科學課堂的實驗教具創新

安徽省合肥市琥珀小學 郝俊杰

《義務教育小學科學課程標準》要求小學科學課程要面向全體學生，無論學生之間存在怎樣的地區、民族、經濟和文化背景的差異，或者性別、個性等個體條件的不同，小學科學課程都要為全體學生提供適合的、公平的學習和發展機會。基于此，小學科學課本無論是從內容還是科學實驗的設置上都兼顧到了全體學生，讓每一個學生都能感受到科學學習的樂趣。但是，教育教學的內容不僅要兼顧到全面性，還應該根據不同地區的差異性，做到在原有的基礎上不停改進和不斷創新，這也是科學教育的重要內涵。在新的課程理念下，小學科學的學習不再僅僅局限于書本知識的學習，而且傳統的“灌輸式”教學也逐漸開始被“做科學，玩科學”的探索式教學所取代。其中，科學課堂實驗教具的使用和創新，對于學生的創新能力培養起到十分重要的促進作用。

一、課本實驗器材的簡易性

小學科學五年級上冊“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的教育現狀的差異，只利用一些簡易材料設置了能基本完成現象觀察的實驗。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，卻能滿足大多數地區學生的科學課堂觀察。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，但是靠學生手持手電筒來模擬太陽運行軌跡，可能出現不規范現象（無法保證太陽高度一致），從而帶來實驗現象的偏差。第三點是實驗器材中沒有方向的標注，學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。所以對于教學條件相對好點的地區，就可以不僅僅局限于教材上的實驗材料，而是結合實際情況，在原有的基礎上思考怎樣可以改進實驗，以期達到更好的實驗效果。基于此，在科學課堂的教學過程中，筆者和學生一起不斷思索，對“陽光下物體的影子”一課中的教學實驗進行了一些創新性改造。希望通過課堂教具的創新改進，可以使學生更好地觀察到實驗現象，促使學生創新思維能力的發展和動手操作能力的提高。

二、創新教具的具體情況

（一）創新教具的制作材料

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）設計軟件設計好教具的模型圖，導入到激光雕刻機的自有應用程序中，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，將側面可以設置角度的量角板安置在相應位置上。

（2）根據緯度計算出當地太陽高度角（太陽高度角=90°-|當地緯度±太陽直射點緯度|），在底板上將太陽運行軌跡支架用蝶形螺絲固定在側面量角板相應的坡度。

（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，并且調試手電筒能否順暢在卡槽內移動，調試完畢后將手電筒安放在東邊一側備用。

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。此時太陽高度控制架靜止于水平位置（控制架角度表現為零度）。

（2）根據當地緯度計算好太陽高度角后，左手扶底板，右手拿起控制架，使其固定在相應的高度位置上（太陽高度角=90°-|當地緯度±太陽直射點緯度|）。

（3）將要觀察的物體模型放置在底板中心位置上（設計和雕刻時預先留有的孔洞），使其便于觀察到陽光下的影子（底板上標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）將手電筒安放在標有“東”邊方向的控制架一側，并且調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，發散的程度已經很小了，近似得可以認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律（實驗可以選取一天時間里的幾個關鍵時間點，比如早晨8點、中午12點和下午4點來觀察，此實驗要重復3次以上，實驗數據最終取平均數值）。

三、創新教具的優點

隨著創新教育的發展及對創新教育研究的不斷深入開展，小學科學教學的重點和難點已自然轉向創新教具研究以及創新課堂教學方法的研究上。創新教具的開發為創新教學方法提供了必要保障，課堂教學中要想有效培養學生的創新精神和創新能力，其中通過課堂實驗教具的創新設計和制作便可以幫助學生實現動腦到動手的轉變。課堂教學創新教具的開發本身就具有綜合性、復雜性及創造性等特征，這些原因共同形成了學生對科學研究和創新的無限動力。

陽光下物體影子教具能根據不同緯度地區的太陽高度角差異來設置太陽運行路線，使太陽在天空中運動軌跡的模擬教學更加規范化、標準化，學生觀察到的實驗現象更直觀、更科學。同時底板上等差半徑同心圓和8個方向位置的設置，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，本教具的創新設計，可以完成以下微觀現象的模擬。第一，可以滿足不同半球、不同緯度、不同季節太陽高度角的設置；第二，模擬不同緯度地區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不同地區的緯度設置太陽高度，可直接觀察物體影子的長度和方向。由于不同緯度地區、同一地區不同季節太陽照射的高度不同，用坡度支架來設置太陽的照射高度，讓學生更科學地觀察不同地區、同一地區不同季節里太陽的不同高度，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。用創新自制教具讓課堂教學內容的重點一目了然，教學難點也更易突破。用手電筒模擬太陽光照射，便于學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。一節課之內就可以重復多次實驗，而且實驗的效果非常明顯，做完此項實驗后更能激起學生的求知欲，提高了科學研究的興趣。