“影子的變化規律”實驗教具的改進

喻文靜 嚴玲 王朝君 張旭梅 葉超

為有效提升課堂實驗的效率和教學效果，科學教師可從實驗器材創新、實驗設計優化等方面進行思考。本研究針對小學科學教材中原型實驗的不足，設計既可以演示“一年四季太陽東升西落過程中南北回歸線及赤道上物體影子的變化情況和光源的距離與高度對影子變化的影響”，又可以具體測量“影子的長度和方向”的“一體式觀察物體影子變化”的創新教具。此教具不僅可以簡化實驗操作步驟、縮短實驗操作時間，還可以將科學實驗結論形象化、具體化，進而構建高效小學科學課堂。

一、引言

2022年版《義務教育科學課程標準》（下稱《課程標準》）強調科學觀念的建構，其中核心概念“宇宙中的地球”的建構涉及了物質與能量、系統與模型、穩定與變化等跨學科概念。從小學科學綜合基礎性與實踐性看，采用模擬活動與實驗進行宇宙奧秘的探索，便于學生觀察與直觀認識宇宙。

在《課程標準》中，科學課程設置了13個學科核心概念，其中“光與影”屬于宇宙中的地球。宇宙中的地球有助于學生形成物質與能量、系統與模型、穩定與變化等跨學科概念。《課程標準》中設置了一定的內容要求，如觀察并描述太陽每天在天空中東升西落的位置變化，初步學會根據太陽的位置辨認方向;觀察并描述太陽光照射下物體影長從早到晚的變化情況;測量正午時物體的影長，說明不同季節正午影長的變化情況等。由此可知，影子的產生及其與光的關系是學生需要掌握的重要內容，與“光和影子”有關的教學內容在各個版本的小學科學教材中均有涉及：教科版二年級上冊“太陽的位置和方向”，三年級下冊“陽光下物體的影子”，蘇教版四年級下冊“太陽鐘”，五年級上冊“太陽與影子”。

目前關于“光與影”的教具數不勝數，如浙江省樂清市樂城鎮實驗小學的趙曉艷的自制教具，使用泡沫圓盤代表地球表面，手電筒代表太陽，鐵絲a表示一天中太陽的運動軌跡，鐵絲b代表四季正午太陽的運動軌跡，手電筒分別在鐵絲a、b上移動可以分別畫出一天中桿影的變化和四季桿影的變化。該教具能夠把需要長時間的觀察及跨緯度的觀察濃縮到一個課時中。溫州大學教師教育學院老師們要求學生將白紙粘在木板上，再把鉛筆用橡皮泥垂直地固定在木板上做一個簡易的“日影觀測儀”探究影子與光源關系的同時探究陽光下物體影子的變化。錢偉東和王豪挺自制的“光影儀”取材簡單、操作方便，整合了教材上的三個活動。只需要學生將手電筒、白紙固定好，裝上球形遮擋物即可進行實驗探究影子的大小、形狀、長短、位置與光的關系。

二、教材原型實驗及其不足

本研究主要以蘇教版教材為例進行研究，“光與影”內容在教材中的主要分布和實驗安排見表1，主要教具見圖1、圖2。

圖1中的教具“簡易日影觀測儀”適用于室外實時觀察陽光下物體影子的變化，雖然該教具能讓學生利用簡易的裝置真實地觀察隨著時間的變化，物體在陽光下的影子變化情況及其規律。但是該教具存在以下不足：

第一，該教具的使用受到天氣這一不可控因素的限制，只能在有陽光的天氣才能順利進行，但在現實生活中往往會遇到陰雨天氣導致無法進行實驗。

第二，使用該教具進行實驗往往需要花費學生大量時間觀察，對于小學生來說很容易缺乏耐心，而且如果長時間在太陽下，學生身體安全無法得到保障。

第三，學生無法直接讀出影子的長度，需要不停地測量影子的長度，使實驗變得煩瑣。

圖2中的教具是用手電筒模擬太陽，一根半圓形的竹篾模擬太陽的運動軌跡。手電筒在軌道上運動，模擬太陽東升西落，同時觀察地面上影子的變化。雖然該實驗能夠在不受天氣、時間等不可控因素限制下讓學生觀察陽光下物體的影子在一天內的變化，但使用該教具進行實驗存在以下不足：

第一，竹篾所制的軌道是固定的，然而太陽運動的軌道不止在赤道正上方，還在南半球、北半球。

第二，該教具無法探究物體影子的變化和光源的距離、高度的關系。

第三，學生無法直接讀出影子的長度和估測影子的方向，只能大概知道在太陽東升西落過程中影子的變化情況。

第四，物體并不是只能固定在正中心，它可以在任何位置，這才能更接近現實生活。

三、實驗教具的改進

基于對小學科學教材中原型實驗以及相關已有創新教具的分析，本著簡化實驗操作步驟、縮短實驗操作時間，并且將科學結論形象化、具體化，構建高效小學科學課堂，達到“雙減”政策中有效減輕義務教育階段學生過重作業負擔和校外培訓負擔的目的，筆者對影子的變化教具進行了改進和創新。

基于對教材內容以及課標的分析，本研究認為“光與影”實驗需要解決的教學重點如下：

第一，陽光下物體影子的長度和方向與太陽的位置的關系;第二，物體影子變化與光源的距離和高度的關系;第三，在赤道、北回歸線、南回歸線的物體影子的變化情況。

從教學的重難點出發，筆者將原有教具進行了如下創新。

（一）底座的改進

1.影長計算與影子方向的改進

同樣采用圓形底座，創新改進為在底座上以1cm為半徑，從圓心處依次遞增1cm?畫20個同心圓，每隔5圈一個顏色，以便于通過數同心圓的圈數計算影子的長度。此外，在底座上根據太陽東升西落的方向標注東西南北四個方向，以便估測影子的方向，如圖4所示。

2.測量影長物體的位置改進

因為真實環境中陽光下照射的物體可以出現在任意位置，教具需設置成可移動結構，才更符合真實條件，更具有科學性和說服力。故而，筆者主要從以下兩個方面對底座再次進行創新改進：首先在底座上設置高2?cm可任意移動的物體，使用者可以根據實際情況隨機確定物體的位置，如圖6所示。其次，在底座上安裝可在南北半球旋轉的滑輪軌道，模擬太陽運動，以便于探究南半球、北半球、赤道上物體的影子在陽光下的變化情況，如圖7、圖8、圖9所示。

（二）軌道的改進

模擬太陽運動的軌道采用20cm為半徑的二分之一圓弧構成，與底座滑輪連接。該軌道可通過底座上的滑輪在南北半球旋轉，如圖3、圖5所示。

（三）光源的改進

1.光源距離與高度的改進

為了探究物體影子的變化和光源的距離、高度的關系，在底座上分別設置三根柱子，分別設置一個可移動小燈，當三個小燈同高度不同距離時，可探究物體影子的變化與光源距離的關系，如圖10所示。當一個小燈與光源的距離一定，上下滑動改變高度時，可探究物體影子的變化與光源高度的關系如圖11所示。

2.光源方向位置的改進

為了探究太陽東升西落對物體影子的動態變化的影響，該裝置以20cm為半徑的半圓軌道上安裝了一個可滑動的小燈來模擬自然條件下移動的太陽，如圖7、圖8、圖9所示。

四、創新教具的使用

模擬赤道上的物體在太陽東升西落過程中影子的變化，春分、秋分時陽光下物體影子的變化。將該創新教具平放在桌面上，物體可先固定在底板的圓心處，軌道固定在圓心正上方，從東到西沿著軌道滑動小燈，讀出影子的長度，判斷影子的方向。影子變化過程如圖9所示。

模擬南半球的物體在太陽東升西落過程中影子的變化，與南半球夏季時物體影子的變化。將測量物體固定在南半球，軌道也旋轉至南半球的物體的正上方，從東到西沿著軌道滑動小燈，讀出物體影子的長度，判斷影子的方向。影子變化如圖8所示。

模擬北半球物體在太陽東升西落過程中影子的變化，與北半球夏季時物體影子的變化。將測量物體固定在北半球，軌道也旋轉到北半球的物體的正上方，從東到西沿著軌道滑動小燈，讀出影子的長度，判斷影子的方向。如圖7所示。

探究光源距離和高度對影子的影響。將物體固定在底板的圓心處，將同高度不同距離的三個燈依次打開，觀察影子的長度的變化，如圖10所示。再將可上下滑動的小燈打開，依次往上滑動，觀察同距離不同高度的小燈，物體影子長度的變化。將觀察所得數據和結論記錄在表1。

五、教具的創新性及優點

筆者設計的“影子的變化”創新教具有以下優點。

（一）簡易安全

該創新教具簡易，整套裝置采用安全無毒且生活中常見的材料，如木板、鐵絲、LED小燈。能幫助學生懂得科學就在身邊，啟發學生要善于在日常生活中去發現科學。

使用該創新教具能夠克服天氣對課堂的影響，避免室外實驗;能夠保障學生的安全。

使用該創新教具進行實驗時，只需沿著軌道滑動小燈、轉動軌道、移動物體，操作簡易，效果明顯。

（二）高效科學

運用該創新教具，沿著半圓形的軌道從東至西滑動小燈，引導學生掌握太陽東升西落的運動規律和運動軌跡。

運用該創新教具進行實驗，適用于多種版本的教材所對應的內容，可節省大量時間，提高課堂效率和課堂效果。

該創新教具不僅能觀察一天中不同時間物體影子的變化，還能觀測一年中不同季節同一時間、不同時間影子的變化。短時間內能夠幫助學生知道地球上不同位置的物體被太陽照射的角度、高度都有所不同。并且可以觀察春夏秋冬各個季節太陽位置的改變對物體影子的影響。

該創新教具能夠簡化實驗操作步驟、縮短實驗操作時間，構建高效小學科學課堂。

（三）創新直觀

運用該創新教具進行實驗，能夠測量影子的角度、判斷影子的方向，使現象更加明顯，結論更加具體。

使用該創新教具，能夠實現實驗直觀動態化過程。這一創新教具不僅軌道能夠轉動，而且小燈和物體都能轉動，因此能打破沉悶的課堂，激發學生的學習興趣和探究熱情。

該創新教具能夠探究太陽照射赤道、南回歸線、北回歸線上的物體，相比其他教具更加直觀具體，更具有創新性。

六、總結反思

在現實教學中，由于教材中設計的有關“光和影”的實驗操作對于學生來說有一定的難度且實驗效果有待提高。為了減少學生的不必要操作，縮短實驗時間，提高實驗的有效性和科學性，筆者設計既可以演示“一年四季太陽東升西落過程中南北回歸線及赤道上物體影子的變化情況和光源的距離與高度對影子變化的影響”，又可以具體測量“影子的長度和方向”的“一體式觀察物體影子變化”的創新教具。該教具不僅能夠簡化實驗操作步驟、縮短實驗操作時間，提升安全保障，還能將科學結論形象化、具體化，從而構建高效小學科學課堂。教師進行創新教具的開發符合教師終身學習的要求，是教師不斷提升自己創新能力的有效方法，亦是教師鉆研教材、分析學情、反思自我的成果體現。