以科学探究为先导 推进教具的设计与研发
——浅谈小学科学自制教具的策略研究
萧山区朝晖小学 金亚军
【内容摘要】自制教具是小学科学教师的一项神圣使命，对改良和提升探究实验器材有着积极的意义。我校经过对自制教具多年的的实践研究，总结了自制教具行之有效的研发策略。关注细节，凸显演示，突破难点，强化概念等方法作为教具制作有效灵感源。提炼出教具的构思设计、教具的取材制作、教具的试验调试的自制教具的过程策略。
【关键词】 灵感获取 构思设计 取材制作 试验调试
一、自制教具的内在需求
随着科学新课程改革的推进，全国上下掀起了科学教育的改革热潮。新课程针对我国现行教育存在的问题和借鉴国外教育的先进经验，再结合我国实际而进行的一次有意义的改革。新课程明确提出科学教学要以科学探究为核心的指导思想，而科学探究离不开实验教学，实验教学又离不开教具学具的使用。作为一线科学教师，在平时的教学中，教具学具的短缺成为实现探究实验教学的瓶颈，就会出现巧妇难为无米之炊的尴尬场面。
[案例一]探究实验“拉力大小与小车的运动”（人教版小学科学五上年级《运动和力》单元）
这一课是对学生进行科学探究实验教学的良好教材，但是在具体实验操作时就会产生一些操作难题。
问题一，学生的计时动作需要一定的训练。作为一名没有实际计时能力的学生，没有经过计时训练是很难达到准确计时的能力要求。所以在实验探究前，老师还要花一定的时间来做专门训练，这样就浪费了不少宝贵的课堂时间。
问题二，经过训练的学生计时的准确性不够稳定，原因和学生的手动计时有直接的关系。因为学生在合作计时时，小缆车的起始到终点的确认时，学生是靠估计进行计时的，所以测量出来的数据误差较大，且数据不一。这给学生的数据化实验探究带来一定的干扰。
问题三，小缆车的行驶路线很难准确控制，也使实验带来了不稳定因素。因为小缆车没有专有行驶跑道，学生在放车时，稍有方向偏差，就会使小缆车偏离直线行驶的跑道。这时还会导致小缆车到终点的行程变长，行驶时间也会因此变长，使实验数据缺乏可信度。
对于这样的难题，在实验教学中是有典型代表的，原因就是配套教具的缺乏，所以自制教具就成为解决这一难题的有效途径。
二、自制教具的重要性
教具是教育教学中不可缺少的物质手段，对实现教育目标、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学习环境，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，教育教学活动要生动活泼，办学水平和质量要不断提高,都需要实验仪器设备和教具的强有力的支持。仅凭一块黑板、一支粉笔和一本发黄的教案就能年复一年教书的局面早就一去不复返了。面对当前深化教育改革、全面推进素质教育的新任务,面对更加关注内涵发展的基础教育改革与发展的整体要求,教具的作用就显得更为重要了。需要我们结合学科具体的教学内容、结合学生具体的认知特点,做深入细致的工作。既要加强仪器设备的配备工作,又要积极开展自制教具,让教具在中小学教育教学中发挥更大的作用。
新课程标准的实施,涉及教育思想、人才培养模式、教育内容和教学方法等方面的改革,也必然涉及到展示手段、再现方式、实验内容、实验模式等方面的改变,对教学实验仪器和器材会提出新的要求。设计制作相应的教学实验设备已成为新课程实施和完成上述改革的必然内容和必要条件,在这方面成品教具永远是滞后的。 开展师生共同参与的自制教具活动,在加强和改进实验教学、提高教学质量方面所发挥的作用也是勿容置疑的。
作为一名教师,自制教具应当是一项基本功,实验操作及教具创作应该成为教师培训的重要内容和优秀教师的条件之一。
对于基础教育而言，师生的创新精神和创新能力既是教育教学质量的成果，也是教育教学质量的保障，自制教具完全可以在其中扮演重要角色。开展自制教具的核心是创新，自制教具的发展也是创新。中小学中最主要的科学实验活动就是教学实验。
自制教具不只是为弥补当前教学仪器经费不足的一种权宜之计，即使学校的仪器设备采购经费有了充足的保障，也仍然要提倡自制教具。著名科学家李政道博士在参观一所中学时曾经说“自己做的仪器永远比买来的好”，从一个侧面说明了自制教具的地位和作用。
三、自制教具设计与研发的策略研究
自制教具的设计与研发是对科学教材的深入发掘，更是对科学探究实验器材的有力充盈，为科学探究实验的开展提供有力保障。这是时代给予我们一线科学教师的神圣使命，而自制教具也应成为科学教师的必要技能。只有这样才能实现教学实验教具的提升和完善，从而提升小学科学实验教学的内在价值。而实现自制教具的过程包括灵感的获取、教具的构思设计、教具的取材制作和教具的试验调试四部曲策略。整个实现过程需要科学教师对探究实验教学的执着，更要有不达目的不罢休的精神支撑。
（一）自制教具的灵感获取
进行自制教具需要有良好的素材，同时也需要教师有发现的眼光去获取创作灵感。要求教师能做实验教学的有心人，要善于发现实验教学中的难点，进行有针对性的思考，就一定能找到创作的灵感,而这是进行自制教具的有效前提。
1、关注科学课堂探究中的点滴细节。细节决定成败是现代社会必要的发展原则，作为新课程背景下的小学科学探究教学，同样需要对探究教学中的细节问题进行有效研究。关注细节，锁定细节，突破细节是自制教具灵感获取的必要途径。
[案例二]自制教具：便携式电路检测器（人教版小学科学四下年级《电》单元）
电路检测器是本单元教学的一个重点，它是一个最简单电路，是学生在学习电路中的一个产物。电路检测器的出现可以解决两个问题，一是检测故障电路，二是检验导体和绝缘体，也是探究这两课中不可或缺的检测仪器。学生对于电路检测器很感兴趣，在进行故障电路检测教学后，学生不仅知道电路检测器的原理，而且知道电路检测器的神奇用处，还真有点爱不释手的感觉。
但是在关注第五课导体和绝缘体一课时，却发生一个意外。课前教师将小学科学教具工具箱中的电路检测器分发给各个实验小组，同时用于探究检测的木块、铁块等材料分发给学生，另外还预设学生用电路检测器检测桌面、衣服、铅笔、橡皮、塑料笔等。进课堂教学前，老师很有信心的进行了课堂组织。经过实验方法的有效交流，学生明白后就放手让学生进行实验。正当学生们饶有兴趣地进行的实验当中，意外发生了，有些组已经完成了教师预设的检验任务，竟然向老师提出能否让他们组对教室中的物品进行检测。这有些出乎老师的意料，老师看到学生有如此强烈的探究欲，于是就放手答应了学生的要求。接着有时间的学生组就开始对教室的墙面、黑板、窗户、玻璃和家具等进行检验。但是，就在学生进行班级物品检测中，教师发现学生拿电路检测器很不方便，有的组将电路检测器握在手心，也有的分工合作，一人拿电路检测器一人用检测头进行检测。虽然课堂上也没有出现大问题，但是看着学生如此不便，心中难免有些疑虑。课后教师把这个疑虑记在心里，心想要是有一个便携式电路检测器那该多好！经过进一步思考和研究，教师从学生佩戴的儿童电子手表上受到启发。于是就产生将电路检测器安装到了玩具手表上的创意，便携式电路检测器的灵感就此油然而生。
2、有效提高科学课堂的直观演示性。科学课的探究教学需要学生的实验探究，但也需要教师的演示实验。当学具数量较多或者学具制作方便的情况下，应尽可能的满足学生探究实验的需要。但教师的直观实验演示也是一种很好教学手段，而提高教具的直观性也是自制教具中一条有效途径。
[案例三]磁悬浮列车教具（人教版小学科学三下年级《磁铁》单元）
磁悬浮列车是根据磁铁的同极相斥原理进行构思创作而发明的，它是现代化交通工具的象征，它被称为在跑道上行驶的飞行器。对于学生而言，这种交通工具是非常神秘而又充满好奇的。对于磁铁单元，在三年级学生的教学中学生始终充满着激动和向往。
磁铁的同极相斥、异极向吸的原理探究中，教学中教师先让学生玩一玩两块磁铁，学生在玩的当中自然会发现磁铁之间具有排斥和吸引两种现象，接着教师和学生一起探讨和交流实验探究计划。计划包括在两块磁铁的两端分别标上A、B、C、D作为标记，然后推导出两块磁铁接触的四种排列情况，接着放手让学生进行实验探究。经过实验，学生得出了相应的结论即磁铁具有同极相斥、异极相吸的特性。在接下来的教学中，根据科学源于生活而应用于生活的教学原理。教师就会和学生一起拿着刚才得出的磁极原理来探究生活问题。而磁悬浮列车就成为探究生活中磁铁磁极问题一个典型案例。
对磁悬浮列车的教学中，教师往往有磁铁磁极原理导入。再借用图片或视频等直观材料对学生进行演示说明。在原理导入时，往往通过磁极原理的简单表述或者通过圆片形磁铁进行同极相斥的演示来导入。但是就从这里产生了疑问，简单原理能否引申出磁悬浮列车相对庞大而又较为复杂的原理呢？能否达到有效迁移呢？最后的问题是是否能给学生有更有效的演示教具呢？于是设计磁悬浮列车模型的灵感就此产生。后来经过再三思考，又找到了2cm×1cm×0.2cm的强力磁铁。接着利用强力磁铁拼装轨道的方法，师生合作数月完成了磁悬浮列车模型的制作。
3、以探究实验的难点突破为出发点。探究实验是学生进行科学学习的有效载体。在实际探究实验教学中，往往会出现教具使用中的一些难点问题，而探究实验中的难点突破自然成为教具设计灵感的重要途径。
[案例四]小缆车时速测量装置（人教版小学科学五上年级《运动和力》单元）
小缆车时速测量装置的灵感由来同样源于探究实验的难点突破。在小缆车探究实验的教学中，总会出现一些难以解决的问题。包括学生的计时训练、学生计时精度和小缆车行驶路线等难题。而这些难题也一直困扰着探究实验的高效性，当教师用传统方法进行教学时，总会遇到实验操作繁琐和实验数据精度差等问题，这成为此课教学的难点困惑。对于这样的问题，有时我们都会发出有没有更好办法的感慨，大家都会期望着有一个计时简单有效的实验工具。这就是灵感的普遍性，教师如果坚持始终如一的探究精神，再对秒表和跑道进行深入研究，得出秒表计时开关接口可外接等方法，小缆车时速测量装置的灵感模型就会逐渐清晰浮现。
[案例五]数字化建筑原理器（人教版小学科学六上年级《形状与结构》单元）
在对《形状与结构》单元中《建高塔》进行教学时，也会出现一个实验的难题。引教材的教学思路，准备的材料以塑料瓶为主要材料，还可以准备细沙、水等材料。教学中，虽然这些材料也可以勉强实现教学目标，但是实验过程总有些粗糙和不科学性。如进行上小下大稳定性好的原理教学时，一般直接利用塑料瓶进行实验，将塑料瓶大头朝下稳定，塑料瓶瓶口端朝下就不稳定；进行上轻下重稳定性好的原理实验时，一般是在塑料瓶底盛放沙子或水，然后进行实验得出底部加重稳定性好的原理。仔细端详，其实这样做实验实在有些粗糙，而且在进行稳定性检测时也只是用手指拨动的方法进行，也就是仅仅凭着一种初略的感觉在判断物体的稳定性。这样的实验因为实验设计的粗糙，而有背于科学的严谨性和科学性，对学生科学概念的形成都有一定的负面影响。
这就是这一课的存在的难题，难题解决的灵感思路就是设计制作一个相对标准的实验工具。实验工具基本的原理灵感来自平时实验中用手拨塑料瓶的创意，于是设计用挡板代替手，用螺杆旋转推动挡板移动，然后再设计移动指针和刻度将移动数据加以呈现。另外再设计大小模块和轻重模块，作为标准实验模块，从而实现实验的标准化。
4、紧紧围绕科学概念的有效生成。科学概念是科学探究活动的结晶，对于学生的探究活动来说，既是探究的结果和目标，也是探究活动的活动主线。自制教具的目的更是为学生科学概念的有效形成提供材料保障，而关注学生科学概念的有效生成，也是自制教具的创意来源。
[案例六]数字化撬棍原理器（人教版小学科学六上年级《工具和机械》单元）
这一教具的设计源于《工具和机械》单元中的《杠杆的科学》一文，教材开始就引用人撬石头的图片作为课堂导入。但是这一活动一般情况下学生很少有真实体验，于是教师就会想出很多方法进行课堂导入，有铅笔撬书的，有用木棍撬重物，也有的利用视频演示等，可谓活动丰富。虽然通过这些活动学生能较好体验撬石头的原理，但是学生仅仅是建立在一种比较粗略的或表层的理解。一般情况下，撬石头原理直到杠杆原理得出后，再回过来思考撬石头原理，学生也仅仅是借助杠杆原理的一种推理性概念而已。如何突破这一理解障碍，一直困扰着一线教师。
能否将这一活动利用数字化原理呈现于学生面前，就成为教师值得关注的问题。假设有一把秤能称出撬棍阻力点力量就行了，实际上这种电子秤网上购物已成熟。再将阻力点向上的力量利用下端定滑轮转化成向下力量，于是就可以实现阻力点的称重活动。就此数字化撬棍原理器的灵感模型也就初露端倪。
（二）自制教具的过程策略
有了自制教具的灵感，就有了自制教具的行动方向和创作思路。这是自制教具的有效前提，但是接下来就更需要教师对自制教具的执着行动。教师只有始终如一的努力践行，在摸索中前进，在拓展中深化，不断完善和改进自制教具的有效生成，才能实现自制教具的预设目标。自制教具的实现过程包括教具的构思设计、取材制作和试验调试。
1、教具的构思与设计。教具的构思与设计源于实验设备的短缺，源于探究过程的有效生成，源于教师对教材的一种审视和升华。所以教具的构思要关注实验过程，更要紧紧围绕实验设备的完善进行构思。
作为自制教具的构思，主要遵循目标下的有针对性的有效研究，在确定远景目标的前提下，寻找和探寻得以实现的阶梯，然后逐个击破，步步为营的策略。
设计中对教具设计环节的可行性进行有效研究，甚至选材和经费上都要有所考虑。还要对设计方案进行图纸化，在构思中不断完善和改进，直到达到设计要求为止。方案图纸化不仅可以理清设计思路，还可以为教具制作提供具体尺寸方案。
值得强调的是教具的构思与设计是实现整个自制教具过程中的关键因素。小缆车时速测量装置的构思与设计主要包括自动计时装置、滑道设计、起始开关、终点开关和导向轨道等构思。其中自动计时装置是实现的有效前提，它为教具提供原理保障。
2、教具的取材与制作。自制教具的取材和制作，必须建立在自制教具的完善构思与设计之上。针对预先的周到设计和精确图纸描绘进行统筹安排，就为教具制作指明了方向。这样可以减少选材的弯路，也可以节省不少材料和经费。实际的教具研发中，材料往往在构思与预设时就可以基本确定材料，同时对制作的可行性都要有比较全面的掌握。具体进行选材和制作时，基本上有了相当的把握。
教具的取材，要求教师对教具制作材料进行选定，然后可以到各种建材市场进行选材，购买时还要考虑价钱因素，尽可能买到价廉物美的材料。
教具的制作，要注意分清主次，首先要突破重点难点，然后再围绕重点难点进行展开。制作时，有必要求助外力进行制作，如熟悉的木工、铁匠工、油漆工等。当然教师自己要做好有效指导，努力实现教具制作的有效和到位。
另外，教具制作中还要注意教具即能实现预期功能，还要对教具的外形美观下一些功夫，努力实现即实用又美观的理想效果。
3、成品的试验与调试。教具基本制作完成后，对教具的试验和调试也是一条不可或缺的环节。教具经过初步制作后，难免有功能上的缺陷，而试验和调试可以有效解决这些问题。
在试验和调试中，首先要明确教具制作的实验功能，然后进行有的放矢地反复试验。教师还要进行数据的收集和记录，有时还要借用简单的仪器设备来检测。最后将实验数据和实验要求进行比对，达到要求后就说明教具制作成功。如果教具设计没有达到要求或者有一定误差，就还要对教具进行调试甚至改造，直到教具制作达到设计要求。
自制教具是小学科学教师的一项神圣使命，努力完善和充盈教学实验需要，为小学科学的探究实验插上有力的翅膀！最后引教育家夸美纽斯的名言与大家共勉！
要让教师因此而少教，
要让学生因此而多学，
要让校园充满欢乐！
——捷克教育家夸美纽斯
参考文献：
（1）小学科学课程标准 北京师范大学出版社
（2）教育部基础教育二司李天顺 在全国优秀自制教具评选活动颁奖大会上的讲话
（3）萧山区教学研究室科学教研员何树德 教具制作与实验改进PPT讲稿 2009.9.22
[此贴子已经被作者于2012-11-20 7:45:11编辑过]
