核心素养视域下自制教具研发的实践性探究
庞雷
庞 雷 小学科学特级教师，山东省小学科学专家库成员。曾荣获“山东省教学能手”“淄博市最美教师”等荣誉称号。执教《地球上有什么》，获国家级优质课一等奖，执教《让多个灯泡亮起来》，获山东省优课。多次在山东省小学科学教师培训会上做专题报告，上公开课。主持研究的《基于现代教育技术下的小学科学教学中家庭资源的开发与利用研究》《促进小学生科技实践能力提升的创客教育研究》等多项国家、省级课题均已结题。撰写的多篇论文发表于《小学科学》《山东教育》《科学课》等专业期刊。
自制教具是我校的传统项目，本文针对教材实验设计中存在的问题和缺陷，为进一步提升实验探究效率，在自制教具的研发上进行有益的尝试，并总结和提炼出自制教具研发的具体策略。在吃透教材、深化教学、创意思考、设计生成、制作完善、检验应用的自制教具过程中，培养学生科学习惯、科学方法、科学能力、科学态度及科学精神等基本科学素养。
新课程改革以来，小学科学教学坚持以培养学生科学素养为宗旨、以探究为核心的教学理念。但在平时的探究性教学中，发现科学教材中存在实验缺陷和教具短缺等问题，直接影响到教学的有效推进，影响了科学课堂的正常教学，阻碍了学生科学概念的有效生成，甚至影响了学生科学学习兴趣的培养。引入“吃透教材—深化教学—创意思考—设计生成—制作完善—检验应用”的自制教具应用模式，具有以下优势：突破教学难点，深耕知识深度;找准实验难点，提升探究效率;增加实验趣味，激发探究兴趣;开拓思维，增强创新能力。
一、突破教学难点，深耕知识深度
小学科学课是一门综合性课程，内容包括物质科学、生命科学、地球和宇宙科学、技术与工程四个领域，涵盖了我们生活的全部环境。有些知识和内容很抽象，小学生感兴趣，但不能完全理解。再者，学校普遍对科学学科重视程度不够，部分实验教具由于长时间不更新，已经不能满足教学需求和时代发展的需要。部分教具质量较差，导致实验数据产生偏差，从而得出错误的实验结论，降低了实验探究的效率。有些教具在一些教学重难点的突破上有所欠缺，影响了探究效果。
因此，依据教学重难点，探究设计解决本节课重难点的教具，对学生理解和掌握本节课内容，大有裨益。自制教具可以有效弥补传统教学模式的不足，是对学校现存教具的补充。学生可以充分利用自制教具，拓宽知识视野，形成一定的生活体验。
例如，《四季更替》是小学科学青岛版五四制四年级下册第五单元“太阳地球和月亮”中的一节课。在教学中，我们发现，学生始终有一个困惑：在地球公转过程中，在地日距离几乎不变的情况下，是什么原因引起温度变化，从而形成四季的？如何讓学生直观感受四季更替的形成原因呢？
我们分析了前几轮的磨课：先设计一个模拟实验，然后播放视频。课后学生还是一脸茫然。分析原因：首先，在模拟实验中，由于操作不规范，地轴倾斜存在误差，太阳直射位置数据不准确，无法体现南北半球的温度变化;其次，视频在辽阔宇宙中让学生体验地球公转有一定难度，也就无法真正理解四季形成的原因。
这让我们产生了深深的思考。为了攻克这一教学难点，我们制作了四季更替演示教具，如图1。
四季更替演示器教具的使用，可以让学生直观形象地看到，在地球公转过程中，由于地轴始终保持向北倾斜，因此太阳直射点总在南北回归线之间移动，太阳照射角度发生变化，从而引起温度变化，形成四季。相比人工模拟、视频播放地球公转画面，这样得到的数据更准确，呈现更直观，更具有视觉冲击力，很好地突破了本节课的重难点。
四季更替演示教具还把二十四节气与此时太阳直射地球位置直观地呈现在学生面前，使本节课研究内容进一步拓展到课外，让学生理解季节变化，体会地球公转与日常生活的联系，在赞叹我国古代劳动人民智慧的同时，受到爱国主义教育。
二、找准实验难点，提升探究效率
爱因斯坦曾经说过：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决问题也许仅仅是一个教学上或实验上的技能而已。而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，都需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。” 小学阶段的科学课，教学理念就是探究，要求学生在探究的过程中提出问题，充分了解问题的来龙去脉，知道应该从何处入手解决问题，逐步对学生进行科学启蒙，最终目标是培养学生的科学素养。这也是小学阶段的科学实验所要实现的教育目标。
例如，《磁悬浮笔架》是小学科学青岛版五四制二年级下册第五单元“科技产品”中的一节课。学生通过观看视频回答问题：笔是怎么悬浮起来的？
学生探究过程：在学生分小组进行实验操作过程中，我们发现，由于二年级学生年龄小，动手能力较差，在实验操作中很难找到安放磁铁的准确位置，切割纸盒时，费时费力，有误差，而且磁铁固定不牢固。这样学生反复尝试，也很难成功地让笔悬浮起来。在探究的过程中，学生会提出无数个问题，这为后续深入研究奠定了基础。
为了便于学生观察分析、操作探究，方便找到安放磁铁的准确位置，更好地突破教学中的重难点，我们对实验材料进行了改进，加工，如图2。
师生共同完成了底座制作、磁铁准备，而如何让笔悬浮起来，教师则放手让学生去操作。这样的自制教具，学生非常感兴趣，争先恐后地操作，去实现笔悬浮的目标。在经历笔屡次落下的过程中，学生学会了思考、总结经验、发现问题，思维得以锻炼，能力得以提升，从而提高了科学素养。科学活动的本质在于不断地试验、不断地探索，而教师把实验探究的难点留给学生，让他们经历发现问题、提出问题、解决问题的过程。科学的教育就是要引导学生在探索的过程中培养科学素养，提高自身的科学素质，只有这样才能在本质上实现科学与教育的结合与统一。
三、增加实验趣味，激发探究兴趣
科学是一门理论与实验相结合的学科，有效规避了单纯以理论形式展开教学而导致学生学习兴趣下降的问题。尤其是科学实验教学，特别强调利用与教学内容相关的材料与教具来提升学生的动手操作能力。自制教具，不仅可使科学实验教学过程更加直观明了，还能进一步提升学生的知识掌握程度与动手操作能力，激发学生的学习兴趣，促进学生主动探究与学习。自制教具无论是对教师的教学还是学生的学习，都有着积极作用。这主要体现为教学过程的优化及学生理解能力、动手能力的提升。在实际教学中，教师要尽量创造机会，让学生亲手制作教具，从而加深其对知识的理解与掌握。
例如，《改变浮和沉》是小学科学青岛版五四制三年级下册第四单元“水的科学”中的一节课。课本上提供的材料种类较之以前的实验教学明显增多，最后归纳总结的结论比较抽象且条目繁多。经过反复实验，我们发现，课本上提供的实验材料不严谨，学生不能准确表述实验结论，从而影响了本节课的学习。因此我们带领学生反思：还可以利用身边的哪些材料来验证物体的浮和沉，并有效改变呢？学生大胆地说材料，教师给予补充和解释说明，待学生列举出尽可能多的可供使用的材料后，让学生回家收集所列举的材料。学生收集到的材料有玩坏了不用的小船、废弃的橡胶软管、废弃的针管、几个螺丝帽、废旧的小型打气筒等。他们把收集到的材料带来之后，教师让学生分组，根据手中的材料，讨论交流：怎么组合起来，可以实现浮和沉的效果？当小组遇到问题时，可以询问教师，寻求帮助。教师给予理论的指导、操作的提示，但所有的动手操作都尽量放手让学生来完成。给学生提供尽可能全的工具，为学生示范工具如何用，但不帮助学生完成。只有学生自己动手做，才会得到锻炼。同时，在不断的调试、改进中，学生对于所学的知识、自制教具展示的效果才会印象深刻，才能更好地实现教学目标。以下图3是学生自己动手完成的教具。
小学生正处于思维活跃时期，对事物保持高度的好奇心，教师可以发挥学生的优势。相比于之前的科学课，利用自制教具进行教学，可以激发学生的好奇心，让学生对自制教具进行探究，培养学生的科学探究精神。自制教具需要学生之间的互相帮助，以及教师讲解指导才能完成。所以制作教具的过程可以培养学生的团队合作精神，让学生了解合作的重要性，密切学生之间的关系。自制教具没有固定的模板，学生在制作时可以发挥想象力，制作不同的教具。小组成员可以提出自己的想法，然后将所有好的想法集中起来，制作一个完美的教具。学生在制作的过程中能感悟科学道理，增强动手能力，形成科学思维。
四、开拓思维，增强创新能力
随着社会的发展，国家越来越重视创新型人才的培养。小学科学能够开拓学生的思维，为学生打开一个五彩缤纷的世界，对培养学生的创新能力有着非常重要的作用。在小学科学教学中，带领学生自制教具，在学中玩，在玩中学，这种教学模式是培养学生创新能力的重要手段。
例如，《让更多的灯泡亮起来》是小学科学青岛版五四制三年级下册“灯泡亮了”这一单元的内容，本课是在学生学习了简单电路连接的基础上，探究如何让更多的灯泡亮起来。三年级的学生具备了一定的实验探究能力，但仍然以形象思维为主。学生的困惑在于：对电流这样看不见摸不着的抽象概念很难理解，对电路中电流是如何流动的更是模糊不清。如何让学生直观地感受电流的流动呢？为了攻克这一教学重难点，我们师生制作了串并联模拟板教具，如图4、图5。
图5是串联电路模拟板。先看蓝色线路部分，闭合开关，两个灯泡同时亮起，此时就有学生问：灯泡是怎么亮的呢？在这个电路中，电流是如何流动的？这里借助水流来感受电流，让学生仔细观察水流是如何流动的。经过观察，学生说，看到水从一个灯泡流向另一个灯泡，两个灯泡像糖葫芦一样串起来，实际电路和模拟电路各器件一一对应，学生非常形象地得到串联电路的连接特点——两个灯泡逐个顺次串起来组成的电路。同理，图5是并联电路模拟板。闭合开关一，灯泡一亮起来，闭合开关二，灯泡二亮起来，实现了两个灯泡分别亮起。先让学生说说在这个电路中电流是怎样流动的，再展示模拟电路。只打开下面开关，水从下面流过;只打开上面开关，水从上面流过;两个开关都打开，学生说，水在这里分叉以后同时经过灯泡，还有学生说水兵分两路。学生很形象地得到并联电路的连接特点：两个灯泡并列地连接起来组成的電路叫并联电路。借助形象直观的教具来理解抽象概念，学生兴趣十分浓厚。
在教学探究中，大部分学生的思维都是比较活跃的，甚至是跳跃的。如果我们能设置新颖的课堂教学方式，让学生全程参与，就会激发学生的学习兴趣，引发他们对大自然的向往。通过自制教具实现了课堂氛围的转变，让学生主动学习，积极探索，有利于学生创新思维的培养。在良好的学习氛围中，学生“玩”出成绩，“玩”出科学，符合我国课程改革素质教育的方向。
小学科学是一门实践性课程。探究活动是学生学习科学的重要方式。小学科学强调从学生熟悉的日常生活出发，通过学生亲身经历动手动脑等实践活动，发现和提出生活中简单的科学问题，并尝试用科学方法和科学知识予以解决，在实践中体验和积累认知世界的经验，提高科学能力，培养科学态度，学习与同伴的交流、交往与合作，提升学生的科学素养。
【本文系2020年度山东省教育教学研究课题“基于学生自制的小学科学实验器材改进与创新研究”阶段性成果，课题批准号：Y2019234】
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