黄瑞

【摘   要】实验器材是学生進行科学探究式学习的基础，对于达成科学学习目标，培养学生科学核心素养起到关键的作用。但在教学实践中，许多实验缺少合适的实验器材，导致学生难以通过实验活动有效建构科学概念。对此，教师应对其中的疑难实验器材进行优化与创新，使用“创新直观化材料、优化危险性材料、整合结构性材料、选择生活化材料”等策略，提升实验教学的有效性。

【关键词】实验材料；优化创新；小学科学；核心素养

《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确提出，科学课程旨在培养学生的核心素养，为学生的终身发展奠定基础。学生须经历发现问题、提出假设、设计方案、开展实验、交流讨论、得出结论等过程，解决课堂中的核心问题，从而掌握基本的科学知识，形成初步的科学观念，树立基本的科学态度，提升自身的核心素养。科学实验活动是学生在科学学习中十分感兴趣的环节。所谓“工欲善其事，必先利其器”，这句话用在小学科学实验活动中很是恰当。合适的实验器材是助力学生开展探究式学习，帮助教师更好地开展教学活动的物质基础。

一、审视：小学科学实验器材的使用现状

在教科版《科学》的教学实践中，部分实验缺少合理、直观、有效的器材，阻碍了学生对实验现象的观察与思考及对科学概念的有效建构。

（一）操作复杂，观察难度大

尽管当前的科学实验教具正在逐步完善，但部分实验材料还存在操作复杂、观察难度大的问题，导致学生在操作中无法直观地观察到实验现象，难以对问题进行有效的讨论，阻碍了科学概念的建构。

（二）存在缺陷，安全隐患多

科学实验活动必须要在安全的前提下进行。但在实际教学中，许多材料都存在安全隐患，不仅不符合学生的操作程序，还会使学生对实验操作产生恐惧感，阻碍后续学习进程的顺利推进。

（三）环境限制，体验感差

在小学科学实验教学中，对自然现象进行观察、思考和推测，是培养学生科学能力的重要方式。但是，部分科学实验活动受到自然环境变化的限制，使得教学无法按照原本的计划进行，导致单元学习目标难以实现，学生科学学习的体验感较差。

（四）脱离生活，迁移效率低

对于科学实验活动，许多学生在课堂结束后都会感到意犹未尽，继续探索的热情很高。但是由于实验器材与实际生活联系不足，学生的课后迁移效率较低，无法形成课内外科学探究的有效联动。

二、思考：小学科学实验器材优化与创新的着力点

针对当前科学实验器材使用的现状，教师需要思考解决的方法，对已有的器材进行优化创新，从不同维度寻找改进的着力点，使实验利于“动手操作、保证安全、概念衔接、拓展延伸”，助力学生的科学学习。

（一）创新材料，利于动手操作

设计简易、便于操作、有趣味性的实验材料，符合学生的年龄特点，有利于把复杂的过程简单化，让学生在体验实验乐趣的同时，深入理解科学原理，有效建构科学概念，熟练掌握科学方法，提升科学素养。

（二）优化材料，利于保证安全

确保实验安全是科学实验教学的前提，也是优化器材时需要注意的部分。安全、可操作性强的器材能够让学生在实验过程中专注于解决问题，消除恐惧感。这也符合他们的思维能力和操作水平。

（三）整合材料，利于概念衔接

教科版《科学》是以大单元、主题化的模式进行设计的。在单元学习中对某一主题进行研究时，如果能将前后不同的实验器材进行有效整合，就能缩短实验的准备时间，也有利于科学概念之间的相互衔接。

（四）选择材料，利于拓展延伸

科学实验在某种程度上是生活现象的重现。对于教材中的疑难实验，如果能选择生活中常见的材料进行优化，就更容易让学生了解其中的科学原理，并在课后对本节课的知识进行拓展延伸，开展可持续性的学习。

三、探索：小学中段科学实验器材优化与创新的策略

基于上述现状，以教科版《科学》三年级上册为例，教师尝试对部分疑难实验器材进行创新和优化，并总结和梳理相关资料，提出能够凸显直观效果、提高操作实效性的实施策略，帮助学生提升创新能力和实践能力，促进学生科学核心素养的发展。

（一）创新直观化材料，解决观察难点

在教科版《科学》三年级上册《水结冰了》一课中，教材要求学生用烧杯装碎冰和盐，开展使水结冰的实验，同时用手持温度计持续测量水温，并用橡皮筋标记水位。然而，本实验装置存在着较大的缺陷：碎冰的准备过程费时费力，不能满足班级多个小组的活动要求；碎冰加盐所形成的环境温度不够低，导致结冰时间长，可观察时间短；碎冰可视性差，学生无法观察到水结冰的过程，使得实验的直观性效果大大降低。为此，教师对实验材料进行了优化，即用冷冻后的饱和食盐水制造低温环境（如图1）。常温下，饱和食盐水的凝固点约为-22 ℃。如果将其存放在冰箱冷冻室，能降低温度，但不会凝固。此外，教师还将烧杯换成250mL的双层玻璃杯，将珍珠棉作为杯盖，减缓饱和食盐水温度升高的速度。在玻璃试管中加入水后，教师用橡皮筋标记水面的位置，让学生观察水结冰过程中体积的变化情况。试管和温度计还能插入珍珠棉杯盖的中央，达到固定的效果，使学生无须用手拿着温度计，使操作更加方便。实验中，双层的玻璃杯在加入食盐水后能起到放大效果的作用，学生容易观察到试管和温度计在水中的变化，极大提高了水结冰实验现象的直观性。

科学探究活动必须要有相应的实验器材作为探究基础。科学合理、易于操作的实验材料是科学学习成功、有效的关键所在。对水结冰实验装置的创新和优化，实现了实验器材的直观化、实验过程的简易化、实验现象的可视化，解决了实验过程中的观察难点。学生热情高涨，在实验中聚焦关键现象，极大地提升了学习效果，有效发展了科学核心素养。

（二）优化危险性材料，助力安全探究

在教科版《科学》三年级上册《我们来做“热气球”》一课中，学生需要小组合作利用塑料袋、蜡烛、纸筒来模拟制作一个热气球，并通过观察、感受、记录、讨论，明白热气球升空的秘密。教材中的实验材料看似简单，但在实际教学中却存在许多安全隐患，如蜡烛容易翻倒、纸筒和塑料袋容易燃烧等。加上不同材料的塑料袋的受热程度不同，塑料袋的尺寸不合适等问题影响小组合作，导致实验的成功率下降，学生在实验中的专注度不高。通过不断的优化和测试，教师决定采用石膏粉固定蜡烛，将加厚的塑料PVC管切割成带孔的圆筒，使用50cm×50cm规格的塑料袋（如图2）。这样，实验的安全隐患得到了解决，学生便于操作。学生在实验中的观察点和讨论点集中于塑料袋的变化，概念的建构更加高效，教学目标更快达成。

又如，在教科版《科学》三年级上册《风的成因》一课的实验活动中，学生小组合作利用蜡烛、纸盒、线香和小风轮观察空气的流动情况，从而建构温度差使空气流动的概念。教材提供的实验材料（如图3）存在较大的安全隐患：蜡烛在纸盒中燃烧产生的热量在短时间内就能导致纸盒燃烧。

为了优化材料，教师将前一节课使用过的PVC圆筒作为本课实验的关键材料（如图4）。这样就有了直观的烟雾流动通道，学生能够安全、直观地观察烟雾流动的过程。且学生可以在PVC圆筒上方放置小风轮，通过小风轮的转动了解空气流动形成风的原理。

教师应基于学生的实际操作水平，选择安全的实验器材，助力学生进行科学探究，提升科学课堂效率。教师也能在优化实验材料的过程中对教学内容产生更多的思考，为学生的学习搭建有效的探索支架，促进学生思维的发展和概念的建构，落实对学生科学核心素养的培养。

（三）整合结构性材料，解决限制条件

教科版《科学》三年级上册《观测风》一课中的探索活动是让学生借助小风旗和风向标来判断不同位置的风速和风向，建构起小风旗飘动的方向与风向相反、风向标的指向与风向相同、小风旗能够表示三种不同的风速等概念。但在实际教学中，经常会遇到上课时无风的情况，或者学生只能感受一个方向的风，导致科学概念的建构不完整、不透彻。很多学生在本课结束后依然无法掌握判断风速和风向的方法。对此，教师尝试优化实验材料，利用方位纸、手持风扇、小风旗、风向标模型等（如图5）解决实验中遇到的问题。学生在小组活动时，可以将小风旗或风向标模型立于方位纸中央，并将手持风扇放在不同的方位模拟风吹来的不同方向。这样能够非常直观地观察到小风旗飘动的方向与风向相反、风向标的指向与风向相同等现象。且手持风扇可调节风速，学生能够通过小風旗飘动的幅度感受不同的风速。

又如，在教科版《科学》三年级上册《测量降水量》一课中，学生需要学习气象学家测量、记录和确定降水量的方法。为了激发学生学习测量降水量的兴趣，让学生理解雨量器的工作原理，教师指导学生亲自制作一个简易雨量器，用来测量、记录降水量。由于条件限制，课堂中无法组织学生对真实的降水量进行测量。因此，教材要求学生利用喷壶模拟降水。但是由于喷壶喷出的水滴比较细小，无法满足自制雨量器的蓄水需求，活动中有学生直接用喷壶对着雨量器口喷水，失去了模拟降水的意义，实验活动变成了无效的“玩耍”，学习目标无法得到有效的落实。基于此，教师对测量降水量的实验材料进行了优化，将浴室花洒与塑料瓶相结合，制作新的实验装置（如图6），用来模拟降水，使降水量的测试更具直观性。花洒能够改变喷水量的大小，模拟不同的降水量，为学生后续对实验现象的深入讨论打下基础。学生也能在实验中获得独特的活动体验，可谓一举多得。

优化实验器材，整合结构性材料，能够对自然观察类的科学探究实验进行有效的补充。教师在实验前期，应有效处理部分实验活动与课堂时间和空间矛盾的问题，引导学生不断探索，积极思考，提升科学探究能力。

（四）选择生活化材料，促进迁移应用

在教科版《科学》三年级上册《水沸腾了》一课中，学生需要观察水的沸腾过程，记录水沸腾的相关现象与证据，与已有的认知形成冲突，从而获得深刻的体验与认识。该实验要在敞口的烧杯中进行，导致水在加热过程中热量散失较快，水温很难达到沸腾所需的100℃。且实验时间较长，大多数小组无法在规定的时间内完成操作。加上实验材料的缺陷，导致学生的观察兴趣大大降低。许多教师只能自圆其说，让学生牢记水沸腾的现象，违背了科学探索实事求是的精神。

因此，教师尝试对本实验中的材料进行优化，选择生活中学生熟悉的迷你电陶炉来加热烧杯，并利用变形夹固定温度计（如图7）。这样，学生不仅能在短时间内观察到水从常温到沸腾的所有现象，感受水温上升的过程，也能直观认识水在100℃时沸腾，沸腾后继续加热温度不会再上升的事实。学生在课后可以利用家中的烧水设备重复实验，巩固本节课的知识，并将知识迁移应用到生活中，提升自身的核心素养。

又如，教科版《科学》三年级上册《空气有质量吗》一课中，学生围绕空气质量的问题进行探索，并利用简易天平这一熟悉的测量工具证明空气是有质量的。但是，由于空气质量较小，加上天平的转动受到摩擦力的干扰，学生很难观察到打气后皮球变重的现象，只能凭借想象猜测实验结论，并过渡到对知识的机械性记忆。

对此，教师以生活中量程小、精度高的精准电子秤作为测量工具（如图8）。学生通过直观的数据，比较小球在打气前后的质量差异，认识到空气也有质量这一事实。在《一袋空气的质量是多少》一课中，学生再次将生活中较轻的物品与空气进行比较。教师可以在课后作业中引导学生运用精准电子秤，寻找身边较轻的物体与空气进行对比，对知识和方法进行迁移应用。电子秤的使用方法简单明了，极大地简化了实验操作的难度，让学生专注地思考核心问题。由此，科学核心概念的建构也会更加完善、彻底。

科学概念的有效建构需要建立在实验探究活动的基础上。对现有实验器材进行优化和创新，不仅可以提升实验教学的有效性，弥补原本实验器材的不足，还能促进学生深入理解、迁移和应用科学知识，进一步培养学生的科学观察能力、实践动手能力和思维创新能力，有效落实科学核心素养的培养。科学教师要善于发现，乐于思考，勤于总结，在教学中时刻留心科学实验器材的使用情况，提升实验器材的使用质量，助力学生进行真实有效的探究式学习。

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）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［2］喻伯军.小学科学教学关键问题指导［M］.北京：高等教育出版社，2020.

［3］杨崴.小学科学实验教学改进策略［J］.新课程，2021（32）：212.

［4］黄月凤.实验器材优化对于提高小学科学实验教学有效性的作用研究［J］.教育界，2022（8）：98-100.

［5］张懿，陈莉.素养导向下小学科学实验教学改进策略［J］.实验教学与仪器，2023，40（1）：88-90，99.

（浙江省瑞安市君子石小学）