黃瑞

【摘? ?要】實(shí)驗(yàn)器材是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究式學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，對于達(dá)成科學(xué)學(xué)習(xí)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)起到關(guān)鍵的作用。但在教學(xué)實(shí)踐中，許多實(shí)驗(yàn)缺少合適的實(shí)驗(yàn)器材，導(dǎo)致學(xué)生難以通過實(shí)驗(yàn)活動有效建構(gòu)科學(xué)概念。對此，教師應(yīng)對其中的疑難實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新，使用“創(chuàng)新直觀化材料、優(yōu)化危險(xiǎn)性材料、整合結(jié)構(gòu)性材料、選擇生活化材料”等策略，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)材料；優(yōu)化創(chuàng)新；小學(xué)科學(xué)；核心素養(yǎng)

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確提出，科學(xué)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。學(xué)生須經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)方案、開展實(shí)驗(yàn)、交流討論、得出結(jié)論等過程，解決課堂中的核心問題，從而掌握基本的科學(xué)知識，形成初步的科學(xué)觀念，樹立基本的科學(xué)態(tài)度，提升自身的核心素養(yǎng)。科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動是學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)中十分感興趣的環(huán)節(jié)。所謂“工欲善其事，必先利其器”，這句話用在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動中很是恰當(dāng)。合適的實(shí)驗(yàn)器材是助力學(xué)生開展探究式學(xué)習(xí)，幫助教師更好地開展教學(xué)活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。

一、審視：小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)器材的使用現(xiàn)狀

在教科版《科學(xué)》的教學(xué)實(shí)踐中，部分實(shí)驗(yàn)缺少合理、直觀、有效的器材，阻礙了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與思考及對科學(xué)概念的有效建構(gòu)。

（一）操作復(fù)雜，觀察難度大

盡管當(dāng)前的科學(xué)實(shí)驗(yàn)教具正在逐步完善，但部分實(shí)驗(yàn)材料還存在操作復(fù)雜、觀察難度大的問題，導(dǎo)致學(xué)生在操作中無法直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，難以對問題進(jìn)行有效的討論，阻礙了科學(xué)概念的建構(gòu)。

（二）存在缺陷，安全隱患多

科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動必須要在安全的前提下進(jìn)行。但在實(shí)際教學(xué)中，許多材料都存在安全隱患，不僅不符合學(xué)生的操作程序，還會使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)操作產(chǎn)生恐懼感，阻礙后續(xù)學(xué)習(xí)進(jìn)程的順利推進(jìn)。

（三）環(huán)境限制，體驗(yàn)感差

在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對自然現(xiàn)象進(jìn)行觀察、思考和推測，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)能力的重要方式。但是，部分科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動受到自然環(huán)境變化的限制，使得教學(xué)無法按照原本的計(jì)劃進(jìn)行，導(dǎo)致單元學(xué)習(xí)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)，學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的體驗(yàn)感較差。

（四）脫離生活，遷移效率低

對于科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動，許多學(xué)生在課堂結(jié)束后都會感到意猶未盡，繼續(xù)探索的熱情很高。但是由于實(shí)驗(yàn)器材與實(shí)際生活聯(lián)系不足，學(xué)生的課后遷移效率較低，無法形成課內(nèi)外科學(xué)探究的有效聯(lián)動。

二、思考：小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)器材優(yōu)化與創(chuàng)新的著力點(diǎn)

針對當(dāng)前科學(xué)實(shí)驗(yàn)器材使用的現(xiàn)狀，教師需要思考解決的方法，對已有的器材進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，從不同維度尋找改進(jìn)的著力點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)利于“動手操作、保證安全、概念銜接、拓展延伸”，助力學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)。

（一）創(chuàng)新材料，利于動手操作

設(shè)計(jì)簡易、便于操作、有趣味性的實(shí)驗(yàn)材料，符合學(xué)生的年齡特點(diǎn)，有利于把復(fù)雜的過程簡單化，讓學(xué)生在體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)樂趣的同時，深入理解科學(xué)原理，有效建構(gòu)科學(xué)概念，熟練掌握科學(xué)方法，提升科學(xué)素養(yǎng)。

（二）優(yōu)化材料，利于保證安全

確保實(shí)驗(yàn)安全是科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前提，也是優(yōu)化器材時需要注意的部分。安全、可操作性強(qiáng)的器材能夠讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中專注于解決問題，消除恐懼感。這也符合他們的思維能力和操作水平。

（三）整合材料，利于概念銜接

教科版《科學(xué)》是以大單元、主題化的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在單元學(xué)習(xí)中對某一主題進(jìn)行研究時，如果能將前后不同的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行有效整合，就能縮短實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備時間，也有利于科學(xué)概念之間的相互銜接。

（四）選擇材料，利于拓展延伸

科學(xué)實(shí)驗(yàn)在某種程度上是生活現(xiàn)象的重現(xiàn)。對于教材中的疑難實(shí)驗(yàn)，如果能選擇生活中常見的材料進(jìn)行優(yōu)化，就更容易讓學(xué)生了解其中的科學(xué)原理，并在課后對本節(jié)課的知識進(jìn)行拓展延伸，開展可持續(xù)性的學(xué)習(xí)。

三、探索：小學(xué)中段科學(xué)實(shí)驗(yàn)器材優(yōu)化與創(chuàng)新的策略

基于上述現(xiàn)狀，以教科版《科學(xué)》三年級上冊為例，教師嘗試對部分疑難實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，并總結(jié)和梳理相關(guān)資料，提出能夠凸顯直觀效果、提高操作實(shí)效性的實(shí)施策略，幫助學(xué)生提升創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（一）創(chuàng)新直觀化材料，解決觀察難點(diǎn)

在教科版《科學(xué)》三年級上冊《水結(jié)冰了》一課中，教材要求學(xué)生用燒杯裝碎冰和鹽，開展使水結(jié)冰的實(shí)驗(yàn)，同時用手持溫度計(jì)持續(xù)測量水溫，并用橡皮筋標(biāo)記水位。然而，本實(shí)驗(yàn)裝置存在著較大的缺陷：碎冰的準(zhǔn)備過程費(fèi)時費(fèi)力，不能滿足班級多個小組的活動要求；碎冰加鹽所形成的環(huán)境溫度不夠低，導(dǎo)致結(jié)冰時間長，可觀察時間短；碎冰可視性差，學(xué)生無法觀察到水結(jié)冰的過程，使得實(shí)驗(yàn)的直觀性效果大大降低。為此，教師對實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行了優(yōu)化，即用冷凍后的飽和食鹽水制造低溫環(huán)境（如圖1）。常溫下，飽和食鹽水的凝固點(diǎn)約為-22 ℃。如果將其存放在冰箱冷凍室，能降低溫度，但不會凝固。此外，教師還將燒杯換成250mL的雙層玻璃杯，將珍珠棉作為杯蓋，減緩飽和食鹽水溫度升高的速度。在玻璃試管中加入水后，教師用橡皮筋標(biāo)記水面的位置，讓學(xué)生觀察水結(jié)冰過程中體積的變化情況。試管和溫度計(jì)還能插入珍珠棉杯蓋的中央，達(dá)到固定的效果，使學(xué)生無須用手拿著溫度計(jì)，使操作更加方便。實(shí)驗(yàn)中，雙層的玻璃杯在加入食鹽水后能起到放大效果的作用，學(xué)生容易觀察到試管和溫度計(jì)在水中的變化，極大提高了水結(jié)冰實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀性。

科學(xué)探究活動必須要有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)器材作為探究基礎(chǔ)?？茖W(xué)合理、易于操作的實(shí)驗(yàn)材料是科學(xué)學(xué)習(xí)成功、有效的關(guān)鍵所在。對水結(jié)冰實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)器材的直觀化、實(shí)驗(yàn)過程的簡易化、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化，解決了實(shí)驗(yàn)過程中的觀察難點(diǎn)。學(xué)生熱情高漲，在實(shí)驗(yàn)中聚焦關(guān)鍵現(xiàn)象，極大地提升了學(xué)習(xí)效果，有效發(fā)展了科學(xué)核心素養(yǎng)。

（二）優(yōu)化危險(xiǎn)性材料，助力安全探究

在教科版《科學(xué)》三年級上冊《我們來做“熱氣球”》一課中，學(xué)生需要小組合作利用塑料袋、蠟燭、紙筒來模擬制作一個熱氣球，并通過觀察、感受、記錄、討論，明白熱氣球升空的秘密。教材中的實(shí)驗(yàn)材料看似簡單，但在實(shí)際教學(xué)中卻存在許多安全隱患，如蠟燭容易翻倒、紙筒和塑料袋容易燃燒等。加上不同材料的塑料袋的受熱程度不同，塑料袋的尺寸不合適等問題影響小組合作，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的成功率下降，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的專注度不高。通過不斷的優(yōu)化和測試，教師決定采用石膏粉固定蠟燭，將加厚的塑料PVC管切割成帶孔的圓筒，使用50cm×50cm規(guī)格的塑料袋（如圖2）。這樣，實(shí)驗(yàn)的安全隱患得到了解決，學(xué)生便于操作。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的觀察點(diǎn)和討論點(diǎn)集中于塑料袋的變化，概念的建構(gòu)更加高效，教學(xué)目標(biāo)更快達(dá)成。

又如，在教科版《科學(xué)》三年級上冊《風(fēng)的成因》一課的實(shí)驗(yàn)活動中，學(xué)生小組合作利用蠟燭、紙盒、線香和小風(fēng)輪觀察空氣的流動情況，從而建構(gòu)溫度差使空氣流動的概念。教材提供的實(shí)驗(yàn)材料（如圖3）存在較大的安全隱患：蠟燭在紙盒中燃燒產(chǎn)生的熱量在短時間內(nèi)就能導(dǎo)致紙盒燃燒。

為了優(yōu)化材料，教師將前一節(jié)課使用過的PVC圓筒作為本課實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵材料（如圖4）。這樣就有了直觀的煙霧流動通道，學(xué)生能夠安全、直觀地觀察煙霧流動的過程。且學(xué)生可以在PVC圓筒上方放置小風(fēng)輪，通過小風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動了解空氣流動形成風(fēng)的原理。

教師應(yīng)基于學(xué)生的實(shí)際操作水平，選擇安全的實(shí)驗(yàn)器材，助力學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，提升科學(xué)課堂效率。教師也能在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)材料的過程中對教學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生更多的思考，為學(xué)生的學(xué)習(xí)搭建有效的探索支架，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展和概念的建構(gòu)，落實(shí)對學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

（三）整合結(jié)構(gòu)性材料，解決限制條件

教科版《科學(xué)》三年級上冊《觀測風(fēng)》一課中的探索活動是讓學(xué)生借助小風(fēng)旗和風(fēng)向標(biāo)來判斷不同位置的風(fēng)速和風(fēng)向，建構(gòu)起小風(fēng)旗飄動的方向與風(fēng)向相反、風(fēng)向標(biāo)的指向與風(fēng)向相同、小風(fēng)旗能夠表示三種不同的風(fēng)速等概念。但在實(shí)際教學(xué)中，經(jīng)常會遇到上課時無風(fēng)的情況，或者學(xué)生只能感受一個方向的風(fēng)，導(dǎo)致科學(xué)概念的建構(gòu)不完整、不透徹。很多學(xué)生在本課結(jié)束后依然無法掌握判斷風(fēng)速和風(fēng)向的方法。對此，教師嘗試優(yōu)化實(shí)驗(yàn)材料，利用方位紙、手持風(fēng)扇、小風(fēng)旗、風(fēng)向標(biāo)模型等（如圖5）解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問題。學(xué)生在小組活動時，可以將小風(fēng)旗或風(fēng)向標(biāo)模型立于方位紙中央，并將手持風(fēng)扇放在不同的方位模擬風(fēng)吹來的不同方向。這樣能夠非常直觀地觀察到小風(fēng)旗飄動的方向與風(fēng)向相反、風(fēng)向標(biāo)的指向與風(fēng)向相同等現(xiàn)象。且手持風(fēng)扇可調(diào)節(jié)風(fēng)速，學(xué)生能夠通過小風(fēng)旗飄動的幅度感受不同的風(fēng)速。

又如，在教科版《科學(xué)》三年級上冊《測量降水量》一課中，學(xué)生需要學(xué)習(xí)氣象學(xué)家測量、記錄和確定降水量的方法。為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)測量降水量的興趣，讓學(xué)生理解雨量器的工作原理，教師指導(dǎo)學(xué)生親自制作一個簡易雨量器，用來測量、記錄降水量。由于條件限制，課堂中無法組織學(xué)生對真實(shí)的降水量進(jìn)行測量。因此，教材要求學(xué)生利用噴壺模擬降水。但是由于噴壺噴出的水滴比較細(xì)小，無法滿足自制雨量器的蓄水需求，活動中有學(xué)生直接用噴壺對著雨量器口噴水，失去了模擬降水的意義，實(shí)驗(yàn)活動變成了無效的“玩?！保瑢W(xué)習(xí)目標(biāo)無法得到有效的落實(shí)?；诖?，教師對測量降水量的實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行了優(yōu)化，將浴室花灑與塑料瓶相結(jié)合，制作新的實(shí)驗(yàn)裝置（如圖6），用來模擬降水，使降水量的測試更具直觀性?；⒛軌蚋淖儑娝康拇笮?，模擬不同的降水量，為學(xué)生后續(xù)對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的深入討論打下基礎(chǔ)。學(xué)生也能在實(shí)驗(yàn)中獲得獨(dú)特的活動體驗(yàn)，可謂一舉多得。

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)器材，整合結(jié)構(gòu)性材料，能夠?qū)ψ匀挥^察類的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效的補(bǔ)充。教師在實(shí)驗(yàn)前期，應(yīng)有效處理部分實(shí)驗(yàn)活動與課堂時間和空間矛盾的問題，引導(dǎo)學(xué)生不斷探索，積極思考，提升科學(xué)探究能力。

（四）選擇生活化材料，促進(jìn)遷移應(yīng)用

在教科版《科學(xué)》三年級上冊《水沸騰了》一課中，學(xué)生需要觀察水的沸騰過程，記錄水沸騰的相關(guān)現(xiàn)象與證據(jù)，與已有的認(rèn)知形成沖突，從而獲得深刻的體驗(yàn)與認(rèn)識。該實(shí)驗(yàn)要在敞口的燒杯中進(jìn)行，導(dǎo)致水在加熱過程中熱量散失較快，水溫很難達(dá)到沸騰所需的100℃。且實(shí)驗(yàn)時間較長，大多數(shù)小組無法在規(guī)定的時間內(nèi)完成操作。加上實(shí)驗(yàn)材料的缺陷，導(dǎo)致學(xué)生的觀察興趣大大降低。許多教師只能自圓其說，讓學(xué)生牢記水沸騰的現(xiàn)象，違背了科學(xué)探索實(shí)事求是的精神。

因此，教師嘗試對本實(shí)驗(yàn)中的材料進(jìn)行優(yōu)化，選擇生活中學(xué)生熟悉的迷你電陶爐來加熱燒杯，并利用變形夾固定溫度計(jì)（如圖7）。這樣，學(xué)生不僅能在短時間內(nèi)觀察到水從常溫到沸騰的所有現(xiàn)象，感受水溫上升的過程，也能直觀認(rèn)識水在100℃時沸騰，沸騰后繼續(xù)加熱溫度不會再上升的事實(shí)。學(xué)生在課后可以利用家中的燒水設(shè)備重復(fù)實(shí)驗(yàn)，鞏固本節(jié)課的知識，并將知識遷移應(yīng)用到生活中，提升自身的核心素養(yǎng)。

又如，教科版《科學(xué)》三年級上冊《空氣有質(zhì)量嗎》一課中，學(xué)生圍繞空氣質(zhì)量的問題進(jìn)行探索，并利用簡易天平這一熟悉的測量工具證明空氣是有質(zhì)量的。但是，由于空氣質(zhì)量較小，加上天平的轉(zhuǎn)動受到摩擦力的干擾，學(xué)生很難觀察到打氣后皮球變重的現(xiàn)象，只能憑借想象猜測實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并過渡到對知識的機(jī)械性記憶。

對此，教師以生活中量程小、精度高的精準(zhǔn)電子秤作為測量工具（如圖8）。學(xué)生通過直觀的數(shù)據(jù)，比較小球在打氣前后的質(zhì)量差異，認(rèn)識到空氣也有質(zhì)量這一事實(shí)。在《一袋空氣的質(zhì)量是多少》一課中，學(xué)生再次將生活中較輕的物品與空氣進(jìn)行比較。教師可以在課后作業(yè)中引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用精準(zhǔn)電子秤，尋找身邊較輕的物體與空氣進(jìn)行對比，對知識和方法進(jìn)行遷移應(yīng)用。電子秤的使用方法簡單明了，極大地簡化了實(shí)驗(yàn)操作的難度，讓學(xué)生專注地思考核心問題。由此，科學(xué)核心概念的建構(gòu)也會更加完善、徹底。

科學(xué)概念的有效建構(gòu)需要建立在實(shí)驗(yàn)探究活動的基礎(chǔ)上。對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，不僅可以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性，彌補(bǔ)原本實(shí)驗(yàn)器材的不足，還能促進(jìn)學(xué)生深入理解、遷移和應(yīng)用科學(xué)知識，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀察能力、實(shí)踐動手能力和思維創(chuàng)新能力，有效落實(shí)科學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)?？茖W(xué)教師要善于發(fā)現(xiàn)，樂于思考，勤于總結(jié)，在教學(xué)中時刻留心科學(xué)實(shí)驗(yàn)器材的使用情況，提升實(shí)驗(yàn)器材的使用質(zhì)量，助力學(xué)生進(jìn)行真實(shí)有效的探究式學(xué)習(xí)。

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（浙江省瑞安市君子石小學(xué)）