创新实验装备 优化实验设计

〔摘" "要〕" 《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出，探究实践活动是培养小学生科学思维能力、探究实践能力和提升小学生科学核心素养的主要路径。科学教师要充分利用科学实验室进行教学，让实验室成为学生学习科学的主要场所。所以，加强实验装备的优化与创新，让学生经历有效探究和实践过程，对提升小学生科学核心素养尤为重要。本文从创新实验装备、优化实验设计方面进行探索，力求设计能够促进学生深度学习的思维型探究和实践活动，实现提升小学生科学核心素养的目标。

〔关键词〕" 小学科学；实验装备；优化；创新；核心素养

〔中图分类号〕" G424" " " " " " " " 〔文献标识码〕" A" " " " "〔文章编号〕" 1674-6317" " （2025）" 07" " 097-099

《义务教育科学课程标准（2022年版）》提出，科学课程的总目标旨在培养学生的核心素养，为学生的终身发展奠定基础。其主要包括让学生掌握基本的科学知识，形成初步的科学观念；掌握基本的思维方法，具有初步的科学思维能力；掌握基本的科学方法，具有初步的探究实践能力；树立基本的科学态度，具有正确的价值观和社会责任感。

探究实践活动是培养科学核心素养的重要途径，主要包括观察、测量、观测、实验探究、模拟实验、制作、体验等活动。其中，实验探究、模拟实验又是培养小学生科学思维能力、探究实践能力和提升小学生科学核心素养的主要路径。新课标指出，科学教师要充分利用科学实验室进行教学，让实验室成为学生学习科学的主要场所，保证学生完成全部的必做实验。

因此，加强对探究实践活动的研究与指导，让学生经历有效探究和实践过程，对提升小学生科学核心素养尤为重要。本文根据新课标的要求，从创新实验装备、优化实验方案方面进行探索，力求设计能够促进学生深度学习的思维型探究和实践活动，实现提升小学生科学核心素养的目标。

一、创新实验装备，让学生经历有效探究

随着新课标新教材的更新，许多学校实验器材存在老旧缺失的问题，已无法满足新课标的要求。“工欲善其事，必先利其器。”新课标要求教师根据教学需要，本着科学合理、安全可靠的要求开发实验教具。应充分利用日常用品和材料，开发创新科学实验，让实验更贴近生活，让课堂更有趣，使学生有更多动手实验的机会。所以，我们以创新实验装备为抓手，充分发挥实验探究活动培养学生科学思维能力的作用，实现提升小学科学核心素养的目的。

（一）优化实验材料，使实验现象更典型

我们在学生实验操作过程中用心发现问题，不断优化实验材料，力求让实验现象更典型。如在青岛版科学五年级上册《热对流》一课中，我们发现使用木屑不能很好地展示热在水中对流的路线，用高锰酸钾颗粒代替木屑，则可以更形象地显示热在水中的传递过程。但在实际操作中，我们发现投放高锰酸钾颗粒的多少、放在水中的位置也会影响实验效果。经过多次实验，探究出最适宜的颗粒数量，并发现用吸管作为通道将高锰酸钾颗粒直接送到水底中央，再轻轻拿出吸管，实验效果最好。我们在实验教学中运用这一方法，形象地展示了热对流的过程，实验现象更明显，实验证据更确凿，帮助学生清晰地了解了热对流的科学原理，也激发了学生的探究科学兴趣。

我们尝试设置专用实验装置，使实验操作更规范。青岛版科学三年级下册《影子》一课中，需要实验探究影子形成的条件。教材中的实验选用白纸、手电筒和阻挡物探究影子形成的条件，学生在撤去白纸后，无法将白纸和屏相联系，误以为影子的形成与“屏”无关；探究影子变化的条件时，每次改变的光源距离与角度的值都不确定，导致影子的变化无规律，学生难以得出结论。

我们根据以上问题对实验装置进行了优化设计：设计固定轨道和可移动的光源，精准控制三个条件“光源、阻挡物和屏”的有无。当撤去一个条件时，影子无法形成，这种单一变量的探究，有效培养了学生控制单一变量的科学思维。同时，在探究影子的变化与光源的距离和角度有关的实验中，学生在方格纸上记录不同条件下影子的大小：当光源角度一定时，改变光源与阻挡物之间的距离，影子的形状和大小就会发生变化；当光源与阻挡物之间的距离一定时，改变光源角度，影子的形状和大小也会发生变化。从而得出结论：影子形成的条件是光源、屏、阻挡物。

本实验装置的优点在于，既能探究影子形成的条件，培养学生控制单一变量的探究思维，符合三年级学生的探究特点；同时，本实验装置也能探究光源的位置与影子之间的关系，一举多得。本实验装置获第37届山东省青少年科技创新大赛辅导员组科技创新成果一等奖。

（二）创新实验装备，使实验证据更确凿

我们发现，在一些科学实验中有时会出现实验结论抽象、学生难以理解的问题。于是仔细研究原因，积极改进创新实验装置，将数字化实验装置引入科学实验中，力求实验证据更确凿。

如青岛版科学《水蒸发》一课需要实验证明“水蒸发时会使周围温度降低”这一科学原理。课文中呈现的实验方案是：用纱布包住水温计的玻璃泡，观测温度；将水温计放入水（室温）中，浸湿纱布，静置一段时间，待液柱静止不动后记录温度；将水温计从水中取出，在一段时间内观察液柱的变化，做好记录。

然而在实际实验教学中，我们发现此实验存在三大弊端。

1.原实验只用一支温度计测三个场景下（空气、水中、水蒸发）的温度，温度计示数随实验场景不同一直处于动态变化中。对小学生而言，这不利于其对数据进行对比、分析。

2.原实验使用普通水温计，难以精确测量温度的细微变化，本实验进行于初冬时节，此时室内温度低，蒸发速度慢，温度计示数变化很小，如果纱布包裹太厚，含水量太多，短时间内甚至看不到温度计示数的变化，导致学生难以准确收集实验数据。

3.原实验不能直观呈现水从多到少、从有到无的蒸发过程。在有限的实验时间内，学生从始至终看不到棉纱中的水从多到少、从有到无的蒸发过程，所以难以将“水蒸发”现象与“周围的温度降低”这一结果直接联系起来。

针对这些问题，我们创新了实验装备与方法：在木架上固定3支试管，将3支数显温度计插入试管内。实验方法：一是打开数显温度计，等待数字稳定后，观测实验开始前的初始温度；二是将1号试管继续置于空气中，将2号试管置于室温水中，将3号试管外部喷洒室温水雾，使其处于蒸发中；实验时间6分钟，每隔1分钟记录1次温度计数据；最后分析实验数据，得出实验结论。

这个实验的创新之处在于：可以全程直观呈现被测物体试管在空气、室温水、水蒸发三种场景中的温度变化，对比更鲜明；用数显温度计代替常规水温计，能精准呈现数据细微动态变化，便于学生观测并记录数据；让蒸发“看得见”，在试管外部喷洒水雾，学生能清楚地看到水从多到少、从有到无的蒸发现象，可视化的蒸发过程同时伴随温度计示数的不断下降，学生能很容易得出并理解“蒸发会使周围的温度降低”的实验结论。

这一实验改进装置获第38届全国青少年科技创新大赛（山东赛区）辅导员科技创新成果二等奖。

（三）巧用新材料，使实验效果更明显

随着新材料的不断普及，我们也积极尝试将新材料运用到实验装备中，收到了良好的效果。在小学科学五年级上册《热传导》一课中，常规使用的实验装置是一根铁棒，上面用火柴蘸取凡士林依次粘好，再加热铁棒一端，火柴棒会依次掉落，从而证明热可以沿着固体从温度高的地方传递到温度低的地方。在实际操作中，学生因为年龄小，蘸取凡士林的量有多有少，无法准确控制，实验中极易出现火柴不按顺序掉落的现象，从而容易得出与科学原理相悖的结论；同时，原实验装置存在热传导方向过于单一的缺点。

我们根据以上问题，对此实验进行了创新设计。

1.将三根金属棒与圆形铁片组合在一起，将单一的传导方向变为多元，既有直线方向，也有360°方向。

2.选择新材料温变油墨涂抹在材料表面，将热的不可见性转化成可见性。精心挑选浅粉色温变油墨，当它被加热到60℃以上时，就会变成深桃红色，实验中现象非常明显，实验操作对于小学生充满神奇与趣味性。当加热三根金属棒的一端时，可以看到金属棒从这一端向另一端逐渐变色，圆盘被加热的一端也变红，并慢慢向四周扩展。当用酒精灯加热圆盘的中心时，可以看到浅粉色的铁片从中心向四周慢慢变成深桃红色，热在金属棒与金属圆片中的传递清晰可见。

3.实验中，酒精灯火焰容易受空气流动的影响，导致火焰晃动，影响均匀加热，本实验增加防风罩，解决此问题。

本实验装置发挥了组合的优势，改进方法简单，易激发学生的兴趣，实验操作更节省时间，实验现象非常明显。此实验装置中的三根金属棒分别是铜、铁、铝，仔细观察，它们表面温变油墨加热后变色的速度也是不一样的，所以此实验装置还可以用于证明不同材质的金属传热能力不同。本实验装置获第36届山东省青少年科技创新大赛辅导员组创新成果一等奖。

二、优化实验设计，促进学生进行思维型探究

我们以青岛版（六三制）科学教科书为例，加强课例研究与打磨，在优化与创新实验器材的基础上，不断优化与创新实验教学设计，促进学生深度学习的思维型探究，有效提升学生科学素养。

在青岛版科学三年级上册《土壤的种类》一课“探究黏质土、壤土、沙质土的渗水性”实验中，教材上选用矿泉水瓶改装成漏斗式装置，选用黏质土、壤土、沙质土进行实验。实验时使用纱布包裹，水倒入黏质土、壤土土壤后长时间不吸收不下渗，导致黏质土和壤土的实验结果相近，区分度不高，甚至出现相反的结果。我们自制渗水性实验装置，将纱布换成过滤纸，缩短渗水实验时间，提高了实验效率；同时在量杯上标注刻度，有助于学生更好地观察到不同土壤的渗水能力是不同的。我们利用身边的材料加以整合，解决了教学中的重难点，提高了学生的探究乐趣。

在教学青岛版科学三年级下册《鞋底花纹的启示》一课开展“影响摩擦力的因素”模拟实验时，原实验是这样的：实验一，分别在木板上和毛巾面用测力计拉木块；实验二，在木板上用测力计拉加了两个钩码的木块。而在学生实际操作过程中，毛巾面非常容易褶皱，造成木块卡顿，影响实验数据的精确测量；测力计测数据时出现小数，三年级学生还没有学习小数的数学知识，不具备读两位小数的能力。我们根据以上问题优化实验方案：用砂纸代替毛巾，实验时操作更流畅；创新使用测力计，采用数格子的方法记录实验数据，简单易操作，收到良好的效果。

在教学青岛版科学五年级上册《地震》一课开展“模拟地震的成因”实验时，原实验方案是通过挤压毛巾，模拟地壳发生褶皱；通过折断筷子，模拟地震发生产生震动与发出声音。该实验方法过于简单，不能形象、全面地模拟地壳的运动方式及地震发生时的情境。我们在此基础上设计了三组结构化模拟实验：实验一，挤压或拉伸陶泥块，模拟地球内部高温高压产生的力量使地壳褶皱、错位；实验二，折断竹筷发出声响，产生震动感，模拟地震时有巨响及震动产生；实验三，弹动吹塑板底部的皮筋，模拟地壳震动，观察吹塑板上面的积木倒塌，模拟地震造成楼房倒塌的严重后果。这样的设计利用身边常见材料，层层推进，将抽象的地壳运动、无法复制的地震自然现象转化为可见的具象，深入浅出，得出结论水到渠成。

三、结语

总之，实验教学是培养小学生分析与综合、比较与分类、抽象与概括、归纳与演绎等基本思维方法的重要途径。科学教师应不断开发创新实验教学具，加强实验教学的探索，让学生在有效探究中，学会合理分析与综合判断各种信息、事实和证据，具备运用证据与推理对研究的问题进行描述、解释和预测的初步科学思维能力；具有对自然现象的好奇心和探究热情，能基于证据和逻辑得出结论，实现提升小学生科学核心素养的培养目标，实现小学科学的育人功能。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.关于加强和改进中小学实验教学的意见[S].北京：教基〔2019〕16号，2019：11.