以“4341析改创享法”改进小学科学实验器材的尝试

【摘要】本文针对实验器材在实际教学中存在的实验操作烦琐、实验现象不明显等问题，提出“4341析改创享法”，通过“分析—改进—创新—分享”递进式流程，进行“四分析—三改进—四创新—一分享”探索，有效促进小学科学实验器材的改进与创新。

【关键词】“析改创享法” 小学科学 实验器材 改進与创新

【中图分类号】G62 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）25-0087-04

教育部2019年印发的《关于加强和改进中小学实验教学的意见》明确提出“鼓励各地各校积极开展教学仪器设备适用性评价和研究，开展优秀自制器材评选，鼓励教师自制实验器材”的意见。开展小学科学实验教学是国家课程方案和《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《2022年版科学课标》）规定的重要教学内容，是培养创新人才的重要途径。

当前的小学科学实验教学，在实际教学中存在诸多问题，如：实验器材、资料箱、工具箱满足不了不同版本教材的需求；部分实验器材实验操作烦琐、实验误差大、实验现象不明显、不适宜分组合作、无法满足不同层次学生探究活动的需求等。针对这些问题，笔者所在的团队积极探寻促进小学科学实验器材改进与创新的有效策略，提出了“4341析改创享法”，通过“分析—改进—创新—分享”递进式流程，进行“四分析—三改进—四创新—一分享”探索，有效促进小学科学实验器材的改进与创新。

一、“四分析”：对教材、学情、过程、器材进行分析

现代教学论认为，要实现教学最优化，就必须实现教学目标和教学过程最优化。教材分析、学情分析、过程分析、器材分析，正是实现小学科学实验教学最优化的重要手段。

1.教材分析。对小学科学实验教学的教材分析应基于学生发展和实验的具体需求，遵循学生的认知规律，以学生的前概念为出发点。一是仔细研读课标。仔细研读课标是正确进行教材分析的前提。《2022年版科学课标》是小学科学学科教学的指导性文件，是编写教材和进行实验教学的依据。它详细规定了课程的性质、任务、教学目的等。因此，在分析教材时应以课标为依据，以课标的要求为目标。二是整合教材内容。首先，要理解教材编写的思路与内容的逻辑关系，分析本段教材对基础知识和基本技能的表达方式和程序，研究设计意图，从中领悟教材提供的教与学的过程和方法，明确教材的思路；其次，要明确教材在知识体系中的地位和作用，认真研究教材内容中的新知识和教材前后知识的联系，发掘新知识的“生长点”，从全局上更好地把握和使用教材。三是确定教学重点和难点。在认识和理解教材的基础上，教师要依据课标和教材内容，结合学生实际，科学准确地制订教学目标，确定教学重点和难点。四是全方位分析教材。从教材的整体性和综合性、从反馈信息和研究成果等方面分析，多角度、全方位地对教材进行深刻分析。

2.学情分析。学情分析是系统化教学设计不可或缺的重要组成部分，摸准学情可以为有效开展小学科学实验教学提供有价值的教学参考。一是学生前概念分析。前概念是学生在日常生活经验积累的基础上形成的概念。分析学生前概念有助于从学生“最近发展区”出发，有效确立实验教学目标，提高实验教学的有效性。二是学生心理分析。运用多元分析方法与多维分析视角，分析学生在学习具体环节中的心理过程、特点及障碍，以便在实验教学过程中更好地落实教学要求。三是学生实验能力分析。虽然学生在实验前已经具备一定的实验能力，但能力的高低强弱，还需要结合学生实际情况进行综合分析。

3.过程分析。小学科学实验教学过程分析是教师对小学科学实验教学实践的再认识、再思考、再反思，并以此来总结经验教训，进一步提高教育教学水平。一是问题环节分析。根据学生探究的科学问题，分析该问题与前一课学习的关联性，体现课程的连贯性。二是探究过程分析。在探索过程中，重点分析前概念测查、预测、探究计划的制订、实验过程、信息收集、组织和呈现、形成的解释等。三是研讨阶段分析。在研讨阶段，分析学生交流、讨论、论证的关键问题以及所遇到的难点问题。四是课堂效果分析。在全课结束后，对整节课目标达成、呈现方式、教学流程、教学效果等进行反思、改进，以反思促进“教”与“学”，提高科学课堂教学效益。

4.器材分析。器材作为一种知识载体，为学生实施实验提供了直观形象的物质基础。一是氛围创设分析。在小学科学实验教学过程中，要考虑器材的呈现是否为学生科学探究氛围的创设提供有效帮助。二是装置分析。器材的使用是为实验探究提供便利与服务的，要分析提供的器材是否便于达成实验教学目标，突破实验教学重难点。三是过程分析。客观分析器材使用过程中的优点与不足以及对学生操作过程和实验效果的影响。

例如，教科版小学科学五年级下册《摆的研究》实验教学的重点是研究摆的重量、摆绳的长度与摆摆动快慢的关系。通过上述“四分析”可以发现：这两个实验需要由学生数摆摆动的次数，如“摆来回摆动算1次”“测量15秒，并重复测量3次”等。实验过程中，学生既需计数又需计时，很容易出现计数方式错误或计数出现偏差的情况，导致数据误差较大，甚至影响实验结论。为此，科学教师对器材进行了改进，自制“数字化摆研究实验装置”，以电子计数代替人工计数，确保实验数据的准确性，避免人工操作的误差，使实验更严谨、更高效。

二、“三改进”：基于具体学情、器材问题、实际教学的改进

当发现现用器材在小学科学实验教学过程、实验效果等方面存在问题后，教师应基于学生学情、器材问题、实际教学进行改进。需要注意的是，对实验器材的改进要考虑不能与国家现行法律、法规、道德规范相抵触，不危及食品、药品试剂和饮食安全，不危及人类健康和生命财产安全，不造成环境污染，不妨碍文物保护和动植物保护。

1.基于具体学情的改进。学生实验的有效性与学情息息相关，在实验器材改进中，必须基于学情对器材进行有效改进，做到“三提高”。一是提高学生实验兴趣。小学科学实验中涉及概念、规律、法则、定律等，往往枯燥乏味，难以吸引学生注意力，但学生对实验过程却表现出强烈的好奇心，一个好的器材、一次成功的实验，能诱发学生积极思考，提高学生实验兴趣。二是提高小组合作有效性。器材除了关注个体，还应关注小组间的合作交流，改进器材使之适合学生小组合作学习，能激励学生参与解决问题的热情，增加学生从实验探究中获取知识的意识和能力。三是提高动手动脑能力。好的器材要符合学生心理、年龄特点，有助于学生动手探究、动脑思考，从而使学生爱学、乐学、会学、巧学。

2.基于器材问题的改进。当前，我国建立了一定规模的教学仪器生产体系，但由于教材版本不同、学生学情不同，部分器材在实际教学过程中存在实验效率不高、实验效果不够理想等问题，这种状况亟须改进。一是改繁为简。繁杂的实验器材容易使学生产生畏难情绪，使之无法完成探究任务，影响其概念的建构与学习，因此必須将繁杂的实验器材改变为简单的便于学生操作的器材，让学生在实验过程中便于观察，方便实验数据的收集与整理。二是改偏为正。实验器材如果与教材偏离，出现不够配套、不够吻合等问题，在教学使用过程中势必导致实验效果不佳、学生理解吃力，因此改进实验器材时一定要紧扣教材，使符合学段要求。三是改旧为新。随着《2022年版科学课标》的出台，教科版、粤教版等不同版本的教材将相继更新，而现有某些仪器室配备的依然是旧课标的实验器材，无法适应新的实验要求，因此对实验器材的改进要以最新的课标为依据，做到与时俱进。四是改粗为精。部分实验器材较为粗劣，致使学生在实验过程中虽然按实验步骤操作，但最终效果不佳，实验数据不准确，因此要对这部分实验器材进行改进，让实验器材更为精准。

3.基于实际教学的改进。实验器材的改进离不开课堂教学，在科学概念和科学探究双螺旋协同发展的实验教学过程中，必须基于实际教学对实验器材进行改进。一是准确把握实验教学目标。在小学科学课程的物质科学、生命科学、地球与宇宙科学和技术与工程四大领域中，实验教学目标各异，器材改进的前提是深刻理解和准确把握实验教学目标。二是实验教学相互关联不断推进。实验教学中涉及器材使用之处，教师通过“三环节”，即课前对器材进行试用、课中对器材的使用进行观察、课后对器材的适用进行反思，及时发现以有效改进，使学生实验与教材相互关联不断推进，形成整体。三是掌握实验教学进阶的特点。小学科学实验是“儿童的实验”，在充分体现科学特质的同时，要考虑实验教学进阶性，关注实验，研究器材。

例如，教科版小学科学五年级上册中的《光与热》一课中，安排了下面的教学实验：用镜子将阳光反射到纸上，观察、比较用一面镜子和多面镜子，反射光的强弱有什么不同？用温度计测量纸上光斑处的温度，比较用一面镜子和多面镜子，温度计显示的温度有什么不同？希望学生通过实验认识光的强弱与温度的关系。但在实际教学中，天气是一个可变因素，如果遇到下雨天、阴天或阳光不是很强的天气，就会影响实验的效果。加上传统的温度计读数有时不准确，也会影响实验数据的准确性。为此，科学教师可以运用上述“三改进”策略，设计新的装置探究光的强弱与温度的关系：用白炽灯台灯模拟太阳光作为光源，用温度传感器测量不同强度的光照背景下光斑处的温度，然后运用四位数码管替代温度计直接显示温度值。教师利用创客模块的器材改进实验装置，绕开天气这一不可控因素，突破教学重难点，最终有效达成教学目标。

三、“四创新”：加、减、乘、除“四法”创新

实验器材的制作突出实验创新，强调新技术、新方法的应用：通过引进合适的新技术、新材料、新成果，创新实验器材，提高实验教学效率。它是把想法创新物化的过程，是“人无我有”的过程，能培养教师的逆向思维、侧向思维、求异思维、类比思维、发散思维等。以下四种方法既可单项使用，也可根据需要综合运用。

1.做好“加法”。实验器材过于简单会影响实验的严谨性、规范性。因此，器材的创新应做好“加法”。一是同类“加”。新课标确定了18个主要概念，以此为依据的实验器材可以延伸出许多同类型器材，通过同类“加”原理，将实验器材加高、加厚、加长、加重、加深、加宽……或将类似器材进行有机的结合，达到强化、凸显实验现象等效果。二是异类“加”。根据实验教学或学生小组合作需要，将原有的实验器材与其他器材进行重新组合，加入其他器材后，形成新的器材装置，可以获得不同的实验效果。

2.做好“减法”。某件器材在减去一部分进行缩小与简化后，有时会变成更适用的实验器材，做到删繁就简，也就是做好了“减法”。一是同类“减”。在做物体的沉浮、定滑轮和动滑轮等实验时，可以考虑部分实验器材减轻重量、减小体积、减少面积、降低高度。二是异类“减”。如何从粗到精、从繁到简、从有到无……这就需要根据学生学情、实验教学需要，考虑可以减什么器材、如何减器材，怎样压缩器材、浓缩器材，甚至是省略器材等。

3.做好“乘法”。乘法可以把一个数扩大，在小学科学实验器材的改进与创新中不妨尝试用到“扩一扩”的乘法思路。一是同类“乘”。实验器材过小往往导致学生观察不清楚，用放大、扩展的方法制作一个更大、更易于观察实验现象的器材，或由小数据分析到大数据分析的整体化实验器材，达到事半功倍的效果。二是异类“乘”。随着科学技术的日新月异，实验器材的跨学科、跨领域、跨时空思路可以不断开阔，将现代电子技术、人工智能等新领域、新材料、新技术融入实验器材，体现传感器、单片机等现代新器材的便捷。

4.做好“除法”。除一除、缩一缩使许多器材向微型方向发展，创造了小学科学实验器材的另一片小天地，能给实验带来更大的方便。一是同类“除”。器材是可以用同类型器材替代和覆盖的，经过同类型器材的替代和覆盖，有效提升科学实验教学的实效性，也许会产生新奇、惊人、震撼的效果。二是异类“除”。在基本原理不变的情况下，用新型的或不同的材料除一除，能起到提高实验器材性能、降低实验器材成本、扩大实验器材应用范围、延长实验器材使用寿命等效果。

例如，教科版小学科学三年级下册《水结冰了》一课中的实验教学重点是科学、准确、直观地观察水结冰过程中温度变化的阶段性过程，难点是及时捕捉到水开始结冰的瞬间。在实际操作过程中发现：水结冰现象比较细微，学生无法直观构建水在0℃时开始结冰的科学概念。为了解决这一问题，我们团队的教师按照上述“四创新”理念，自制了“多维立体测量仪”：通过“加”，创新增加温度传感器及单片机主控，液晶显示屏实时显示温度从而代替了用煤油温度计来测量温度；通过“除”，创新自制保温杯和试管架代替了包毛巾保温和人工手持温度计的方法；通过“乘”，创新用摄像装置实时采集水结冰的过程，特别是能够捕捉到水开始结冰的瞬间，完善了学生在探究过程中的直观体验。在课堂中让学生使用“多维立体测量仪”来进行实验，既达到本课设定的教学目标，也突破了教学重难点，提高了课堂教学效率。此外，该装置还可以应用于该单元系列实验，如《测量水的温度》和《冰融化了》的实验中。

四、“一分享”：实验器材交流分享

为进一步将改进与创新的实验器材与教材融合，体现“教”与“学”、“做”与“思”的统一，教师在自制器材后要进行分享，重在对器材改进之处、创新点、对提升教学实效性的帮助等方面与同学科教师进行交流分享。

1.分享实验教学目标。实验教学目标的定位合理性决定了小学科学实验教学的有效性。一要阐述清楚。实验教学的意图、地位和作用阐述清楚明确，对实验器材进行了一定的创新、改进和完善。二要主体突出。实验教学目标层次符合课标要求和学生实际，突出学生的主体性，体现新课程理念。

2.分享实验内容设计。实验教学内容是实现教学目标的主要载体，如何突出实验教学重点，突破实验教学难点，实验内容的设计是重要一环。一要科学合理。教学方法科学，实验设计合理，实验器材、自制器材选择恰当，合理使用教学手段、实验内容。二要引导有效。能有效引导学生积极参与实验探究过程。三要改进创新。对实验教学方法或运用材料或实验器材进行改进、创新和完善。

3.分享实验方法设计。优化实验方法，有助于凸显器材和进一步提升小学科学实验教学的实效性。一要方向吻合。结合自制器材选择恰当的实验方法并说明依据，能体现小学科学课程与教学改革方向，为教学设计的合理性提供理论支撑。二要方法适合。实验教学的方法要适合学生的年龄特点，能反映教学改革理念，体现教学水平。

4.分享实验过程设计。合理的教学思路和教学环节可凸显器材改进的意义。一要结构合理。课堂教学结构合理，教学环节清晰、自然，逻辑性强。二要驾驭课堂。实验过程能体现教师的课堂驾驭能力，课堂反馈针对性强，有利于学生实验能力的提高和知识的掌握。

5.分享实验教学反思。反思自己的教学行为与器材创新情况，能建构自我的现代教学理念、优化教学行为，构建理论与实践的桥梁，提升自身专业素养。一要有“形”有“神”。针对实验教学和器材改进，进行问题原因分析、相关理论支撑以及提出改进措施，对问题进行深入探讨，做到有“形”有“神”，提升教学反思意识。二要评价得当。判定学生的实验学习结果，需要制订科学、合理、系统的评价反馈方案，借鉴多种手段进行检测和统计，最终通过实践来检验效果。

例如，根据教科版小学科学一年级下册第一单元第2课《谁轻谁重》实验中的问题，我们团队的教师设计了一个“声光电多维数字天平仪”，在“一分享”环节阐释了该装置的改进与创新，通过简易天平测量法、左物右码称量法、直接读数称量法互相对比，呈现出“声光电多维数字天平仪”的优势。使用改进后的实验装置展开实验探究，有利于学生比較不同物体的轻重并排序，从实际实验效果来看，学生实验用时减少、正确率显著提升，学生逐步建立起“物体有轻重”的认识。

实践证明，基于实验器材改进与创新的“4341析改创享法”，能有效避免小学科学实验教学知识化、形式化、虚拟化、边缘化等问题，充分体现教学性、科学性、创新性、启发性与实用性的统一，对促进小学科学实验器材改进与创新、提高小学科学实验教学的实效性、促进学生科学概念的建构、提升学生科学探究能力和科学素养都具有积极的作用。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［2］黄贤群.七谈小学科学有效教学［M］.南宁：广西人民出版社，2018.

注：本文系南宁市教育科学“十四五”规划立项课题“小学科学实验器材改进与创新的实践研究”（2021B068）的阶段研究成果。

作者简介：梁惠娟（1980— ），广西南宁人，高级教师，研究方向为小学科学教学。

（责编 韦榕峰）