以“4341析改創(chuàng)享法”改進小學(xué)科學(xué)實驗器材的嘗試

【摘要】本文針對實驗器材在實際教學(xué)中存在的實驗操作煩瑣、實驗現(xiàn)象不明顯等問題，提出“4341析改創(chuàng)享法”，通過“分析—改進—創(chuàng)新—分享”遞進式流程，進行“四分析—三改進—四創(chuàng)新—一分享”探索，有效促進小學(xué)科學(xué)實驗器材的改進與創(chuàng)新。

【關(guān)鍵詞】“析改創(chuàng)享法” 小學(xué)科學(xué) 實驗器材 改進與創(chuàng)新

【中圖分類號】G62 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）25-0087-04

教育部2019年印發(fā)的《關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》明確提出“鼓勵各地各校積極開展教學(xué)儀器設(shè)備適用性評價和研究，開展優(yōu)秀自制器材評選，鼓勵教師自制實驗器材”的意見。開展小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)是國家課程方案和《義務(wù)教育科學(xué)課程標準（2022年版）》（以下簡稱《2022年版科學(xué)課標》）規(guī)定的重要教學(xué)內(nèi)容，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑。

當(dāng)前的小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)，在實際教學(xué)中存在諸多問題，如：實驗器材、資料箱、工具箱滿足不了不同版本教材的需求；部分實驗器材實驗操作煩瑣、實驗誤差大、實驗現(xiàn)象不明顯、不適宜分組合作、無法滿足不同層次學(xué)生探究活動的需求等。針對這些問題，筆者所在的團隊積極探尋促進小學(xué)科學(xué)實驗器材改進與創(chuàng)新的有效策略，提出了“4341析改創(chuàng)享法”，通過“分析—改進—創(chuàng)新—分享”遞進式流程，進行“四分析—三改進—四創(chuàng)新—一分享”探索，有效促進小學(xué)科學(xué)實驗器材的改進與創(chuàng)新。

一、“四分析”：對教材、學(xué)情、過程、器材進行分析

現(xiàn)代教學(xué)論認為，要實現(xiàn)教學(xué)最優(yōu)化，就必須實現(xiàn)教學(xué)目標和教學(xué)過程最優(yōu)化。教材分析、學(xué)情分析、過程分析、器材分析，正是實現(xiàn)小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)最優(yōu)化的重要手段。

1.教材分析。對小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)的教材分析應(yīng)基于學(xué)生發(fā)展和實驗的具體需求，遵循學(xué)生的認知規(guī)律，以學(xué)生的前概念為出發(fā)點。一是仔細研讀課標。仔細研讀課標是正確進行教材分析的前提?！?022年版科學(xué)課標》是小學(xué)科學(xué)學(xué)科教學(xué)的指導(dǎo)性文件，是編寫教材和進行實驗教學(xué)的依據(jù)。它詳細規(guī)定了課程的性質(zhì)、任務(wù)、教學(xué)目的等。因此，在分析教材時應(yīng)以課標為依據(jù)，以課標的要求為目標。二是整合教材內(nèi)容。首先，要理解教材編寫的思路與內(nèi)容的邏輯關(guān)系，分析本段教材對基礎(chǔ)知識和基本技能的表達方式和程序，研究設(shè)計意圖，從中領(lǐng)悟教材提供的教與學(xué)的過程和方法，明確教材的思路；其次，要明確教材在知識體系中的地位和作用，認真研究教材內(nèi)容中的新知識和教材前后知識的聯(lián)系，發(fā)掘新知識的“生長點”，從全局上更好地把握和使用教材。三是確定教學(xué)重點和難點。在認識和理解教材的基礎(chǔ)上，教師要依據(jù)課標和教材內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生實際，科學(xué)準確地制訂教學(xué)目標，確定教學(xué)重點和難點。四是全方位分析教材。從教材的整體性和綜合性、從反饋信息和研究成果等方面分析，多角度、全方位地對教材進行深刻分析。

2.學(xué)情分析。學(xué)情分析是系統(tǒng)化教學(xué)設(shè)計不可或缺的重要組成部分，摸準學(xué)情可以為有效開展小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)提供有價值的教學(xué)參考。一是學(xué)生前概念分析。前概念是學(xué)生在日常生活經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上形成的概念。分析學(xué)生前概念有助于從學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”出發(fā)，有效確立實驗教學(xué)目標，提高實驗教學(xué)的有效性。二是學(xué)生心理分析。運用多元分析方法與多維分析視角，分析學(xué)生在學(xué)習(xí)具體環(huán)節(jié)中的心理過程、特點及障礙，以便在實驗教學(xué)過程中更好地落實教學(xué)要求。三是學(xué)生實驗?zāi)芰Ψ治觥ｋm然學(xué)生在實驗前已經(jīng)具備一定的實驗?zāi)芰?，但能力的高低強弱，還需要結(jié)合學(xué)生實際情況進行綜合分析。

3.過程分析。小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)過程分析是教師對小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)實踐的再認識、再思考、再反思，并以此來總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，進一步提高教育教學(xué)水平。一是問題環(huán)節(jié)分析。根據(jù)學(xué)生探究的科學(xué)問題，分析該問題與前一課學(xué)習(xí)的關(guān)聯(lián)性，體現(xiàn)課程的連貫性。二是探究過程分析。在探索過程中，重點分析前概念測查、預(yù)測、探究計劃的制訂、實驗過程、信息收集、組織和呈現(xiàn)、形成的解釋等。三是研討階段分析。在研討階段，分析學(xué)生交流、討論、論證的關(guān)鍵問題以及所遇到的難點問題。四是課堂效果分析。在全課結(jié)束后，對整節(jié)課目標達成、呈現(xiàn)方式、教學(xué)流程、教學(xué)效果等進行反思、改進，以反思促進“教”與“學(xué)”，提高科學(xué)課堂教學(xué)效益。

4.器材分析。器材作為一種知識載體，為學(xué)生實施實驗提供了直觀形象的物質(zhì)基礎(chǔ)。一是氛圍創(chuàng)設(shè)分析。在小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)過程中，要考慮器材的呈現(xiàn)是否為學(xué)生科學(xué)探究氛圍的創(chuàng)設(shè)提供有效幫助。二是裝置分析。器材的使用是為實驗探究提供便利與服務(wù)的，要分析提供的器材是否便于達成實驗教學(xué)目標，突破實驗教學(xué)重難點。三是過程分析?？陀^分析器材使用過程中的優(yōu)點與不足以及對學(xué)生操作過程和實驗效果的影響。

例如，教科版小學(xué)科學(xué)五年級下冊《擺的研究》實驗教學(xué)的重點是研究擺的重量、擺繩的長度與擺擺動快慢的關(guān)系。通過上述“四分析”可以發(fā)現(xiàn)：這兩個實驗需要由學(xué)生數(shù)擺擺動的次數(shù)，如“擺來回擺動算1次”“測量15秒，并重復(fù)測量3次”等。實驗過程中，學(xué)生既需計數(shù)又需計時，很容易出現(xiàn)計數(shù)方式錯誤或計數(shù)出現(xiàn)偏差的情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差較大，甚至影響實驗結(jié)論。為此，科學(xué)教師對器材進行了改進，自制“數(shù)字化擺研究實驗裝置”，以電子計數(shù)代替人工計數(shù)，確保實驗數(shù)據(jù)的準確性，避免人工操作的誤差，使實驗更嚴謹、更高效。

二、“三改進”：基于具體學(xué)情、器材問題、實際教學(xué)的改進

當(dāng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)用器材在小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)過程、實驗效果等方面存在問題后，教師應(yīng)基于學(xué)生學(xué)情、器材問題、實際教學(xué)進行改進。需要注意的是，對實驗器材的改進要考慮不能與國家現(xiàn)行法律、法規(guī)、道德規(guī)范相抵觸，不危及食品、藥品試劑和飲食安全，不危及人類健康和生命財產(chǎn)安全，不造成環(huán)境污染，不妨礙文物保護和動植物保護。

1.基于具體學(xué)情的改進。學(xué)生實驗的有效性與學(xué)情息息相關(guān)，在實驗器材改進中，必須基于學(xué)情對器材進行有效改進，做到“三提高”。一是提高學(xué)生實驗興趣。小學(xué)科學(xué)實驗中涉及概念、規(guī)律、法則、定律等，往往枯燥乏味，難以吸引學(xué)生注意力，但學(xué)生對實驗過程卻表現(xiàn)出強烈的好奇心，一個好的器材、一次成功的實驗，能誘發(fā)學(xué)生積極思考，提高學(xué)生實驗興趣。二是提高小組合作有效性。器材除了關(guān)注個體，還應(yīng)關(guān)注小組間的合作交流，改進器材使之適合學(xué)生小組合作學(xué)習(xí)，能激勵學(xué)生參與解決問題的熱情，增加學(xué)生從實驗探究中獲取知識的意識和能力。三是提高動手動腦能力。好的器材要符合學(xué)生心理、年齡特點，有助于學(xué)生動手探究、動腦思考，從而使學(xué)生愛學(xué)、樂學(xué)、會學(xué)、巧學(xué)。

2.基于器材問題的改進。當(dāng)前，我國建立了一定規(guī)模的教學(xué)儀器生產(chǎn)體系，但由于教材版本不同、學(xué)生學(xué)情不同，部分器材在實際教學(xué)過程中存在實驗效率不高、實驗效果不夠理想等問題，這種狀況亟須改進。一是改繁為簡。繁雜的實驗器材容易使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，使之無法完成探究任務(wù)，影響其概念的建構(gòu)與學(xué)習(xí)，因此必須將繁雜的實驗器材改變?yōu)楹唵蔚谋阌趯W(xué)生操作的器材，讓學(xué)生在實驗過程中便于觀察，方便實驗數(shù)據(jù)的收集與整理。二是改偏為正。實驗器材如果與教材偏離，出現(xiàn)不夠配套、不夠吻合等問題，在教學(xué)使用過程中勢必導(dǎo)致實驗效果不佳、學(xué)生理解吃力，因此改進實驗器材時一定要緊扣教材，使符合學(xué)段要求。三是改舊為新。隨著《2022年版科學(xué)課標》的出臺，教科版、粵教版等不同版本的教材將相繼更新，而現(xiàn)有某些儀器室配備的依然是舊課標的實驗器材，無法適應(yīng)新的實驗要求，因此對實驗器材的改進要以最新的課標為依據(jù)，做到與時俱進。四是改粗為精。部分實驗器材較為粗劣，致使學(xué)生在實驗過程中雖然按實驗步驟操作，但最終效果不佳，實驗數(shù)據(jù)不準確，因此要對這部分實驗器材進行改進，讓實驗器材更為精準。

3.基于實際教學(xué)的改進。實驗器材的改進離不開課堂教學(xué)，在科學(xué)概念和科學(xué)探究雙螺旋協(xié)同發(fā)展的實驗教學(xué)過程中，必須基于實際教學(xué)對實驗器材進行改進。一是準確把握實驗教學(xué)目標。在小學(xué)科學(xué)課程的物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)和技術(shù)與工程四大領(lǐng)域中，實驗教學(xué)目標各異，器材改進的前提是深刻理解和準確把握實驗教學(xué)目標。二是實驗教學(xué)相互關(guān)聯(lián)不斷推進。實驗教學(xué)中涉及器材使用之處，教師通過“三環(huán)節(jié)”，即課前對器材進行試用、課中對器材的使用進行觀察、課后對器材的適用進行反思，及時發(fā)現(xiàn)以有效改進，使學(xué)生實驗與教材相互關(guān)聯(lián)不斷推進，形成整體。三是掌握實驗教學(xué)進階的特點。小學(xué)科學(xué)實驗是“兒童的實驗”，在充分體現(xiàn)科學(xué)特質(zhì)的同時，要考慮實驗教學(xué)進階性，關(guān)注實驗，研究器材。

例如，教科版小學(xué)科學(xué)五年級上冊中的《光與熱》一課中，安排了下面的教學(xué)實驗：用鏡子將陽光反射到紙上，觀察、比較用一面鏡子和多面鏡子，反射光的強弱有什么不同？用溫度計測量紙上光斑處的溫度，比較用一面鏡子和多面鏡子，溫度計顯示的溫度有什么不同？希望學(xué)生通過實驗認識光的強弱與溫度的關(guān)系。但在實際教學(xué)中，天氣是一個可變因素，如果遇到下雨天、陰天或陽光不是很強的天氣，就會影響實驗的效果。加上傳統(tǒng)的溫度計讀數(shù)有時不準確，也會影響實驗數(shù)據(jù)的準確性。為此，科學(xué)教師可以運用上述“三改進”策略，設(shè)計新的裝置探究光的強弱與溫度的關(guān)系：用白熾燈臺燈模擬太陽光作為光源，用溫度傳感器測量不同強度的光照背景下光斑處的溫度，然后運用四位數(shù)碼管替代溫度計直接顯示溫度值。教師利用創(chuàng)客模塊的器材改進實驗裝置，繞開天氣這一不可控因素，突破教學(xué)重難點，最終有效達成教學(xué)目標。

三、“四創(chuàng)新”：加、減、乘、除“四法”創(chuàng)新

實驗器材的制作突出實驗創(chuàng)新，強調(diào)新技術(shù)、新方法的應(yīng)用：通過引進合適的新技術(shù)、新材料、新成果，創(chuàng)新實驗器材，提高實驗教學(xué)效率。它是把想法創(chuàng)新物化的過程，是“人無我有”的過程，能培養(yǎng)教師的逆向思維、側(cè)向思維、求異思維、類比思維、發(fā)散思維等。以下四種方法既可單項使用，也可根據(jù)需要綜合運用。

1.做好“加法”。實驗器材過于簡單會影響實驗的嚴謹性、規(guī)范性。因此，器材的創(chuàng)新應(yīng)做好“加法”。一是同類“加”。新課標確定了18個主要概念，以此為依據(jù)的實驗器材可以延伸出許多同類型器材，通過同類“加”原理，將實驗器材加高、加厚、加長、加重、加深、加寬……或?qū)㈩愃破鞑倪M行有機的結(jié)合，達到強化、凸顯實驗現(xiàn)象等效果。二是異類“加”。根據(jù)實驗教學(xué)或?qū)W生小組合作需要，將原有的實驗器材與其他器材進行重新組合，加入其他器材后，形成新的器材裝置，可以獲得不同的實驗效果。

2.做好“減法”。某件器材在減去一部分進行縮小與簡化后，有時會變成更適用的實驗器材，做到刪繁就簡，也就是做好了“減法”。一是同類“減”。在做物體的沉浮、定滑輪和動滑輪等實驗時，可以考慮部分實驗器材減輕重量、減小體積、減少面積、降低高度。二是異類“減”。如何從粗到精、從繁到簡、從有到無……這就需要根據(jù)學(xué)生學(xué)情、實驗教學(xué)需要，考慮可以減什么器材、如何減器材，怎樣壓縮器材、濃縮器材，甚至是省略器材等。

3.做好“乘法”。乘法可以把一個數(shù)擴大，在小學(xué)科學(xué)實驗器材的改進與創(chuàng)新中不妨嘗試用到“擴一擴”的乘法思路。一是同類“乘”。實驗器材過小往往導(dǎo)致學(xué)生觀察不清楚，用放大、擴展的方法制作一個更大、更易于觀察實驗現(xiàn)象的器材，或由小數(shù)據(jù)分析到大數(shù)據(jù)分析的整體化實驗器材，達到事半功倍的效果。二是異類“乘”。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，實驗器材的跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨時空思路可以不斷開闊，將現(xiàn)代電子技術(shù)、人工智能等新領(lǐng)域、新材料、新技術(shù)融入實驗器材，體現(xiàn)傳感器、單片機等現(xiàn)代新器材的便捷。

4.做好“除法”。除一除、縮一縮使許多器材向微型方向發(fā)展，創(chuàng)造了小學(xué)科學(xué)實驗器材的另一片小天地，能給實驗帶來更大的方便。一是同類“除”。器材是可以用同類型器材替代和覆蓋的，經(jīng)過同類型器材的替代和覆蓋，有效提升科學(xué)實驗教學(xué)的實效性，也許會產(chǎn)生新奇、驚人、震撼的效果。二是異類“除”。在基本原理不變的情況下，用新型的或不同的材料除一除，能起到提高實驗器材性能、降低實驗器材成本、擴大實驗器材應(yīng)用范圍、延長實驗器材使用壽命等效果。

例如，教科版小學(xué)科學(xué)三年級下冊《水結(jié)冰了》一課中的實驗教學(xué)重點是科學(xué)、準確、直觀地觀察水結(jié)冰過程中溫度變化的階段性過程，難點是及時捕捉到水開始結(jié)冰的瞬間。在實際操作過程中發(fā)現(xiàn)：水結(jié)冰現(xiàn)象比較細微，學(xué)生無法直觀構(gòu)建水在0℃時開始結(jié)冰的科學(xué)概念。為了解決這一問題，我們團隊的教師按照上述“四創(chuàng)新”理念，自制了“多維立體測量儀”：通過“加”，創(chuàng)新增加溫度傳感器及單片機主控，液晶顯示屏實時顯示溫度從而代替了用煤油溫度計來測量溫度；通過“除”，創(chuàng)新自制保溫杯和試管架代替了包毛巾保溫和人工手持溫度計的方法；通過“乘”，創(chuàng)新用攝像裝置實時采集水結(jié)冰的過程，特別是能夠捕捉到水開始結(jié)冰的瞬間，完善了學(xué)生在探究過程中的直觀體驗。在課堂中讓學(xué)生使用“多維立體測量儀”來進行實驗，既達到本課設(shè)定的教學(xué)目標，也突破了教學(xué)重難點，提高了課堂教學(xué)效率。此外，該裝置還可以應(yīng)用于該單元系列實驗，如《測量水的溫度》和《冰融化了》的實驗中。

四、“一分享”：實驗器材交流分享

為進一步將改進與創(chuàng)新的實驗器材與教材融合，體現(xiàn)“教”與“學(xué)”、“做”與“思”的統(tǒng)一，教師在自制器材后要進行分享，重在對器材改進之處、創(chuàng)新點、對提升教學(xué)實效性的幫助等方面與同學(xué)科教師進行交流分享。

1.分享實驗教學(xué)目標。實驗教學(xué)目標的定位合理性決定了小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)的有效性。一要闡述清楚。實驗教學(xué)的意圖、地位和作用闡述清楚明確，對實驗器材進行了一定的創(chuàng)新、改進和完善。二要主體突出。實驗教學(xué)目標層次符合課標要求和學(xué)生實際，突出學(xué)生的主體性，體現(xiàn)新課程理念。

2.分享實驗內(nèi)容設(shè)計。實驗教學(xué)內(nèi)容是實現(xiàn)教學(xué)目標的主要載體，如何突出實驗教學(xué)重點，突破實驗教學(xué)難點，實驗內(nèi)容的設(shè)計是重要一環(huán)。一要科學(xué)合理。教學(xué)方法科學(xué)，實驗設(shè)計合理，實驗器材、自制器材選擇恰當(dāng)，合理使用教學(xué)手段、實驗內(nèi)容。二要引導(dǎo)有效。能有效引導(dǎo)學(xué)生積極參與實驗探究過程。三要改進創(chuàng)新。對實驗教學(xué)方法或運用材料或?qū)嶒炂鞑倪M行改進、創(chuàng)新和完善。

3.分享實驗方法設(shè)計。優(yōu)化實驗方法，有助于凸顯器材和進一步提升小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)的實效性。一要方向吻合。結(jié)合自制器材選擇恰當(dāng)?shù)膶嶒灧椒ú⒄f明依據(jù)，能體現(xiàn)小學(xué)科學(xué)課程與教學(xué)改革方向，為教學(xué)設(shè)計的合理性提供理論支撐。二要方法適合。實驗教學(xué)的方法要適合學(xué)生的年齡特點，能反映教學(xué)改革理念，體現(xiàn)教學(xué)水平。

4.分享實驗過程設(shè)計。合理的教學(xué)思路和教學(xué)環(huán)節(jié)可凸顯器材改進的意義。一要結(jié)構(gòu)合理。課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)合理，教學(xué)環(huán)節(jié)清晰、自然，邏輯性強。二要駕馭課堂。實驗過程能體現(xiàn)教師的課堂駕馭能力，課堂反饋針對性強，有利于學(xué)生實驗?zāi)芰Φ奶岣吆椭R的掌握。

5.分享實驗教學(xué)反思。反思自己的教學(xué)行為與器材創(chuàng)新情況，能建構(gòu)自我的現(xiàn)代教學(xué)理念、優(yōu)化教學(xué)行為，構(gòu)建理論與實踐的橋梁，提升自身專業(yè)素養(yǎng)。一要有“形”有“神”。針對實驗教學(xué)和器材改進，進行問題原因分析、相關(guān)理論支撐以及提出改進措施，對問題進行深入探討，做到有“形”有“神”，提升教學(xué)反思意識。二要評價得當(dāng)。判定學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)結(jié)果，需要制訂科學(xué)、合理、系統(tǒng)的評價反饋方案，借鑒多種手段進行檢測和統(tǒng)計，最終通過實踐來檢驗效果。

例如，根據(jù)教科版小學(xué)科學(xué)一年級下冊第一單元第2課《誰輕誰重》實驗中的問題，我們團隊的教師設(shè)計了一個“聲光電多維數(shù)字天平儀”，在“一分享”環(huán)節(jié)闡釋了該裝置的改進與創(chuàng)新，通過簡易天平測量法、左物右碼稱量法、直接讀數(shù)稱量法互相對比，呈現(xiàn)出“聲光電多維數(shù)字天平儀”的優(yōu)勢。使用改進后的實驗裝置展開實驗探究，有利于學(xué)生比較不同物體的輕重并排序，從實際實驗效果來看，學(xué)生實驗用時減少、正確率顯著提升，學(xué)生逐步建立起“物體有輕重”的認識。

實踐證明，基于實驗器材改進與創(chuàng)新的“4341析改創(chuàng)享法”，能有效避免小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)知識化、形式化、虛擬化、邊緣化等問題，充分體現(xiàn)教學(xué)性、科學(xué)性、創(chuàng)新性、啟發(fā)性與實用性的統(tǒng)一，對促進小學(xué)科學(xué)實驗器材改進與創(chuàng)新、提高小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)的實效性、促進學(xué)生科學(xué)概念的建構(gòu)、提升學(xué)生科學(xué)探究能力和科學(xué)素養(yǎng)都具有積極的作用。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

［2］黃賢群.七談小學(xué)科學(xué)有效教學(xué)［M］.南寧：廣西人民出版社，2018.

注：本文系南寧市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃立項課題“小學(xué)科學(xué)實驗器材改進與創(chuàng)新的實踐研究”（2021B068）的階段研究成果。

作者簡介：梁惠娟（1980— ），廣西南寧人，高級教師，研究方向為小學(xué)科學(xué)教學(xué)。

（責(zé)編 韋榕峰）