科學(xué)課堂的實驗教具創(chuàng)新

安徽省合肥市琥珀小學(xué) 郝俊杰

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求小學(xué)科學(xué)課程要面向全體學(xué)生，無論學(xué)生之間存在怎樣的地區(qū)、民族、經(jīng)濟和文化背景的差異，或者性別、個性等個體條件的不同，小學(xué)科學(xué)課程都要為全體學(xué)生提供適合的、公平的學(xué)習(xí)和發(fā)展機會?；诖耍W(xué)科學(xué)課本無論是從內(nèi)容還是科學(xué)實驗的設(shè)置上都兼顧到了全體學(xué)生，讓每一個學(xué)生都能感受到科學(xué)學(xué)習(xí)的樂趣。但是，教育教學(xué)的內(nèi)容不僅要兼顧到全面性，還應(yīng)該根據(jù)不同地區(qū)的差異性，做到在原有的基礎(chǔ)上不停改進和不斷創(chuàng)新，這也是科學(xué)教育的重要內(nèi)涵。在新的課程理念下，小學(xué)科學(xué)的學(xué)習(xí)不再僅僅局限于書本知識的學(xué)習(xí)，而且傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)也逐漸開始被“做科學(xué)，玩科學(xué)”的探索式教學(xué)所取代。其中，科學(xué)課堂實驗教具的使用和創(chuàng)新，對于學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)起到十分重要的促進作用。

一、課本實驗器材的簡易性

小學(xué)科學(xué)五年級上冊“陽光下物體的影子”一課中，在課本中展示出的實驗材料，為了照顧全國不同地區(qū)的教育現(xiàn)狀的差異，只利用一些簡易材料設(shè)置了能基本完成現(xiàn)象觀察的實驗。比如利用鉛筆或筷子、表面光滑的木板和同面積的白紙、尺子、卷尺、橡皮泥等物品來完成陽光下物體影子的實驗觀察。具體操作就是將鉛筆模擬的物體用橡皮泥固定在貼了白紙的木板上，然后將器材放置在陽光下進行觀察并記錄。實驗雖然操作簡單，卻能滿足大多數(shù)地區(qū)學(xué)生的科學(xué)課堂觀察。但是，實驗也存在一些局限性。第一點就是天氣條件的限制。課本中的實驗想要取得較好的實驗效果，就必須要求上課當(dāng)天的天氣狀況非常好，光照充足，否則就無法完成實驗觀察。但是天氣情況的變化并不在人為能力的掌控之中，如果天氣狀況不符合要求，這一課可能就無法正常開展，導(dǎo)致后面課程的延誤。第二點是即使選用手電筒來模擬太陽運行，但是靠學(xué)生手持手電筒來模擬太陽運行軌跡，可能出現(xiàn)不規(guī)范現(xiàn)象（無法保證太陽高度一致），從而帶來實驗現(xiàn)象的偏差。第三點是實驗器材中沒有方向的標(biāo)注，學(xué)生在觀察和測量時要花更多的時間來觀測和辨別影子的長度和方向，使得課堂實驗的時間顯得緊張。所以對于教學(xué)條件相對好點的地區(qū)，就可以不僅僅局限于教材上的實驗材料，而是結(jié)合實際情況，在原有的基礎(chǔ)上思考怎樣可以改進實驗，以期達到更好的實驗效果?；诖?，在科學(xué)課堂的教學(xué)過程中，筆者和學(xué)生一起不斷思索，對“陽光下物體的影子”一課中的教學(xué)實驗進行了一些創(chuàng)新性改造。希望通過課堂教具的創(chuàng)新改進，可以使學(xué)生更好地觀察到實驗現(xiàn)象，促使學(xué)生創(chuàng)新思維能力的發(fā)展和動手操作能力的提高。

二、創(chuàng)新教具的具體情況

（一）創(chuàng)新教具的制作材料

需要面積大約600mm×600mm的方形椴木板1塊（用以雕刻一組等差半徑的同心圓）、小型手電筒1個（用以模擬太陽的光線）、半徑約90mm的圓1個（雕刻成量角器的刻度，取1/4塊，作為量取太陽高度角的側(cè)面支撐）、椴木支架1個（半圓弧狀，雕刻著手電筒移動卡槽）、鉸鏈2個（固定半圓形椴木支架）、蝶形螺絲2個（固定2個支架）、亞克力固定架1個（固定小手電）、膠槍和膠棒等。

（二）制作方法

利用AI（Adobe illustrator）設(shè)計軟件設(shè)計好教具的模型圖，導(dǎo)入到激光雕刻機的自有應(yīng)用程序中，用激光雕刻機直接進行實物雕刻，能夠快速制作創(chuàng)新教具。

（三）安裝和使用

1.安裝方法

（1）將雕刻有等差同心圓的椴木板放置在平整的桌面上，將側(cè)面可以設(shè)置角度的量角板安置在相應(yīng)位置上。

（2）根據(jù)緯度計算出當(dāng)?shù)靥柛叨冉牵ㄌ柛叨冉?90°-|當(dāng)?shù)鼐暥取捞栔鄙潼c緯度|），在底板上將太陽運行軌跡支架用蝶形螺絲固定在側(cè)面量角板相應(yīng)的坡度。

（3）在手電筒卡槽處安裝亞克力手電筒支架，用蝶形螺絲在背面將其固定好，并且調(diào)試手電筒能否順暢在卡槽內(nèi)移動，調(diào)試完畢后將手電筒安放在東邊一側(cè)備用。

2.使用方法

（1）將本教具放置在水平桌面上，使底板呈水平態(tài)。此時太陽高度控制架靜止于水平位置（控制架角度表現(xiàn)為零度）。

（2）根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥扔嬎愫锰柛叨冉呛?，左手扶底板，右手拿起控制架，使其固定在相?yīng)的高度位置上（太陽高度角=90°-|當(dāng)?shù)鼐暥取捞栔鄙潼c緯度|）。

（3）將要觀察的物體模型放置在底板中心位置上（設(shè)計和雕刻時預(yù)先留有的孔洞），使其便于觀察到陽光下的影子（底板上標(biāo)注有不同半徑的同心圓和東、西方向，用以影子長度和方向的觀察和讀取）。

（4）將手電筒安放在標(biāo)有“東”邊方向的控制架一側(cè)，并且調(diào)試能否在控制架上順暢移動，用以模擬一天中太陽在天空中的移動軌跡，調(diào)試完成后將手電筒移動至東邊位置。用手電筒模擬太陽，手電筒的光是平行光，平行光是指光在傳播途中其波前始終保持是一個平面的光束。太陽光本來是個點光源，發(fā)出的光線是球面光，是朝各個不同的方向的，不是平行光，但是因為太陽光傳播的距離非常遠了以后，比如傳到地球上的時候，發(fā)散的程度已經(jīng)很小了，近似得可以認(rèn)為太陽光的每一個光束都相互平行了，時間上還是不平行的，只不過夾角非常小而已。

（5）從東邊開始緩慢移動手電筒，模擬一天時間里太陽在天空中的運行軌跡，并觀察和記錄物體在陽光照射下的影子方向變化情況和長度變化規(guī)律（實驗可以選取一天時間里的幾個關(guān)鍵時間點，比如早晨8點、中午12點和下午4點來觀察，此實驗要重復(fù)3次以上，實驗數(shù)據(jù)最終取平均數(shù)值）。

三、創(chuàng)新教具的優(yōu)點

隨著創(chuàng)新教育的發(fā)展及對創(chuàng)新教育研究的不斷深入開展，小學(xué)科學(xué)教學(xué)的重點和難點已自然轉(zhuǎn)向創(chuàng)新教具研究以及創(chuàng)新課堂教學(xué)方法的研究上。創(chuàng)新教具的開發(fā)為創(chuàng)新教學(xué)方法提供了必要保障，課堂教學(xué)中要想有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，其中通過課堂實驗教具的創(chuàng)新設(shè)計和制作便可以幫助學(xué)生實現(xiàn)動腦到動手的轉(zhuǎn)變。課堂教學(xué)創(chuàng)新教具的開發(fā)本身就具有綜合性、復(fù)雜性及創(chuàng)造性等特征，這些原因共同形成了學(xué)生對科學(xué)研究和創(chuàng)新的無限動力。

陽光下物體影子教具能根據(jù)不同緯度地區(qū)的太陽高度角差異來設(shè)置太陽運行路線，使太陽在天空中運動軌跡的模擬教學(xué)更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，學(xué)生觀察到的實驗現(xiàn)象更直觀、更科學(xué)。同時底板上等差半徑同心圓和8個方向位置的設(shè)置，使測量過程中物體影子的長度和方向觀察更加直觀、明了、省時。具體來說，本教具的創(chuàng)新設(shè)計，可以完成以下微觀現(xiàn)象的模擬。第一，可以滿足不同半球、不同緯度、不同季節(jié)太陽高度角的設(shè)置；第二，模擬不同緯度地區(qū)太陽在一天時間里的運行軌跡；第三，一天中陽光下影子的長短變化規(guī)律，上午影子逐漸變短，下午影子逐漸變長；第四，陽光下影子的方向與太陽的方向是相反的，陽光下影子的方向隨太陽在天空中位置的變化而改變。

自制的陽光下物體影子觀察工具可根據(jù)不同地區(qū)的緯度設(shè)置太陽高度，可直接觀察物體影子的長度和方向。由于不同緯度地區(qū)、同一地區(qū)不同季節(jié)太陽照射的高度不同，用坡度支架來設(shè)置太陽的照射高度，讓學(xué)生更科學(xué)地觀察不同地區(qū)、同一地區(qū)不同季節(jié)里太陽的不同高度，從而理解太陽光照射角度不同帶來的物體影子的變化情況。用創(chuàng)新自制教具讓課堂教學(xué)內(nèi)容的重點一目了然，教學(xué)難點也更易突破。用手電筒模擬太陽光照射，便于學(xué)生在有效的時間里觀察到陽光下物體的影子，實驗的時效性提高了。以標(biāo)有方向的底板模擬地面，讓影子的方向讀取簡單明了。底板上的不同半徑長度的同心圓可以幫助學(xué)生更快捷、更方便地知道物體影子的長度，大大縮短了實驗時間。一節(jié)課之內(nèi)就可以重復(fù)多次實驗，而且實驗的效果非常明顯，做完此項實驗后更能激起學(xué)生的求知欲，提高了科學(xué)研究的興趣。