杭州市第四届普教教研课题成果评奖一等奖课题论文
杭州市萧山区朝晖小学金亚军
【摘要】自制教具作为我校的传统项目，针对教材实验设计中存下的问题和缺陷，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形成策略。形成以吃透教材、深化教学、创意思考、设计生成、制作完善到检验应用的自制教具形成性操作策略，在总结和提炼中推进自制教具的研发，以实现交流合作共同发展。
【关键词】自制教具研发应用探究实验创意生成制作试验
一、课题的背景分析：
新课程改革以来，小学科学教学坚持培养科学素养为教育宗旨，以探究为核心作为重要的教学理念。探究即是科学学习的目标，又是科学学习的方式，将探究性教学提高到必要的的科学教学高度。但在平时的探究性教学中，却发现科学教材中存在实验缺陷和教具短缺问题，并且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，甚至影响学生的科学学习兴趣。
针对这样的现状，很多教师只能进行一些细微的教具改进，更多时候受到创意思考、材料选择、设计制作等难题而停滞不前，往往是心有余而力不足。有的教师难以进行实验器材的再设计，有的教师难于材料的选择和制作，有的教师为了比赛临时创作而存在考虑不周等问题不能坚持下来。于是，自制教具活动就很难得到教师们的积极参与，教具改进也就很难落实。
综上所述，考虑到自制教具的必要性，笔者开始思考和践行，并在平时教学中尝试自制教具的研发，经过7年多的执着研究，在该领域做出了有益尝试，先后研发具有知识产权的十余件自制教具，并作为课题来研究。该研究将认真总结个人的研究内容，挖掘内涵，细化方法，形成个人有效研究的同时和教育同行携手互进！
二、课题研究的内容
本课题的研究侧重于自制教具研发策略的一种提炼，通过课题研究总结和梳理自制教具的具体形成性策略，形成个人的创作风格。以期摸索出一套切实可行、可操作性强的自制教具研发策略，通过课题的交流将自制教具的具体策略共享交流。具体研究内容包括：自制教具灵感源的研究，自制教具的设计策略的摸索、自制教具的制作方略和自制教具的检验应用等环节。
三、自制教具研发策略的流程图
四、课题研究的操作措施及做法
自制教具是科学教学中值得长期研究的重要教研活动，它是教师对探究实验的一种提炼和思考，更是教师对探究实验的一种改进和拓展。自制教具在实施中充满着研发的多重策略的选择问题。在形成个人的自制教具风格的同时，总结出一套可供大家探讨和学习的自制教具策略。自制教具研发的课题研究总体思路，坚持从科学教学的高效达成作为出发点，吃透教材的同时进行创意思考，进而设计生成到制作完善，最后再实践检验的创作思路。
（一）吃透教材——提供自制教具的原理保障
自制教具是实现科学课堂有效探究的必要补充，必须根据教材提供的科学原理进行研发。因此自制教具的有效实施必须对教材做一个全方位的探究和思考，这是自制教具有效实施的客观前提。吃透教材能为自制教具活动做好有效铺垫，教材的吃透是一个始终如一的探究过程，教师在多次教学中，都可以对教材进行不同层次的思考和探索。
1.初读教材：现行科学教材往往存在一些教具不配套现象或教具短缺现象。教材的吃透要沿袭细吞慢咽的原则。
①读懂教材设置的基本实验现象。除了了解教材的基本布局外，还要研读教材的文本、图片，做到心中有数。
②理解教材设置的科学概念。科学概念是探究实验的成果目标，明确基本概念中蕴含的科学基本原理就尤为重要。
③现象和概念间建立一种联系性思考。实验和概念是有直接关联的，思考实验探究活动中传达的科学信息，思考与概念之间的合理性。
2.细读教材：对教材进行细化研读，有利于理清教材细节。对教材中的实验设置进行深入思考，思考实验操作和科学概念的有效衔接，读懂和理清教材中实验器材的设置重难点。
3.反思教材：实验设备的完善是没有止境的，要带着科学教学经验，在吸取实验成功与失败后，反思教材设置的合理性和高效达成性。对教材的安排进行质疑，找准实验设计的关键点，分析实验成败原因。
（二）深化教学——酝酿自制教具的动力支持
对科学教学的思考和拓展是自制教具的源动力。新课程以培养学生的科学素养为宗旨，以探究式教学作为科学教学的主要模式。教学中有许多未知领域值得我们去探索和追求，对探究实验中的脚手架——实验器材进行有效研究，将有效促进科学教学的发展。
1.目标定位：科学教学要求教师带领学生像科学家一样的科学探究，于是科学教学的内在深度和广度就得到了不断拓展和延伸。努力贯彻科学新课程先进教学理念，要以探究为核心，要面向全体学生，学生主体等理念。教师还要提升教师的科学素养，要以身垂范，不断总结和学习，努力成为一个研究者，以更好的引领学生科学素养的发展。以学生的现实、长远发展为目标，扎实、不懈地进行科学教学工作。
2.课前酝酿：凡事预则立，不预则废。课前的有效预设是教学成功的有效前提。教学设计要切合学生的学习心理，以科学探究为核心。教学导入要遵循生活化、趣味化原则，调动学生学习兴趣，自然顺畅的引出教学主题。实验部分，注重有效引导，注重学生的自主性，注重探究的研讨氛围。实验后要以学生的主动思考为宗旨，努力养成生生、师生的有效研讨氛围。
教学具的使用是科学探究课堂的有效载体。要做好有效的提前量，留出足够的准备空间。在每次课前都要进行下水试验，找准实验的成功和失败，并作前期思考。自制的教学具，要善于创新思考，在设计、取材和制作上要巧花心思，努力达成实验的合理性、有效性。
学生的学习心理和课堂教学氛围的把握，努力做到万事俱备、只欠东风的一种教学态势。要了解学生的学习心理，要善于倾听学生的呼声，要和学生打成一片。课堂气氛要以浓厚的探究味、研讨味和趣味化为目标，要以教师的教学魅力影响学生。
3.课时生成：如何提高科学课堂探究味，吸引学生的主动参与，是教学成败的关键。教学中要善于发扬教师个性，养成对科学教学的驾驭能力，要对科学教材灵活处理，养成轻松、有趣、高效的整体课堂气氛。
导入部分要切合教材主题，生活化、趣味化的导入，要充分调动学生的生活经验，激发学生的探究欲望。创建生活情景，以问题为线索，利用有结构材料进行铺垫，引领学生的有效思考和跟进。设计实验部分，引导学生对探究主题进行有效酝酿，制定探究计划，思考探究材料，然后再出示实验材料和实验细则。实验活动部分，要有效调动学生个体和小组的积极性，探究实验要安全、有效，促进研讨氛围的形成。实验探究后，要引导学生进行实验单的整理和研讨，以生生、师生的有效研讨为基础，不断提炼探究活动的内在价值。
从自制教具的角度来说，要反思实验器材在课堂教学中的达成性策略，可以从实验的高效性、便捷性、演示性和简约性等进行思考和突破。
（三）创意思考——引发自制教具的灵感生成
爱因斯坦曾说过：发现一个问题比解决一个问题更重要。自制教具的研发源于课堂而高于课堂，锁定探究实验的教学困惑进行有针对性的思考是成就自制教具的有效前提。如何挖掘自制教具的问题生成，自然成为自制教具的重中之重！
[案例一]自制教具：便携式电路检测器（教科版小学科学四下年级《电》单元）
技术资料见【附件1】
策略思考：
如何设计便携式电路检测器,就成为教师日常思考的问题。经过思考和研究，从学生佩戴的儿童玩具手表上受到启发,就产生将电路检测器安装到了玩具手表上的创意。
[案例二]自制教具：白糖加热实验改进版（教科版小学科学六下年级《物质的变
化》单元）技术资料见【附件2】
白糖加热实验要求学生戴安全手套，用手持金属汤匙用蜡烛给白糖加热。但在教学中发生了意外，加热中竟然有液态糖溅到了学生手臂上，幸好没有大碍。另外还发现白糖加热中，有学生感到惊恐，以至于不敢拿汤匙。
我把思考的角度定位为：制作支架固定金属汤匙，在多种方案中进行筛选和改进。起初想到用铁架台固定、三角架石棉网等方案，经过反复试验和改进，想到用铅丝来解决这一问题。结果利用铅丝弯折，三脚架边缘为基础，绕了一个汤匙架，从而解放了双手，安全性明显提高。
2.有效提高科学实验的直观演示性。
实验的直观演示也是一种很好的教学手段，如何提高传统教具的直观演示性也是自制教具的灵感源之一。
[案例三]磁悬浮列车教具（教科版小学科学三下年级《磁铁》单元）
技术资料见【附件3】
磁悬浮列车教学往往借用图片或视频等直观材料来导入，通过磁极原理的表述，通过环形磁铁进行同极相斥的实验来探究。但是微型实验教学能否迁移到大型磁悬浮列车呢？能否实现更有效的演示教具呢？
圆环形磁铁实验最大的缺点是个体较小，虽然能够较好的得出磁悬浮的概念，但是与实际较为遥远。于是就指向设计一个较大的磁悬浮列车模拟效果。经过一系列的思考，我从小孩子的强力磁铁受到启发。又在商业城买到2cm×1cm×0.2cm的强力磁铁。接着又解决强力磁铁拼装难题，接下来就是逐个突破，经过近两个月的努力很好的完成磁悬浮列车模型的制作。
3.以探究实验的难点突破为出发点。
教学中不难发现配套教具在教学中总会存在一些难点问题。很多难点达不成实验的精准性，且操作麻烦等问题，针对实验的难点突破是自制教具创作的重要源泉。锁定难点、突破难点就成为教具制作的重要路径。
[案例四]小缆车时速测量装置（教科版小学科学五上年级《运动和力》单元）
技术资料见【附件4】
在测试“拉力大小与小车的运动”的实验时就出现不可回避的操作难题。
难题二，计时数据的精确性较差。因为小缆车的起始到终点确认时仅靠经验感觉。
难题三，小缆车的行驶路线不稳定。没有专有行驶跑道，容易偏离直线跑道。导致小缆车行程变长，使实验数据缺乏可信度。
解决这些技术难题的关键是秒表的计时工作，在对秒表进行研究时意外发现秒表计时开关接口可外接，这就意味着秒表外可以用导线并联接出起始开关和终点开关。
之后先后攻克起始开关和终点开关的设计制作，还有小车导向轨道和终点开关内金属滑道，至此小缆车时速测量装置的设计和制作方案就浮出水面。
[案例五]数字化轮轴原理器（教科版小学科学六上年级《工具和机械》单元）
技术资料见【附件5】
轮轴一课的实验探究，按教材设计的实验方式也存在一些难以克服的难点。
难点一，轮轴原理缺乏足够的说服力。按教材只能实现两倍轮和三倍轮的实验探究。仅仅两次实验，从实验次数的要求来看显然是不够充分的，影响了实验结论的有效性。
难点二，要实现轮轴的大小组合，组装繁琐，轮轴两边挂砝码需要一定的技巧。
如何实现集成化实验效果成为思考的重点。起初想到一倍轴和两到五倍的轮进行组合，这样就实现多轮轴组合效果。但是制作麻烦，又费材料。
能否实现简单、有效的实验设计成为新的思考热点。出于删繁就简原则，将多轮进行合并，决定使用单平面结构，再用画圆方式绘制多轮圈。
然后在多轮圈横向直径交点处设置挂杆，轮轴面左侧挂杆挂砝码，右端挂杆用挂线连接可移动电子称，这样就实现轮轴实验的数字化、简约化、高效化的实验效果。
[案例六]数字化物体稳定性检测器（教科版小学科学六上年级《形状与结构》单元）
技术资料见【附件6】
《建高塔》一文按教材设计将塑料瓶大头朝下稳定，瓶口端朝下就不稳定；上轻下重稳定性好的实验时，在塑料瓶底盛放沙子或水，然后实验得出底部加重稳定性好的原理。仔细端详，这样做实验就显得有些粗糙，而且只是用手指拨动的方法进行，这仅仅是初略的感觉而已。有背于科学的严谨性和科学性，对学生科学概念的形成具有负面影响。
难题解决就是设计制作一个相对标准的实验工具。设计灵感来自实验中用手拨塑料瓶的创意，于是设计用挡板代替手，用螺杆旋转推动挡板移动，挡板上再设计移动指针和刻度盘配合以数据呈现。后又设计大小模块和轻重模块，作为标准实验模块，从而实现实验的标准化。
4.紧紧围绕科学概念的有效生成。
[案例七]体验版撬棍原理器（教科版小学科学六上年级《工具和机械》单元）
技术资料见【附件7】
[案例八]数字化撬棍原理器（教科版小学科学六上年级《工具和机械》单元）
技术资料见【附件8】
杠杆教学按教材设计，从撬棍翘石头情景导入，再找找抽水机、跷跷板上的三个杠杆基本点。然后判一判常见杠杆类工具。最后安排杠杆尺来研究杠杆的三种用力情况。
但是，这容易对杠杆原理认识构成理解的障碍。
首先，撬棍敲石头对于现代学生来说是非常陌生的，学生可以说没有体验的机会。包括第二环节中的榔头、老虎钳等工具都很难有效体验，没有了生活经验的支撑，教材的设计就变得空洞乏味。
另外，关于杠杆尺的研究来得出杠杆的三种受力情况时也存在问题。利用杠杆平衡原理来得出的数据，学生很难找到其中的规律。教师只能进行指引式引导，学生对杠杆原理的理解就变得生硬。
策略思考一：
如何实现高效的撬棍原理体验就成为思考的热点。起初的方案是在教室里提供实物体验，但准备繁琐，并有一定的危险性。然后想到在实验桌上体验的设想。决定将支点设计为滑道移动式，重物盒可放不同数量砝码的方式，重物盒用长块合页固定在底板上，经过这样的设计后一个多功能、高效的体验版撬棍原理器就初具成型了。
策略思考二：
如何解决实验数据整理难的问题，一直困扰着一线教师。经过思考，紧紧围绕撬棍进行延伸和拓展，设想撬棍用力点一端用来挂取砝码，阻力点一端设想用电子秤进行数字化显示。又将阻力点向上的力量利用下端的定滑轮转化成向下力量，再用手提电子秤显示，就此数字化撬棍原理器的灵感模型就此显现。
5.以实验操作的有效便捷为突破点
好的实验除了要有效达成实验效果外，还要实现操作的有效便捷，这也是对实验器材的基本要求。我国科学新课程改革已有多年，但是教材提供配套实验器材还是存在一些操作繁琐的现象，因此提升实验器材的便捷操作就自然成为自制教具的灵感源。
[案例九]摩擦力和斜面组合教具（设计完善中）（教科版小学科学五上年级《运动和力》单元、六上年级《工具和机械》单元）
摩擦力教学包括摩擦力大小与接触面状况、物体重量、运动方式的关系，教学内容非常丰富。但教学中，教师要准备不同接触面、轻重重物盒，还要准备滑动滚动重物盒，给教师的器材准备提出较高的要求。学生操作时，就会出现手拉弹簧秤不稳定的问题，而且配合难。
斜面教学的实验操作时也出现较多问题。首先搭建斜面板时需要一个支架，放小坡度斜面时较为容易，但是大坡度斜面就很难实现。用弹簧秤拉动重物时，由于斜面有坡度，拉动时普遍存在操作难、不稳定的问题。
如何实现实验操作的便捷性和有效性成为思考和突破的方向。设想设计制作摩擦力和斜面的组合教具，需要解决的具体问题包括：
（1）弹簧秤的手动拉动改成机械拉动，以提高操作的稳定性。设想用小电机来机械拉动，配以弹簧秤或力传感器。
（2）提供转速稳定的电动机。以环保为原则，决定用220V电源慢进电机，转速稳定，适合实验设计需要。
（3）机械化角度调节功能。在斜面下端活动连接一个支杆，支杆下端活动连接至槽口内侧的滑道片上，利用螺杆来控制滑片，以控制斜面的坡度。
（4）二合一的组合设计。斜面坡度调节问题，只要将面调成平面效果即可。
（5）电动拉线的快速回线。斜面板右端微型电机转轴与绕线轴之间设置一个离合连接，离开时快速回线，咬合时实现拉动。
（6）电源的自动开关设计。教具电路中串联两个微动开关，两个开关片分别安装在弹簧秤支架末端和绕线轴开关处就能实现。
（四）设计生成——促进自制教具的方案完善
有了自制教具的创作灵感就是成功的开始，在灵感雏形的基础上要努力做到精益求精，不断完善。在不断反思、改进、突破中循序思考，巧用图纸为依托努力向自制教具的设计完型推进。
自制教具的设计有很多方式，因人而异。设计环节简约高效是原则，努力实现事半功倍的效果。
教具的构思要遵循针对性研究原则，在远景目标指引下，逐个击破，步步为营的策略。要养成先重后轻首先攻关核心技术的设计要领，然后再研究附加难题，这样就可以少走弯路。
设计环节中，要有的放矢的多维思考。突破的关键是核心技术的攻坚，核心技术除了原理的技术以外，还要考虑到制作的可行性。有关核心技术的试验，以简单有效为原则。
设计环节中，要对教具的制作环节做好准备。教具制作的总后台是设计者，坚持自主制作、外援参与为原则。制作中和木工、铁匠工和油漆工等要做好及时的联系，建立长久合作事宜，就为后续工作做好准备。
（五）制作完善——实现自制教具的有效制作
自制教具的取材和制作是建立在方案的完善构思与设计之上。预先的周到设计和精确图纸描绘，为教具制作指明方向。材料的构思与预设都基本完型，包括制作可行性都要明确安排。
1.检查设计图样：制作前必须对设计图纸进行排查，确保图纸接近成品效果。检查的问题有：①图纸的结构原理的正确性。②图纸尺寸大小的规范性。③材料选择的有效途径。④制作加工的合理性。
2.准备制作工具：常见工具如剪刀、老虎钳、尖嘴钳、螺丝刀、金属焊接器等，以及各类胶水、胶带等粘合剂。非常见工具，如电钻、抛光机、简易车床等。对制作工具，要做到心到手到，注意积累操作经验。
3.预设制作材料：教具的取材，设计环节就进行安排和采购，可以到各建材市场选材，尽可能买价廉物美的材料。购买途径包括：一般小店、商场、商业城，网上购物等。购买时要了解清楚，采购前最好列个清单，以免遗忘。
4.统筹制作步骤：首先制作关键技术环节，再对其他附加难题进行制作，制作中要及时查看和修正。确保质量，统筹安排，保质保量的完成制作。
5.自主有效制作：坚持自力更生为主，要把设置图样记在心里，努力化为实物，对各环节都要有足够的把握。制作时要控制设计的尺寸和形状，并做好及时试验。
6.联系外援制作：如熟悉的木工、铁匠工、油漆工等，有必要求助外援进行制作。教师要做好有效指导，要和外援做好有效的交接。制作的要求要交代明确，及时商讨，寻找最佳制作方式，要和外援建立良好的合作关系。
7.组装美化教具：对教具的外形美观进行设计，教具外形的颜色，装饰涂装等都要进行美化。
（六）检验应用——优化自制教具的使用实效
对自制教具的试验是一条不可或缺的环节，对自制教具的应用是最终的归宿。再好的设计与制作都会有细微缺点，就要对自制教具进行实践性检验，更需要在教学应用中不断完善和提升教具的价值。
要明确自制教具的实验功能下，进行有的放矢地反复试验。要进行数据的收集和记录，或借用仪器来检测。在应用中比对实验数据和实验要求的达成度，在展示和交流中征求学生的意见和看法。
1.设计的检验环节：设计环节的检验可以为有效制作提供基础保证，一个个难点突破当中，只有经过有效试验才能有效推进教具的设计。以先重后轻、逐个击破为原则，检验工作坚持简约有效原则，并及时整理、思考和改进。
3.后期的检验环节：教师要对教具进行多次实验操作，并做好实验记录。整理和比对预设效果，如果没有达到设计效果，就要进行教具的调整，直到达到设计要求为止。
4.课堂的应用环节：课堂的有效达成是自制教具的最终目的。在课堂上，需要将自制教具预设在教学方案中，针对教具的使用效果，进行多方位分析和评价。操作的便捷性，实验的直观性、简约性都要进行细致的检验。对出现的问题，进行深入设计和改进。
例如：在一次杭州市教学调研活动中，笔者执教《杠杆的科学》一文。在杠杆平衡尺实验探究环节中，引入自制教具：数字化撬棍原理器。教学中，让学生小组参与杠杆平衡尺实验探究的同时，引导一组同学进行数字化撬棍原理器的实验探究。之后的交流环节，大家首先交流杠杆平衡尺的平衡规律，可以看出学生在总结规律时学生有一定难度。接着老师顺势提出，是否有更简单的办法来得出杠杆尺规律，学生提出如果能显示阻力点和用力点的力量就好了。然后，出示并介绍数字化撬棍原理器的基本原理，再出示学生得出的数据表。学生通过数字化撬棍原理器的实验数据对比，显而易见的得出了杠杆原理。数字化撬棍原理器给学生的思维提供了崭新的思路，对学生创新思维是一种很好的启迪。
五、课题研究的成效
我校自制教具的开展具有悠久的历史，秉着传承和发展的原则，笔者经过7年多的持续专研，在自制教具方面取得很好的效果。先后研制出十余件自制教具，有力的改善教具的缺陷和短缺问题，教学反响很好。
（一）自制教具创作与教师的专业发展的倍增提质
1.有效促进教师对教材设计的有效研读。
自制教具需要找出教材实验设计的缺点，对教材进行深入的思考和研究，并在教材的基础上有所突破。对教材的完整设计都进行了深入思考，为教师的科学教学提供保障。
2.有效促进教师对科学课堂的有效教研。
自制教具灵感源自科学课堂，对教材实验在课堂上的使用，教师有心与教学，努力发现实验的缺点。考虑实验的有效性，考虑学生的有效学习，教师对科学课堂就有更多的思考和把握。
3.有效提升教师的创新设计能力。
开展自制教具的核心是创新，自制教具的发展也是创新。在科技发明和自制教具上都进行了有效尝试，先后获得19项国家实用新型专利。创新设计能力在教具制作中得到有效应用，将发明技巧嫁接到自制教具活动中。创新技术的引入，使教具更具科学性、巧妙性和便捷性，教师的创新能力得到提升。
4.通过参评展示力推教师专业成长。
5.增强教研组的团队凝聚力。
自制教具除了教师的努力钻研外，教研组成员的通力合作也是不可缺少的。有很多的技术都是教研组教师一起研讨协商的，教研组推动自制教具顺利开展的同时，教研组的团队意识也得到了进一步加强。
（二）自制教具应用与学生的学习效率的螺旋提升
1.提升学生实验探究的有效性。
自制教具的有效制作，对教材实验设计进行了改进和突破，有效改善了科学探究实验的有效性。学生的探究实验更具说服力，操作便捷，数据准确，提升了学生对实验原理的理解空间。
2.提供学生鲜活的创新素材。
对实验器材的一系列改进中，学生会看在眼里，想在心里，他们会知道原来实验设计还可以有更好的突破，这就是学生创新教育的活教材。教学中教师对自制教具的创作事例进行说明，学生就了解到创新后面的付出和智慧，从教师的平时教学举止中潜移默化的进行了创新能力的熏陶。
3.提高学生的科学学习兴趣。
自制教具的有效应用，学生会发现科学实验原来有这么多学问，对教具的改进后达到的良好效果，学生自然对科学课堂更加充满期待，促进了科学学习的兴趣。教学中学生除了对自制教具非常好奇外，课堂参与和研讨氛围都明显改善。
（三）自制教具研发与学校的科学氛围的相得益彰
自制教具需要学校形成一种促进机制，需要科学教师团队在其中起到引领作用。自制教具的有力充盈使学校的科学教育推向一个新的高度，学生在其中是获益最多的，这正是学校的办学宗旨。自制教具有利于学校形成一种乐于专研的教学氛围，这是学校教师教学能力的有力促进点。优秀自制教具的对外展示评比，又成为学校的对外展示的一个良好平台。
综上所述，自制教具在我校的开展已成气候，这一科学教研传统将不断得到延续和发展。针对教材中实验设计的有效达成，进行细致的研究和批判，以期实现更优化的实验效果。除了对已有自制教具进行研究，还将自制教具的研发扩展到3-6年级全册教材。对自制教具的研发流程进一步的发展和提炼，提升我校的整体研发实力，力推科学探究教学的不断发展！
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