自制实验装置创新科学课教学设计

【摘要】本文以小学科学《谁轻谁重》为例，以改进创新实验装置为切入点，从实验教学目标、内容设计、方法设计、教学过程设计、教学反思等方面进行实验教学设计，促使学生通过实验探究初步建立对“物体有轻重”的认识。

【关键词】小学实验教学 说课 自制教具 《谁轻谁重》

《义务教育小学科学课程标准》（2017年版）明确提出“倡导探究式学习”，通过物质科学领域内容的学习，“帮助学生初步养成乐于观察、注重事实、勇于探索的科学品质”。教科版小学科学教材一年级下册第一单元第2课《谁轻谁重》实验教学的设计，是基于学生核心素养的培养，以学生原有知识水平为元认知起点，以改进创新实验装置为切入点，引导学生了解物体有轻重，比较不同物体的轻重并排序，促使学生初步形成对“物体有轻重”的认识而进行。以下，笔者以《谁轻谁重》一课的教学为例，根据实验教学说课流程，从实验教学目标、实验内容设计、实验方法设计、教学过程设计、教学反思与评价等方面进行阐述。

一、教材分析

《谁轻谁重》一课隐含的科学概念是：质量是物体的基本属性之一，并且质量可以通过测量而得到。对一年级学生而言，他们需要了解物体有轻重，能够比较不同物体的轻重并进行排序。这个阶段的学生，已经初步掌握了一些观察、描述物体的方法（如看一看、听一听、摸一摸、闻一闻等），积累了一些关于物体特征的科学词汇（如大与小、多与少、长与短、轻与重等），甚至意识到可以用“掂一掂”（即掂量）的方式比较物体的轻重。但学生在自主探究过程中不难发现，对物体轻重的相互比较，不同的人可能得到不同的结果，尤其是两个物体的重量接近时，很难通过掂量进行判断。那么，要准确判断物体的轻重，还有哪些更好、更科学的方法？由此，笔者针对一年级学生的年龄特点，用自制教具——声光电多维数字天平仪进行称量，最后通过小组合作、讨论、观察、比较、统计等多样化手段得出结论。

二、实验教学目标及重难点

根据教材结构与内容分析，制订以下实验教学四维目标。

1.科学知识概念目标：质量是物体的特征之一，且质量可以被测量;

2.科学探究目标：用称一称、掂一掂、试一试等方法比较物体的轻重;

3.科学态度目标：进一步对研究物体产生兴趣和愿望;

4.科学、技术、社会与环境目标：认识到用称一称、掂一掂、试一试等方法进行测量，测量结果的准确程度不同。

本课实验教学重点是用称一称、掂一掂、试一试等方法进行物体轻重的比较，几种不同的方法可能导致结果的准确度各异。本课实验教学难点是用简易天平和声光电多维数字天平仪进行测量并记录，认识到用称量的方法测量物体的轻重更准确、更科学。

三、实验内容设计

教材提示可以用乒乓球、木块、塑料块、小橡皮、大橡皮等五种物体进行“谁轻谁重”的比较。为了有效达成教学目标，本课实验内容设计为三大部分。

1.预测：猜一猜，预测几种物体的轻重并做记录。

2.掂量：掂一掂，用手比较物体的轻重并做记录。

3.称量：称一称，用简易天平和笔者自制的实验装置——声光电多维数字天平仪，比较物体的轻重，并进行数据记录、對比。

四、实验方法设计

（一）实验操作出现的问题

根据教材实验，笔者先引导学生分别用“猜一猜”“掂一掂”“称一称”三种方法比较不同物体的轻重。部分学生在使用课本提示的实验器材——简易天平进行实验操作，并在实际操作过程中发现三个问题，同时引发笔者进一步思考，具体如下。

1.问题一：天平左右不平衡怎么办？

由于简易天平仅用三根木条组合而成，部分学生在称量前没有做到让平台左右平衡，导致实验一开始就出现了数据偏差。

2.问题二：怎么判断天平是否左右平衡？

简易天平的木条上没有任何标记，部分学生只能凭肉眼判断平台是否平衡，缺乏精细化天平仪的指针判断，导致重量接近的物体轻重难以进行比较。

3.问题三：底座不稳怎么办？

教材中的简易天平底座仅有一块薄木板，在分组实验过程中，常常因为底座不稳而导致天平倒下，实验必须重做。

（二）实验情况分析

根据课堂中汇总的实验排序结果，笔者针对不同学校一年级的6个教学班、72个实验组进行调查，由调查结果可知，称量结果与实际结果不相符的有21组，错误率达29.2%（如下表所示）。

这样的结果说明，一些组别的学生没有意识到，用称量的方法测量物体的轻重更为准确。

（三）解决方案：自制教具——声光电多维数字天平仪

为了使实验过程更规范，称量结果更准确，也为了进一步提升不同层次学生的科学素养，笔者通过自制教具——声光电多维数字天平仪（该教具于2019年8月29日由国家知识产权局专利受理，申请号：201921417281.5），以新技术助推科学探究，更科学、准确、直观地测量物体的轻重。

五、教学过程设计

（一）教学设计

根据以上教学内容，笔者针对实验教学环节设计如下教学过程。

1.探索：自主选择以下一至两种方法进行称量，比较物体的轻重并做好记录。

（1）方法一：简易天平测量法。用教材提供的简易天平进行称量并做记录，学生平均用时为4分05秒，准确率为70.8%。

（2）方法二：左物右码称量法。教师首先进行现场演示，将声光电多维数字天平仪放置水平桌面，在左右两个托盘分别放入大小相同、重量相等的白纸，直接读取数字：数字为“0”代表天平左右平衡;数字不为“0”，则通过调节平衡螺母使数字显示为“0”。其次，根据“左物右码”原则，将乒乓球、木块、塑料块、小橡皮、大橡皮五种称量物体分别放在天平左侧托盘，此时的数字发生了变化。随后，将回形针等物体作为标准物逐一放置在天平右侧的托盘，直至数字显示为“0”，数出回形针个数，学生将五种物体依次称量并一一记录。此方法平均用时为4分12秒，准确率为91.7%。

（3）方法三：直接读数称量法。教师首先进行现场演示，将声光电多维数字天平仪放置水平桌面，直接读取数字，数字显示为“0”代表天平左右平衡;数字显示不为“0”则调节平衡螺母使数字读取为“0”，然后将五种称量物体（乒乓球，木块，塑料块，大、小橡皮）分别放置在声光电多维数字天平仪左侧，通过声光电多维数字天平仪进行数字化称量，数字越大代表物体越重;反之，数字越小代表物体越轻。此方法，学生平均用时仅需3分05秒，准确率高达98.6%。

2.研讨：比较猜测、掂量、称量哪种方法更为准确？

3.拓展：形状相似、大小相同的两个碗，它们一样重吗？

通过改进创新实验装置，能较为准确地比较物体的轻重。（附学生实验过程视频，略）

（二）设计原理

自制教具——声光电多维数字天平仪通过增加智能控制板及声光电装置，使物体出现轻重变化，导致声光电多维数字天平仪数字、声音、光电发生变化，测量结果更为明显，进一步完善了学生在探究过程的直观体验，准确性、高效性、普及性、推广性更强。

（三）创新点

与简易天平相比，自制教具——声光电多维数字天平仪的使用让测量结果更为准确，主要有六大创新点，其中前三大创新点回应了学生提出的三个问题，后三大创新点则是该装置的新增功能。

1.有可调节的平衡螺母进行左右两端的平衡调节。

2.数字可视化，天平平衡则显示为“0”。

3.加大天平的底座面积，使其更为稳固。

4.物体轻重的数字越大，物体越重;数字越小，则物体越轻。

5.物体轻重有声音提示，单侧物体越重，提示音越大。

6.物体轻重有光电提示，天平光电随物体的重量变化而使亮度发生变化。

此外，声光电多维数字天平仪的数字显示、声音及光电功能可以分别控制开关，教师、学生可以根据实际需要进行选择，或同时使用，或使用其中一种功能。该装置既达到本节课设定的教学目标，也突破了教学重、难点。此外，该装置可以拓展应用于教科版小学科学三年级上册《空气有质量吗？》等实验教学中。

六、教学反思

（一）基于学情有效改进实验装置

改进实验装置的目的是提高科学课堂的有效性。本实验装置引入“互联网+”及数字化方式，将原有的简易天平进行数字化改进，既提升了精確度，又降低学生实验操作的难度，减少实验操作用时，便于学生科学、准确、直观地观察物体的轻重，构建相应的科学概念。

（二）基于问题有效创新实验教学

实验教学创新是为了更好地实现教学目标，突破教学重、难点。本实验教学通过提供更多实验仪器，拓展更多实验方法，以声、光、电多维数字天平仪的引入为切入点，切实解决学生无从下手、称量失误、结果不一等问题，有效鼓励学生持续性探究，提高课堂教学的实效性。

（三）基于教学有效培养核心素养

科学课是以培养学生的科学素养为宗旨。本课基于学情、实验、事实、数据等，通过教师的“教”——实验装置的改进与创新，获得学生的“学”——观察认知与实验探究，提高了教学成效，培养了学生的科学素养和创新能力。

总之，通过科学实验装置的改进与创新，学生不但对物体轻重有了感性的认识，还对科学探究产生浓厚的兴趣。在今后的教学中，笔者还将通过改进实验装置、创新实验教学等方式，做到爱教、会教、巧教、乐教，鼓励学生爱学、会学、巧学、乐学。

注：本文课例在2019年全区中小学实验教学说课活动中获一等奖;本文作者在第七届全国中小学实验教学说课活动中被评为2019年度全国中小学实验教学能手。

作者简介：梁惠娟（1980— ），女，壮族，广西南宁人，硕士研究生学历，一级教师，南宁市凤翔路小学景晖校区副校长，研究方向为小学科学教育。

（责编 杨 春）