《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出：“教师应根据教学需要，本着科学合理、安全可靠的要求开发实验教具，充分利用日常用品和材料，开发科学创新实验，让实验更贴近生活，课堂更有趣，使学生有更多动手实验的机会”
［1］。自制教具是小学科学教师一项必备教学技能，笔者通过课题研究，结合自身开发教具的经验，总结小学科学一线教师自制教具设计与开发的路径。
1 基于真实问题，确立自制教具出发点
一线科学教师自制教具要坚持问题导向，力求解决课堂实验教学当中真实存在的问题，以提升课堂教学的实际效果为出发点。问题的确定有两条基本的途径，即课前预做实验和课后实验反思。
1.1 课前预做实验，发现问题
以教科版科学四年级上册“声音”单元第4课“我们是怎样听到声音的”为例，教材方案是用气球皮套在塑料杯口模拟“鼓膜”，在“鼓膜”上放置细沙或纸屑，敲击音叉制造不同声音，观察鼓膜是否振动。笔者在做“下水实验”时就判断学生操作会存在以下困难：一是音叉发出声音的强弱和远近不易控制，二是气球皮的振动现象难以观察和区分差异。此外，在本课中通过纸卷喇叭来模拟“耳郭”，无法体现耳的整体结构。课前预做实验发现问题，教师必须设法改进实验方案。
1.2 课后反思实验，梳理问题
学生实验活动的有效开展，涉及实验设计的科学性、器材的适配性、操作步骤的正确性、动作的规范性以及实验时间的适度保证等因素
［2］。教材中还有一些实验方案，因课堂上小学生的观察和操作能力有限，也会导致效果不佳。在教科版科学四年级上册“声音”单元中，第5课以不同的力拨动钢尺探究声音强弱变化，第6课通过拨动伸出桌面不同长度的钢尺来探究声音高低变化。实际教学效果不够理想，课后笔者反思至少有两点原因，一是钢尺振动现象短暂易变，学生观察困难；二是难以控制实验变量，强弱和高低两个因素在实验时相互干扰。
2 研究原有案例，找准自制教具突破点
一线教师在自制教具的构思阶段，广泛查阅文献资料，研究已有的案例，分析其中的原理和优缺点，是非常重要的一个环节。通过对比和分析各种案例，找到教具设计的突破点，为下一步的迭代开发提供参考
［3］。
2.1 研究原案例，分析优缺点
为了更好地了解当前教师对“声音强弱高低变化及传播”相关内容的教具开发情况，笔者通过书籍、知网等多种途径找到了不少资料，分析具有代表性的自制教具的实验方法、优点和待改进点，详情见
表1。
2.2 定位疑难点，找准突破点
原案例中优点部分可以供我们借鉴模仿，其中的待改进部分就是有待解决的疑难问题，这些疑难问题也正是一线教师自制教具所要突破的方向。通过以上对原有案例的分析，可知探究声音的强弱、高低变化以及声音在耳内传播等声学实验有两大疑难点：一是难以精确控制实验的变量，二是难以使物体的振动保持稳定。
3 巧用多种策略，创新自制教具的设计
基于改进要点进行方案设计是教师自制教具整个活动中的核心环节，好的设计方案是开发出优秀教具的前提条件。自制教具方案凝聚了开发者的创新理念，也代表了开发者的阶段性思维成果
［4］。一线教师要善于突破原有的实验思路、变通实验原理，尝试用新方法、新材料、新技术设计教具，使原本不可见的现象变得可见，使原本不稳定的现象变得稳定，使原本不可控的变量变得可控。笔者结合自制教具“声音变化的探究设备”，阐述几种常用的创新设计策略。
3.1 选用简易的材料，组装成套教具
钢尺、音叉和橡皮筋等都是常见的声学实验材料，但是作为声源往往振动现象不够稳定。为增强实验的稳定性，可用音箱替代钢尺、音叉等作为实验声源。本教具制作材料主要包括迷你音箱、泡沫小球、仿真蝴蝶、手机及软件“频率声音发生器”，组装方法如下：取一只小音箱，使其振膜与悬挂小球接触；再取另一只小音箱，在其振膜粘着一只仿真蝴蝶，通过软件“频率声音发生器”控制音箱发声的变化。本设备既可以探究声音强弱的变化，也可以探究声音高低的变化。
3.2 借助信息化手段，控制实验变量
将现有的各种传感器、虚拟实验室及应用软件等信息化手段引入科学实验，都可以很好地提高教学效果。如何精确控制变量一直是声学实验的难点，本设备就通过软件“频率声音发生器”实现突破。该软件可以保持声音的强弱不变，精确调节发出声音的频率，探究声音高低变化时就可将声音由低到高设定为5 Hz、15 Hz和40 Hz。该软件也可以保持声音的频率不变，稳定调节发出声音的强弱，实验时可调节音量键，将声音由弱到强分别设定在1/2处、3/4处和最高处。用该软件控制音箱发声还有另一个优点，让原本短暂易变的振动现象持续而稳定地存在。现在智能手机功能很强大，许多软件都可以应用于实验教学，比如分贝仪、星座地图等，教师应在教学实践中积极运用。
3.3 利用间接观察法，放大实验现象
运用间接观察法，将原本不易观察的振动现象变得可视化、显著化，便于学生观察研究，这是一线教师自制教具最常用的策略。音箱振动现象不易观察，故本套设备用泡沫小球的弹开幅度来放大音箱振动幅度，用仿真蝴蝶振动快慢来放大音箱振动快慢，实验现象显著且稳定。在探究声音强弱与振动幅度的关系时，音量键从1/2处调至3/4处再至最高处，发现音箱声音越强，小球弹开的幅度就越大。在探究声音高低与振动快慢的关系时，声音分别设定为5 Hz、15 Hz和40 Hz，发现音箱声音越高，仿真蝴蝶振动越快。基于以上实验现象，学生再经过推理论证就可顺利建构相关概念。
4 迭代更新材料，完善自制教具的制作
选择合适的材料是自制教具的关键一步，材料的性能决定了教具预设的各种功能是否能实现。在寻找材料的过程中，教具开发者需要对材料的性能和成本进行综合考量，找到性价比最高的材料。要想制作出一个精品教具，开发者往往还需要在实践中不断摸索，选用更适宜的材料迭代更新，让自制的教具逐步趋于完善。笔者以自制教具“鼓膜振动可视化模型”为例，阐述自制教具优化与更新的过程。
4.1 初步制作，验证原理
自制教具有了初步的构思，就一定要积极动手做出实物，第一版实物不要求尽善尽美，只要能验证基本原理是可行的，就是教具制作成功的开端。笔者利用激光笔、音箱等材料自制鼓膜振动可视化模型，用橡胶皮模拟鼓膜，并贴上一小块平面镜。激光笔的光经过平面镜反射后，在屏上形成光斑。设计原理为：音箱发出声音会使得鼓膜带动镜子振动，引起屏上光斑发生振动，观察光斑的振动就可知鼓膜的振动。第一版教具尽管不精细，但经测试证实了基本原理可行，笔者就达到了目的。
4.2 多维测评，查找问题
第一版实物制作出来后，在原理可行的基础上，还应从多个维度对教具的实际效果展开测评，如操作的便捷性、现象的显著性、教具的便携性等。第一版鼓膜振动可视化模型经过测评后就发现以下问题：鼓膜振动的差异难以呈现有梯度的变化；普通激光笔开关不易控制，做实验时光源不稳定；圆柱形音箱发声的方向不聚焦，实验需要水平方向的声源；用卡纸制作的耳郭易损坏，耳郭的作用无法有效探究；整体长度超过1 m，不易存放和携带。笔者将问题详细记录下来，解决这些问题就是接下来改进优化的目标。
4.3 优化制作，迭代更新
要基于测评的问题优化教具的制作，可以从选用更好的材料、改进设计的细节两个方面展开。笔者运用以上策略自制了新版鼓膜振动可视化模型（
图1），效果得到了明显提升。
选用更好的材料：购买音箱散件组装一个单声道音箱，价格低廉且更加符合实验需求；购买PVC塑料软卡纸制作模拟的耳郭，不易损坏；普通激光笔更换为自带稳定开关的可调节激光笔，这样定位更准确。改进设计的细节：在音箱下面增加了滑轨，音箱可以自由滑动到某一刻度；接收屏幕调整为黑色，光斑更加醒目；在屏上印制小格，可以数出不同的声音使得光斑跳动的不同格数；整体改为3段拼接式，可以轻松收纳在盒子中。
5 实现多功能化，提高自制教具实用性
准备实验器材是科学教师备课的一个关键点，自制教具如果实现了多功能化，就能做多个实验，增加课堂使用频率，提高教具的实用性，有利于减轻教师的备课负担。自制教具实现多功能化，可采用以下两种策略实现。
5.1 整合零散实验，开发一体化教具
许多科学课例包含多个零散实验，涉及多种器材，效果却未必好。如前面提到的“我们是怎样听到声音的”一课，用到音叉、橡皮锤、纸卷等材料，探究鼓膜、耳郭的作用。笔者开发的鼓膜振动可视化模型，一个教具即可完成本课3个实验。实验一：在探究声音强弱相同时，声音越近鼓膜振动越明显。实验二：在探究声音远近相同时，声音越强鼓膜振动越明显。实验三：探究耳郭的作用，保持声音不变，通过对比实验发现，有耳郭比无耳郭时光斑能振动的幅度更大，这说明耳郭具有收集声波的作用。
5.2 变向利用材料，开发多用途教具
开发的多功能教具还可以根据材料的特征，突破某一课时的限制，变向发挥其作用。自制鼓膜振动可视化模型用到的激光笔、平面镜、屏都是光学实验常用的器材，笔者充分发挥它们的作用，将本教具再一次改进，使其拆开后可做基本的光学实验。在卡槽上立起3块黑色开孔的亚克力板就可以探究光沿直线传播实验。利用磁铁在中间立起一块平面镜，用激光笔玩一玩射击小游戏，在游戏中体验光的反射现象和规律。
6 结语
自制教具是教师创新教学方式方法的重要途径，是教师对教学思想、教学实施创新理解与呈现的重要手段，更是教师设计能力、物化能力、动手能力等实践创新能力的综合表现，可在一定程度上反映教师的实践创新水平。无论是从促进学生素养发展的角度，还是从提升教师自身的实践创新水平角度考虑，自制教具都有重要的价值。教师在实际教学中，应勤钻研、勤反思、勤实践，不断提升自制教具能力和教学水平。
2023年安徽省教育装备课题“小学科学实验教学自制教具创新案例研究”(ZB23093)
京公网安备11010202008535号
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