力。

3.再测出坡度为 30°和15°时，提升钩码所用的力。

4.增加鉤码数量，在按照上述3个步骤再操作一遍。

5.比较力的大小，得出结论：当其他条件相同时，斜面的坡度越小越省力。

实验三：摩擦力的大小与物体接触面粗糙程度的关系。

1.把“多功能斜面”教学仪放平，在木质光滑平面上用直流减速马达带动弹簧测力计测出2个钩码（或铁块）的拉力大小，用同样的方法测量3次并记录数据，取平均值。

2.在木质平面贴上砂皮纸（粗糙），用直流减速马达带动弹簧测力计测出2个钩码（或铁块）的拉力大小，用同样的方法测量3次并记录数据，取平均值。

3.再用4个钩码和6个钩码按照上述2个步骤操作，得出数据，取平均值。

4.比较这些测出力的大小，得出结论：当其他条件相同时，物体接触面越粗糙，摩擦力就越大。

当然，也可以改变物体的重量这一因素，进行实验，得出：当其他条件相同时，物体越重摩擦力就越大。

六、运用学具后的课堂实验效果

使用“多功能斜面”教学仪与原实验相比，操作更加简单方便，斜面可随意调节到所需要的角度并能固定住相应的角度（坡度准确）。原来的由学生手提弹簧测力计改成直流减速马达提升弹簧测力计，以相同的速度提升重物，从而得出更加精准的拉力数据。还可以改变斜面接触面的光滑程度（木板表面光滑与粗糙砂皮纸之间的更换）引导学生做改变光滑程度的实验。由此各个实验所得的数据更加准确，实验现象更加直观、形象、有趣。“多功能斜面”教学仪还能演示教材内实验所没有涉及的相关内容，比如最前端装上一个定滑轮，也让学生能更轻松地理解滑轮的相关知识。

现在以教科版小学科学六上第一单元第七课《斜面的作用》中的探究活动为例，学生利用“多功能斜面”教学仪进行实验操作并得出相关数据。优点在于斜面ABC用角度斜面15°、斜面30°、斜面45°来操作实验，提升同一物体所用力的大小。要比原来ABC更加直观，学生读取数据过程更加精准，从而让学生很容易得出“坡度越小越省力”的实验结论。

七、自我反思评价

通过实验器材的改进，加深学生对斜面、滑轮、接触面光滑程度等知识的理解，有利于学生更好地掌握简单机械的知识，解决教师在实验中得到的数据不准确的尴尬。对于STEAM教育理念下，小学科学学具的开发以及课堂应用而言，要想让学生得到科学知识与科学能力的双重提升，我们可以通过学习氛围的创设以及多元化教学手段的创新，激发学生的学习兴趣，使其在自主性学习动力的驱使下，增强对科学学具的认识，发挥学具在课堂教学中的优化作用。