研制有理，探知有效
——浅谈小学科学教具的研制与应用
萧山区汇宇小学 沈 洋 萧山区市北小学 俞华正
【摘 要】 自制教具是教师在深入理解教材,充分了解学生,精心设计教学过程这三者之后的产物,是师生为改进教学方法，就地取材，创造性构思后制作的教具，是提高科学探究有效性的支撑与补充。随着课改的不断深人，新课标对科学实验提出了更高、更新的要求，现有常规教学仪器不能完全满足新课改的要求。教师自主开展教具研制与实践应用，必将对提高探究有效性发挥辅助作用。本文阐述我校科学组在教具研制活动中实施钻研教材，发现问题，精心选题；查阅资料，设计方案，二度研发；巧选材料，创新制作，实验验证；教学应用，总结经验，推广应用四个实施步骤，借以提高科学探究的有效性，促进学生科学素养的提高和教师自身专业技能的提升。
【关键词】 教具研制 探究 有效性 实践
教具是教学中不可缺少的物质手段，对实现教学目标、提高教学质量具有十分重要的作用。现代认知理论告诉我们：人的视觉、听觉、触觉等感官在认识世界的过程中扮演着独具特色的作用。科学的再现、形象的展示和过程的体验是重要的学习手段和环境，对于理解、分析、记忆、探究都十分重要。我们的课堂要丰富多彩，教学活动要生动活泼，教学质量要不断提高，都需要实验仪器设备和教具的有力支持。而目前的科学教材仍处于实验阶段，上课用的实验教具单纯依靠材料箱配备是不够的。因此，开展师生自主研发教具活动，努力提高科学探究实效性显得尤为重要。
一、钻研教材，发现问题，精心选题
1．钻研教材，理解教材编写的原意图。自制教具的动机常源于教材。钻研教材，就是依据实验内容及其它为了说明、阐述某事物的性质规律的内容作为研究起点，考虑重点问题的突出，难点问题的突破，针对教材中设计的不足甚至空白，结合自己的设计理念，形成初步构想。因此，钻研教材是自制教具的开端。
新课改背景下，教师在教具研制之前，
必将经历对学生、教参与教本的深入研读过程，充分理解教材中每次探究活动的设计意图，分析每个探究环节中的利弊关系，为自己发现探究材料或教具的改进点、创新点、生成点，形成内容上的着落点。例如：教科版科学五上年级《沉和浮》单元中的《物体在水中是沉还是浮》一课中，教材设计了“观察同一种材料构成的物体在水中的沉浮”实验（图1），教材设计中建议用“橡皮、萝卜、回形针、小方木”作为材料，通过改变同种物体的体积和重量因素；探究同一种材料构成的物体在水中的沉浮与它们的体积和重量改变没有关系，只与其密度有关。这样设计是让学生自然的带着问题“那到底跟什么因素有关呢？” 进入下一课《沉浮与什么因素有关》的研究。这个实验的重点在于让学生进行分组实验研究，然后去自主的发现实验的现象，从而获得结论。材料的切分不是实验过程的教学重点，选择橡皮和萝卜是考虑学生熟悉的材料。
2．发现问题，剖析教材设计的不足点。
教师在钻研教材中的实验设计时，往往会发现有些探究类教具无法在仪器室找到，有些难以让学生规范操作，有些会出现干扰实验顺利进行，有些会出现操作安全问题等。这是进行教具研制的着落点。教师根据自身已有的教学经验，在教材研读中发现的预感问题，进行课前的剖析，并作适当的教学调整，然后进入课堂实践检验，为教具研制活动提供有价值的预选课题。
例如：上面提到的“观察同一种材料构成的物体在水中的沉浮”实验：让学生用美工刀对橡皮和萝卜进行平均切分，通过对教材和学生剖析，发现如下问题：
问题一：“一半、四分之一、八分之一”平均切分，这是学生无法完成的操作，即使是老师，也无法在有限的课堂探究时间中标准的将橡皮、萝卜进行平均切分。
问题二：萝卜的形状是不规则的，你又如何去平均分，橡皮也比较难切。
问题三：本实验的设计重点不在于平均切分物体，而应将更多的时间放在“预测、验证、观察和现象分析”环节中，如果真的按教材设计中的要求操作，那会占用更多的实验时间，影响探究效率。
问题四：利用美工刀平分切割，没有预先的安全与技术指导，会出现操作危险。
问题五：“更小”一词的表达不够科学，因为某些物体的体积达到一定小的程度时，原本在水中是沉的物体，它会由于水面张力的作用而浮在水面上，对实验结论形成现象上的冲突，从而影响探究有效性。
根据上述问题分析和课堂教学反馈，以上问题的确影响了实验的有效探究。如何根据发现的问题，对材料进行有结构的建构，自然成了教师开展教具研制的必要课题。问题式的研究除了在课前环节中进行，其实在课堂的教学实践中能产生更多的不利于有效探究的问题，形成值得开展教具研制的子课题。
3．精心选题，确定需要研究的子课题。
在教学实践中，针对某种实验方法、实验装置或仪器存在的现象不明显，操作复杂，搬动、使用不便，易造成环境污染，实验成本高等缺点，教师从中选定研究的子课题。根据课题产生的时间阶段，一般教具研制的子课题可以产生在课前教材钻研过程，课堂教学实践过程，小实验教学过程以及课后探究活动中。
（1）课前研读教材中产生子课题。上文中提到的“观察同一种材料构成的物体在水中的沉浮”实验中的问题，我们可以确定研究的子课题即《简易“组合·拆分”积件在验证物体沉浮现象与其大小、轻重关系的研究》。
（2）课堂教学过程中产生子课题。结合课堂教学,有目的地对一些实验设计和仪器进行“挑刺”,启迪和指导学生一起对实验进行创新改进。例如：教科版科学五上年级《橡皮泥在水中的沉浮》一课教学中（图2），橡皮泥放到量杯中的排开水量值为25毫升，让人产生疑问：实验中量杯的刻度间隔值有50毫升，液面从直观观察中只能说接近于200—250毫升之间，而且量杯的口径大，凹液面也大，刻度观察以凹液面的底部为准，这种情况下的数值能精确的表达为25毫升吗？这里是否可以产生值得研究的子课题《如何有效测定不规则物体排水量的装置设计与研究》。
（3）小实验教学过程中产生子课题。结合探究性小实验的教学,启迪和指导学生对实验进行设计和仪器的制作。例如，结合科学五上教材中出现许多次测定物体进入液体中不同情况下的排开水量、浮力、拉力等科学数值，分析实验中存在操作环节上的各种误差因素，是否可以产生值得研究的子课题《有效测定物体排水量、浮力、拉力、重力的组合式装置设计与研究》，从而有效减少误差，实现探究有效性。
（4）课后探究性活动中产生子课题。课后与学生一起结合实验室仪器不足的普遍问题,指导学生一起对一些仪器进行仿制、复制或创新组装改进，形成相关的研究子课题。
二、查阅资料，设计方案，二度研发
1．查阅资料，收集匹配的研制信息。
根据选定的子课题，通过图书、网络等渠道查阅资料，学习别人的成功经验。同时，试试“鸡蛋里找骨头”，看看别人的设计是否存在不足，能否作进一步改进或仿制一件。这样，不仅可以充实实验教学内容，还能提高教师实验研究和教具制作的能力。同时，在仿制的过程中还能发现更好的研究子课题。
2．设计方案，形成有效的研制方案。
在前期资料收集处理的过程中，开始撰写详细的教具研制方案，具体内容主要涉及以下项目：
（1）研究的子课题名称；
（2）参与研制的人员；
（3）研制的教材内容与问题剖析；
（4）研制的价值与意义；
（5）研制的材料与来源；
（6）研制过程安排（包括时间、场地、分工、进度等子项目）。
（7）教具的预期设计简图；
（8）备注（过程性调整设计方案的补充说明）等。
3. 合作论证，开展深入的二度研发。
研制方案形成后，为了减少不必要的弯路和浪费，进行网络搜索是否有类似的设计。如果没有，那最好与同行或资深教师进行必要的交流，帮助发现设计中存在的知识性错误或缺陷。经过师生、师师间的合作论证，开展深入的二度研发，形成教具研制的有效方案。
三、巧选材料，创新制作，实验验证
1．巧选材料，降低制作成本。
我国物理教育家朱正元教授曾提出“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”的主张。因此，在巧选材料方面，首先要养成材料常态收集的习惯，平时通过以下途径进行材料的前期收集，从而适当降低制作成本。例如：从师生家中的抛弃物，校内装修或仪器室报废材料，学生配备的学具材料中收集等；其次是建立材料堆放处理空间，将师生收集的不同材料，根据不同材质、大小等进行有序分类，方便选用，节约材料准备的时间；最后是制定材料收集评价制度。根据学生的年龄特征和实际能力，以及学区家庭情况，指导学生明确收集哪些材料，如何去处理材料，如何了解材料的用途，让学生在收集的过程中提前了解材料的特征与用途，为后续制作做好材料准备。
2．创新制作，提高探究效度。
教具研制从开始钻研教材到设计方案，最后到制作成有效的成品，需要一个循序渐进的过程。首先，要根据教学的需要，设计出教具应解决的实际问题和结构原理；其次，根据设计思想，选取最适合的材料；再次，在制作上还要考虑方法、工艺等操作过程中的实际问题；最后，还要在每个制作环节中考虑教具的有效性。在此基础上翻阅参考资料，提出改进方法或创意。在教具的组装或制作过程中,主要检验难易程度,进一步检验课题或方案的可行性和科学性，这一过程直接影响到教具的课堂应用与推广价值。例如：在教科版科学五下年级《沉和浮》单元中的图示实验装置，根据实际教学中出现的问题，我们可以构思以下创意点：
（1）将液体容器改为生活中的透明塑料容器，例如：白酒的包装塑料盒，降低成本。
（2）将容器底部的定滑轮用皮圈密封固定在容
器底部中心位置，教材设计中的橡皮泥是无法固定定滑轮。
（3）将泡沫换成标有分段线的长条形塑料圆柱体，里面为空心，可以改成自身重量（即沉和浮），同时容易确定下沉或上浮的位置，便于实验的同条件反复验证。
（4）在容器的一定高度侧壁钻孔，装上塑料阀门，改变倒和吸的方式将排开的水量取出，通过阀门控制将排开的水量直接流入量筒。实验时将容器内的液体高度与阀门口底沿对齐后关上阀门，测排开水量时只要打开阀门上升水位流入量筒即可读出数值，减少实验的误差，节约操作的时间。
（5）将手提测力计改成用定滑和铁架台装置，将测力计提环的细线绕过定滑轮钩到铁架台上端的定位棒上，避免手拉测力计的晃动现象，提高数值的有效性，同时还便于学生观察数值。
通过以上创意的植入，实验装置（图3）可 以运用到《沉和浮》单元的全部实验中，充分提高实验探究的有效性和准确度。
3. 实验论证，检验教具优劣。
教具制作完成需要进行实验论证，通过师生反复试验，逐项检验装置设计的科学性、安全性、稳定性等因素，发现异常或不满意的环节，仔细查找原因，及时采取补救措施或进一步改进，直至达到探究应用的最优化。当然，要研制出一件(套)集科学性、安全性、实用性于一体，具有较高应用价值的好教具，除了要具有较高的专业水平和较强的动手能力外，更重要的是在平时的学习和工作中，协同学生养成善疑多思的好习惯，这是从发现教具研制课题到走向成功的必要条件。
（四）教学实践，总结经验，推广应用
1. 教学实践，追求探究活动的有效性。
（1）教具在新课导入中激趣。
好奇作为思维和兴趣的先导,是学生思维上的一个特点。在新课导入环节中，利用教具适时演示，有意识的创设好奇情景，能充分激发学生的求知欲。例如：在讲述“空气占据空间”一课时，根据课程特点，选择玻璃水槽、透明蜜饯瓶、透明胶、乒乓球等制作一个“空气占据空间”演示器。新课开始,出示自制教具(学生惊讶：老师要干什么?)，接着老师演示：一手握住塑料瓶底部（一手指抵住瓶底小孔），竖直倒扣于浮在水槽中的乒乓球上面，用力向下压至水槽底部，乒乓球浮在接近瓶口处，瓶中进少量水，接着像玩魔术一样，另一只手加以指示（松开抵住瓶底小孔的手指），瓶中的水慢慢往上升，最后乒乓球升到了瓶底，把学生带进一个奇妙的境界。顿时，学生的注意力都集中到了一起：老师真有这么大的本事？此时不失时机导入新课：“同一个塑料瓶把乒乓球扣在水中，为什么会出现不同的情况呢？”这样，利用自制教具创设好奇情景，因势利导组织教学，对于激发学生求知欲，提高探究效率具有很大的帮助。
（2）教具在探究过程中辅助。
演示实验主要是把要研究的现象展示在 学生眼前，引导学生观察、思考，配合师生、
生生讨论完成探究活动。它是一种直观有效的教学手段。自制教具最大的一个优点是对其研究的情景现象起着放大、直观的作用。例如：在教科版科学五上年级探究“运动与摩擦力”现象中，就可以用教师自制教具——摩擦力对比演示器，通过摄像头跟踪测力计刻度变化，在大屏幕上放大视频，从而克服常见固定仪器可见范围小的缺点，便于学生观察与读数。这样的教学突出了以生为本的教学思想，提高探究的有效性。
（3）教具在课外探究中的拓展。
培养学生良好的实验习惯是提高科学素养的基础。有资料显示：大多数学生乐于接受老师采用实验的方法上课，并且也想体验实验的过程，但由于受材料缺乏的影响而不能动手操作，这需要老师的指导和帮助。例如：在教科版科学五年级《热》单元中“液体的热胀冷缩”一课教学后，鼓励学生课外收集材料（玻璃瓶、橡胶塞、透明塑料吸管、颜料水等），制作学具“液体热胀冷缩演示器”，共同探究液体的热胀冷缩、气体的热胀冷缩等实验，从而理解为什么生活中的液体包装都没有装满，夏天的自行车轮胎不能打足气等生活现象。这样，在教学中利用自制教具鼓励学生模仿、创新制作学具，注重科学探究精神的培养，巩固课堂探究的知识。
2．总结经验，撰写教具研制的小论文。
经验总结是教具研制的升华阶段，在这一环节中，教师可以对前期的活动进行理性的分析，内化为自己的实践经验。这样既可以进一步提高教师的教学科研能力，同时对下一阶段的教具推广应用做好理论的解读。例如：总结研制的过程，制作中遇到的困惑分析，教具使用的方法，教具相关的实验设计等。
3．推广应用，实现自制教具的生命力。
通过实验能再现人类探索的漫长历程，认识人类探索的途径、方法和结果。研究表明：学生获取信息的过程常常离不开具体事物的支持，作为科学的探究更是如此。可是，学校实验仪器配备中，能适应新课改教育理论的仪器设备并不多。新课程的综合性和生活化、整体化、情景化的特点为教师专研教材教法、潜心实验教学研究提出了更高的要求。课程资源无处不在，只有用心探索，悉心教研，制作更多、更精良、更实用的教具，以弥补现有教材和教具的不足，才能体现新教材、新课程的优势。在新课改背景下，自制教具依旧是一种重要的课程资源，尤其在农村学校更加彰显其优越性。
三、自制教具的多维效应
1. 教具研制过程能培养学生科学创新精神和探究能力。
在“以人为本”、“可持续发展观”的新教育理念指导下，培养学生的创新能力和关心社会、热爱自然的科学素养，已成为现代教育的一大目标。在教具研制过程中，利用生活中易得的物品或废旧材料充当实验器材或稍作简单加工制成教学具，并应用于实验探究，这本身就是对学生进行创造性教育。由于学生熟悉所用的自制教具，自制教具所体现的“一物多用、废物利用、借用它物”等思想，正是启迪智慧、开拓思路、调动学生创造性思维的钥匙。教师有意识地、经常地对学生进行借题引导，学生的创造性得到较好的训练和开发。自制的科学教学具都比较简单，其特点是就地取材、易制易修。这就决定了它们在教学过程中大可放心地让学生充分接触，不怕学生损坏。教师包办代替的成分减少，学生动手探究的机会增多。在具体应用过程中，学生将不断地发现问题，解决问题，不断积累直接经验，增长实践才干，提高探究能力。
2. 教具应用过程能激发学生科学探究兴趣和研制热情。
新课标特别强调课程对学生兴趣情感方面的教育功能。教师用学生熟悉的身边材料建构新的教学具来创设学习情景，学生能够从“知”的环境中发现“未知”，学生原有的认知与当前面临的现实产生冲突，从而使学生产生探求新知识的强烈愿望。由于自制教具所用的材料大都源于生活，用它来呈现科学现象，探索科学规律，学生感到十分亲切，感到科学就在自己身边，从而消除或减弱对“科学”的神秘感和畏难情绪，从而更加提高师生合作研制教学具的热情。
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