基于《光》单元自制教学具研发策略的实践性研究
杭州市萧山区朝晖小学 金亚军
【摘要】《光学实验盒》、《光影实验套件》和《光吸热实验套件》三套自制教具历经四年多的研制过程，经过实践检验在材料的标准化设计、便捷化、高效化、多功能、简约化设计等方面都达到或超过实验探究要求，收效显著。形成并提炼出从研究教材、教学，到创意思考、完善设计，再到制作完善、检验应用的自制教具研制策略流程。本着实践、反思和提炼原则，对《光》单元自制教具研制策略进行深入解析和提炼，以不断推进自制教具研发活动的深入开展。
【关键词】《光》单元 实验教学 自制教具 改进策略
教科版小学科学五年级上册《光》单元《光学实验盒》、《光影实验套件》和《光吸热实验套件》三套自制教具，自2010年开始历经四年多的持续思考、设计、制作和调试，2015年上半年完成设计制作，下半年进行文字、图片和视频的记录，至2017年期间在教学中得到很好的试用和检验，很大程度上改善了教材实验设计的问题。
自制教具的研制源自科学课堂，贯穿于科学教学始终，自制教学具与科学课堂的有机融合是自制教学具最大的价值和意义。作为七年多的长时研究，包含了教材、教学、创意、设计、制作、检验等自制教学具必要环节。其中既有自制教学具活动的基本要素，也有《光》单元自制教具的研制特性，尤其是围绕光的实验材料特性，以及《光》单元教学特性展开了一系列的研究。因此在《光》单元的自制教学具研制活动是一个教学体系的研究，也是对教具研制策略的一种实践和提炼。
一、 研究教材——积淀自制教具的基本素材
教材是科学教学的蓝本，也是实验探究的基本参照，现行教材提倡教师用教材教的教学思想，这为一线教师提供了更多的发挥空间。教材的设计思路，材料的基本设计都是自制教学具需要深入研究和摸索的，并为教具研发提供和积淀第一手资料。
教材整体设计思路与实验方案的基本分析：
二、研究教学——摸索现有教具的教学空间
科学教学是自制教学具研制素材的源头，尤其是已有实验材料在教学中的实际使用效果是研制自制教学具时必须要摸清的。唯有理清实验材料的教学空间，才能为质疑和改进材料提供充分依据。
实验教学是科学教学的基本要素，材料的教学使用效能涉及到材料的标准化、简约性、科学性、有效性，以及操作便捷性等因素，这些都是检验实验材料教学实效的重要指标。
实验教学的推敲：实验教学是一个师生互动，学生自主成长的过程。科学研究方法小学阶段体现在实验方案的设计活动中，尤其涉及到变量控制问题。而实验材料的有效性和变量控制的连接紧密程度直接决定材料的实用效果。实验现象的问题摸索，科学问题的解决预案，实验材料的合理推敲，实验证明的数据收集，实验数据的整理分析等都是实验教学需要深入了解的重要环节。
实验材料的质疑：针对实验材料在实验教学中反映出来的现象和问题，基于材料改进的初衷，找准问题根源，进行有针对性的突破性质疑，为研制教学具活动做好有效预设。质疑实验材料的关注点包括：实验数据的有效性，实验材料的科学化、标准化、平台化、可视化、拓展化和简约性，实验操作的便捷性、高效性等。针对实验教学所出现的问题进行比对，找出问题关键，进行建设性思考和摸索。
例如光是怎样传播的实验教学活动：
在本课的教学中，教材首先提出光是怎样照到物体上的问题，再交流呈现学生的科学前概念，然后出示舞台灯光和太阳光云层照射，让学生通过光的照射现象来推敲光是怎样传播的。接着，就安排进行了光的直线传播的验证活动。就教学环节设计来看，由浅入深，层层递进，符合学生认知规律。
但是在实证环节，如图利用电筒照射钻有小孔的三张纸片实验时就存在一些实验困惑。
首先小孔钻多大，大了光束游刃有余，光的直线传播就成为空谈；小孔钻小了，电筒光束就很难同时通过三个小孔。
还有，电筒采用普通电筒，因为光圈是由小变大的，这样一来在第二张和第三张纸片小孔周围就会出现两个光圈。
改用激光小电筒一是难以稳定光束的方向，同时也会在第二三张纸小孔周围出现光圈，也就是光的衍射现象。当学生提出这是怎么回事时，老师就难以回复。如果学生提出光发生转弯，在不能解释光的衍射现象的前提下，教学就遇到了障碍。
纵观光直线传播的实验教学，三张带孔纸片的实验是缺乏科学性的，操作也繁琐。问题的关键还是看不到光路的问题，导致难以进行了测量，所以光路的显形是该实验的突破口。
根据丁达尔效应，利用光线穿透胶体来显示光路是一条可行路径。经了解和试验发现可以采用茶水、烟雾、咖啡粉、暗室等方法进行。设想如果光路出现了，然后用尺子测量即可有效实现光的直线传播现象的求证活动。
三、创意思考——引发自制教具的创新设计
创意思考是自制教学具产生的关键要素，创意能否产生决定自制教学具的有无，创意的质量决定自制教学具的质量。
1、光学实验盒创意思考（技术资料详见附件1）
2、光影实验套件创意思考（技术资料详见附件2）
3、光吸热实验套件创意思考（技术资料详见附件3）
四、完善设计——提炼教具设计的基本策略
有了创作灵感和设计雏形，这是创作的重要起点。如何进行深入开发，将设计方案精细化、高效化、简约化就是教具研发的重要路径。教具设计最终目的是达成实验效果的高效化，实验数据的标准化，实验操作的便捷化，实验材料的节约化，实验材料的功能挖掘等设计要求。教具设计需要遵循的基本策略包括：
教具设计需要达到的基本要求：
1、科学性：自制教具的设计原理和呈现方式应该以科学性作为创作的基本准则。
2、高效性：一具多用，有效提高作品的含金量，挖掘教具的内在潜质是完善设计的基本方向。
3、标准化：教具的目的是实验的标准化，唯有标准实验才能显示教具的价值。
4、简约性：简单有效的就是好方法，努力提高设计的简约性是教具设计的基本原则。
5、便捷性：操作便捷可以提高实验的使用效率，提高实验的趣味性，教具设计不可少。
6、节约化：能用较少的投入产出较好的效能，教具的潜质才能进一步提升。
7、小型化：受教具存储空间所限和学生实验特点，相对小型化的教具设计有利于提高教具的附加值。
教具设计形成策略的基本原则：
1、依托图纸，添砖加瓦
教具设计不求一气呵成，有时放长线才是不断完善的基本原则。对不同阶段的设计进展，需要依托图纸展开设计。图纸的使用便于记录、改进，且形象，更利于教具设计的不断积累。以图纸为载体，在长时间间断性的设计完善下，有利于设计蓝图的不断推进。
2、突破难点，先难后易
教具设计并不是全方位推进，它是有主次先后的。每一件教具都有其核心技术，围绕核心技术展开设计，然后再推进相关构件的设计，这样更利于设计的高效推进，更利于设计时间的合理统筹。
3、删繁就简，简约高效
材料设计的基本原则是简约有效，这是完善设计的良策。在长年的设计过程中，删繁就简可以有效引领设计图纸的设计动向，节约材料和有效达成的同时，简化材料结构和操作步骤更利于教具设计的不断完善。
4、多维设计，积极推进
创新设计的核心是建立在发散性多维思考基础上的，然后对各种思路进行辨析、批判和扬长避短，于是创新设计的方案就会不断在1+1＞2的点滴增效中不断推进，这是教具设计走向完型的重要方法。
5、试验跟进，推动设计
教具设计涉及到相关技术结构的有效性和可行性，这是需要通过试验来验证的，唯有试验可行才能为教具设计搭好必要阶梯。当然，如果遇到试验受阻，这时就需要从材料选择和结构设计上进行相关研究，直到达到设计要求为止。如果反复试验后不能通过，那么就要调整设计思路，另辟蹊径。
6、功能挖掘，提升实效
教具的价值很大程度上体现在使用功能上，包括基本功能和添加功能。作为一个主题下的教具设计，如何完成基本功能是研究的重点。积极拓展添加功能是教具研发中需要增效的设计思路，以期实现一具多能的设计效果。
7、制作预设，到位设计
“三军未动粮草先行”，看似设计阶段是需要未雨绸缪的，把制作的可行性进行充分论证，更利于教具的高效设计和制作预设。包括关键技术的试验、图纸的数据化和材料的选购、加工方法等都需要在设计阶段进行预设，努力达成万事俱备的设计效果。
8、统筹安排，事半功倍
为了提高设计的效率，不管是时间安排上，还是研发策略和研发流程等方面都要进行统筹安排。完善设计的过程是不宜急于求成的，而应该潜心研究、用心攻关。努力实现在有效的时间里完成更多的进度。
五、制作完善——统筹教具制作的基本方法
制作环节应该是万事俱备只欠东风的阶段，前期的预设为制作的有效推进搭建了桥梁。制作阶段要做的就是核查图纸方案的可行性，积极选购相关材料，尝试自主制作和外援制作的有效协调，侧重于制作过程中的不断修正，努力推进教具完型的达成。
1、核查图纸，确保完善
制作是依据图纸进行的，图纸的到位设计可以为教具制作保驾护航。图纸结构的合理性和有效性，图纸尺寸的精确性等都是需要充分检查的，尽量少走弯路。
2、材料选购，价廉物美
材料的选购虽然设计阶段已经有所预设，但是到了制作阶段，材料会较多购买。购买材料时，需要在不同制作阶段进行相关选购。在材料多的时候，需要用笔记记录，选购的基本原则是价廉物美，物有所值。
3、自主制作，统筹外援
教具设计和教具制作是一对协同体，它们都是需要研发者全程参与的。一般性自主制作需要选购电钻、切割机和工具箱等，自己可以做的坚持自己做。对于板材加工，木工制作，特殊材料加工等需要提前联系，以精确图纸为基本，交代制作要求，及时检查制作样品，一步到位是追求的目标。
4、及时修正，保质保量
教具制作过程中，应该遵循对制作问题的首先发现，首先解决的原则。避免制作后的问题堆积，在制作中及时修正制作进度，确保制作过程的合理推进。以实现较短时间实现更多的制作，避免制作重复，避免材料浪费，教具制作才更有价值。
5、有条不紊，有序推进
教具制作过程中，为了避免制作延期，实现高效制作，时间安排上要做好有序考虑。先难后易协同安排的制作原则，利用课余时间和业余时间进行制作，以不影响科学教学工作，不影响制作质量，劳逸结合的制作风格是值得倡导的。
六、检验应用——完备教具应用的基本路径
自制教具做得好，还要看用得好，因此对教具的检验应用既是教具设计的成果，更是对教具设计的改进和修正的过程。教具检验是基于现象和数据，基于过程和收效进行深入浅出的验证，将会使自制教具增光添彩。
1、反复测试，收集数据
教具的测试坚持在反复测试中不断收集数据，检验教具的使用稳定性，数据可靠性，过程简约化等都是检验的重要项目。通过数据、现象和效果的分析为教具的修正收集一手证据。
2、核对数据，鉴定效果
每一件教具在设计之初都有预期效果，设计的过程中在不断靠近预期效果，制作成型后还要对实际效果和预期效果进行核对。当实际效果高于或低于预期效果时都要查找内在原因，明确教具的试用效果和问题来源。
3、有效调整，推进完善
测试数据和经验感知的积累，为教具结构调整和使用方法的更新提供了直接的经验。在对原因的分析中，找寻问题症结，然后进行相应的调整和修正，使教具不断完善。
4、教学应用，鉴定实效
经过测试，对教具的基本数据和现象有了把握以后，教学应用正当时。针对实验教学任务的具体要求进行落实，考虑学生的操作水平，以及教具的基本特点进行权衡和推进。尤其是对实验现象和数据进行教学鉴定，为教具在教学中的使用实效提供有力证据。
5、反思应用，再次修正
试验和应用是教具推进的两个抓手，对试验应用的过程中获得的现象和数据进行分析和纠错，在结构微调、使用方法和教学落实上修正教具应用的相关细节和措施，使教具应用落地生根。
《光》单元三套自制教具的研制活动，经过多年的持续研究与突破，自制教具活动获得很好的效果。《光》单元自制教具研制活动是不会停止脚步的，将在不断实践中去检验和反思自制教具，然后针对具体出现的新问题进行再思考、再加工，以期不断修正和改进《光》单元自制教具。
附件1：自制教具：多功能光学实验盒 http://lt.zjxxkx.com/showtopic-20930.aspx
附件2：自制教具：光影实验套件http://lt.zjxxkx.com/showtopic-22390.aspx
附件3：自制教具：光吸热实验套件http://lt.zjxxkx.com/showtopic-22391.aspx
参考文献：
[1] 教育部：《科学（3-6年级）课程标准》.北京师范大学出版院社.2001.7，第1版
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