【摘 要】自制教具是教师在深入理解教材,充分了解学生,精心设计教学过程之后的产物；是师生为改进“教与学”的方法，就地取材，创造性建构后制成的教具；是提高科学实验探究有效性的支撑。随着新课改的深人，新课标对实验“教与学”提出了更高、更新的要求。现有常规教学仪器不能完全满足课改需求。师生合作开展教具研制与应用，对提高实验探 究的有效性发挥着重要作用。本文以“沉和浮”单元积件式组合教具为例，阐述我校科学组在教具研制中开展“钻研教材，发现问题，精心选题；查阅资料，设计方案，二度研发；巧选材料，创新制作，实验验证；教学应用，总结经验，推广应用”的一般研制流程，从中促进学生科学素养的发展和教师专业技能的提升。
【关键词】教具 研制 应用 有效性
教具是教育教学中不可缺少的物质手段，对实现教学目标，提高教学质量具有十分重要的作用。科学的再现、形象的展示和过程的体验是重要的学习手段，对于理解、分析、记忆、探究都十分重要。我们的课堂要丰富多彩，教学活动要生动活泼，办学水平和质量要不断提高，都需要教具的支撑，而目前的实验教学所需的教具单纯依靠材料箱配备是远远不够的。因此，师生开展教具研制与应用显得尤为重要。
一、钻研教材，发现问题，精心选题
1．钻研教材，理解实验设计的原意图。
自制教具的动机源于对教材的钻研。钻研教材，就是依据实验内容及其它为了说明、阐述某事物的性质规律作为研究起点，考虑重点问题的突出，难点问题的突破，针对教材设计中的不足与空白，结合实验教学的设计理念与过程，形成初步的构思。教师在教具研制之前，必将经历对学生、教参与教本深入研读的过程，充分理解教材中每次探究活动的设计原意图，分析每个探究环节中的利弊关系，为发现预设材料的改进点、创新点，形成研制内容上的着落点。例如：教科版五上《沉和浮》单元中的“浮力”一课，教材设计了“测量泡沫在水中受到的拉力”实验（见图1）。教材建议“在杯子底部装上一个小滑轮，用橡皮泥固定，再利用一根细线穿过导轮，一端钩住泡沫，另一端钩住测力计挂钩”的方法进行实验，探究泡沫在水中受到的浮力。这样的设计改变了泡沫受到的拉力方向，便于测力计的测量。
2．发现问题，剖析材料使用的不足点。
教师在实验设计时，往往会发现预设教具有些无法在仪器室找到，有些难以让学生规范操作，有些会出现干扰实验结果，有些会出现操作安全等，这是进行教具研制的“导火线”。教师根据自身已有经验，在钻研教材中发现问题，合理剖析，然后进入课堂试教，为教具研制建构有价值的研究课题。例如：上面提到的“测量泡沫在水中受到的拉力”实验，我们按照教材预设进行课堂实验，遇到如下问题：
问题1：泡沫块下沉的体积大小不易控制。
问题2：小导轮不易被橡皮泥固定在水槽底部。
问题3：单导轮应用，钩住测力计挂钩的拉线不易竖直往上拉。
问题4：测力计的显示值不易稳定。
问题5：重复实验，细线两端钩住泡沫和测力计不方便。
问题6：泡沫排开的水量不易测量，数据误差偏大。
根据实验教学中教材预设的材料应用问题暴露，如何对实验材料进行生本、科学优化与结构性设计，自然成了教具研制的必要课题。
3．精心选题，确定需要研究的子课题。
在教具研制选题中，我们可以针对以上影响实验探究有效性的暴露问题，结合学生的年龄特征和教师的优化设计，从中选定研制的子课题。
（1）问题1研究子课题。
哪种形状的物体更容易被稳定的拉入水中，而且能让学生对物体不同体积浸入水中受到的拉力大小进行等条件的重复实验，我们可以选择研究的子课题《等分沉浮积件的设计与研制》。
（2）问题2研究子课题。
根据浮的物体在水中受到的浮力大小的不同，小导轮受到往上拉力的大小也不同。教材建议用橡皮泥去水中粘住小导轮，实验验证粘合力极小；用钩码或其它可以使线穿过的物体代替小导轮，同样存在位置不稳定或受外力作用被提起。因此，我们可以选择研究的子课题《“工”字卡扣式固定导轮装置的设计与研制》。
（3）问题3研究子课题。
弹簧测力计测量向上的拉力大小时，规范操作是要求竖直向上拉。观察（图1）中的操作，我们可以发现：测力计竖直向上拉，拉线与下沉物体接触产生摩擦力；测力计斜拉属于不规范操作规则，同时指针连接直杆与测力计外壳接触产生摩擦力。因此，我们可以选择研究的子课题《间距可调式双导轮装置的设计与研制》。
（4）问题4研究子课题。
弹簧测力计测力的使用一般都是用手提测力计的提环测力。实验发现，由于手在悬空提测力计的过程中容易抖动，从而导致测力计指针的上下移动，影响组内学生的准确读数，同时也影响重复实验的数据有效性，有时甚至影响实验结论的正确导出。因此，我们可以选择研究的子课题《磁吸式拉力装置的设计与研制》。
（5）问题5研究子课题。
测量浮的物体在水中受到的拉力时（见图1），拉线的一端钩住物体下端，另一端钩住测力计的挂钩。在实验中我们发现：在初始实验时，拉线两端的钩环是下沉的，学生实验操作时，手要全部浸入水中，影响初始调平的水位，同时也影响实验的操作效度。因此，我们可以选择研究的子课题《细线钩环悬浮式装置的设计与研制》。
（6）问题6研究子课题。
科学五上教材《橡皮泥在水中的沉浮》（见图2）一课教学中，文中呈现的“橡皮泥放到量杯中的排开水量值为25mL”，实验中，量杯的分度值为50mL，液面从直接观察中只能说处于200 mL到250 mL之间的估计值，而且量杯口径大，凹液面大，刻度观察以凹液面的底部为准，这种情况下的数值能精确的表达为25 mL吗？这里可以产生值得研究的子课题《同步外排式测量物体排水量装置的设计与研究》。
二、查阅资料，设计方案，二度研发
1．查阅资料，收集匹配的研制信息。
根据选定的研究子课题，通过图书、网络等渠道查阅资料，学习别人的成功经验。同时，试试“鸡蛋里找骨头”，看看别人的设计是否存在不足，能否作进一步改进或仿制一件。这样，不仅可以提高实验探究效率，还能提高师生的研制能力。例如：通过网络搜索，发现淘宝网中有安装滚珠轴承的小导轮，从而将导轮旋转的滑动摩擦改进为滚动摩擦，最大限度减少拉线与导轮之间的摩擦阻力；又如：根据生活中经常可看到的“工”字卡扣式用具的设计原理，我们在水槽底部居中安装一个 “工”字型塑料卡扣，然后将导轮装置的底部开一条“一”字型槽，同时在底部粘结两条橡胶管，作为橡胶弹簧支撑间隙，稳定装置。
2．设计方案，形成有效的研制方案。
在前期信息资料收集与处理的过程中，开始撰写详细的教具研制方案，具体内容包括：
（1）研制课题名称；（2）研制人员；（3）研制内容与问题剖析；（4）研制价值与意义；（5）研制材料与来源；（6）研制进程（包括时间、场地、分工、进度等）；（7）研制预期设计图；（8）备注（过程性调整说明）。
3. 合作论证，开展深入的二度研发。
研制方案形成后，为了减少不必要的弯路和时间浪费，通过网络搜索，查找是否有雷同的设计。如果没有，那最好与学生、同行或资深教师进行必要的设计交流，帮助发现设计中存在的知识性错误或过程性缺陷。经过师生、师师间的合作论证，开展深入的二度研发，形成教具研制的有效方案。例如：在研制“沉和浮”单元积件式多功能组合实验装置中，基于教具的成本性、推广性、应用性综合分析，我们在设计研制了教师演示教具的基础上，二度设计了学生分组实验学具。其中，学具设计将演示教具中的木结构升降支架改成仪器室现成有的铁架台组装支架，节约成本。
三、巧选材料，创新制作，实验验证
1．巧选材料，降低制作成本。
我国物理教育家朱正元教授曾提出“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”的主张。因此，在巧选材料方面，首先要养成材料常态收集的习惯。平时可以通过以下途径进行材料的前期收集，从而降低研制成本。例如：师生可从生活废品、校内装修、报废器材、学生学具、淘宝搜索等途径收集材料；其次是建立仪器室材料处置空间，分类放置备用，节约材料准备时间与购置经费；最后是制定学生收集评价制度，根据学生年龄特征，分年级明确收集哪些材料，如何处理材料，如何了解材料，让学生在过程中熟悉材料的特征与用途，激发学生收集兴趣，对后续合作研制做好材料准备。我们研制的曾获全国教师自制教具一等奖——“沉和浮”单元积件式组合实验装置，直接购买材料费用核计50元（主要包括水阀、导轮、油漆，见图3），学生学具直接购买材料费用核计28元（主要包括水阀、导轮，见图4）。
2．创新制作，提高探究效度。
教具研制需要一个循序渐进的过程。首先，要根据教学需要，设计教具解决实际问题的结构原理；其次，根据设计思想，选取最适合低价的材料；再次，考虑制作方法、工艺等；最后，在每个设计制作环节中考虑教具使用的有效性。在此基础上，还需要借鉴大量参考信息，提出改进方法和创新之处，在制作过程中,进一步检验教具的可行性和科学性，这一过程直接影响教具的实验应用与推广价值。例如：在五下《沉和浮》单元第五课中的实验装置（见图1），根据学生实验过程中暴露的六大问题，课题组通过以下创新设计，创新解决实验有效性的问题。
通过以上创新设计的植入，制作（见图3-4）所示的实验装置可以应用到“沉和浮”单元教学的全部实验中，充分提高单元实验探究的过程效率和数值精度。
3. 实验论证，检验教具优劣。
教具研制完成需要进行实验论证，逐项检验装置设计的科学性、安全性、稳定性、成功率以及使用和维修是否方便等，发现异常或有不满意的地方，查找原因，优化改进，直至达到探究应用的最优化。此外，还要关注教具的美观度。这样，会增加学生的探究兴趣，更利于成果的推广。例如：“沉和浮”单元积件式多功能组合实验装置优化改进的三代作品。
四、教学实践，总结经验，推广应用
1. 教学实践，追求探究活动的有效性。
（1）教具在新课导入中的激趣。
好奇作为思维和兴趣的先导,是学生思维上的一个特点。在新课导入环节中，利用自制教具适时演示，有意识的创设激趣情景，能充分激发学生的探究欲。例如：三上“空气占据空间”一课，课前制作一个“空气占据空间”教具。分别截取大小饮料瓶的下半个，在小饮料瓶底部一侧用尖器钻一个直径约2毫米的小孔,教师右手拖住装有水的大塑料瓶；左手握住小塑料瓶底部（其中一手指抵住瓶底小孔），竖直倒扣于浮在大塑料瓶中的乒乓球上面，用力向下压至塑料瓶底部；发现乒乓球浮在接近小塑料瓶瓶口处，瓶中进入少量水；接着像玩魔术一样，口中发令“上来，上来！”，紧接着左手慢慢松开抵住瓶底小孔的手指；小塑料瓶中的水慢慢往上升，最后乒乓球升到了瓶底。此时，把学生带进一个奇妙的科学情境之中。学生的注意力自然都集中到了演示教具：“老师真有这么大的本事？”此时不失时机的导入新课。
（2）教具在探究过程中的辅助。
科学实验离不开教学具的辅助，其中，优化研制后的教具往往能更加提高实验探究的有效性。同时，我们可以整合信息技术，利用无驱动摄像头与多媒体的组合应用，实现实验过程的同步数码记忆与现象放大观察。例如：科学五下“浮力”单元第五课实验中，利用自制教具演示或分组实验(见图15)，演示实验通过双摄像头跟踪测力计和量筒数值变化，在大屏幕上放大视频，克服了常见测量仪器可见度小的缺点，便于学生集体观察和读数；同时，分组实验克服了（图1）实验中，学生操作遇到的六大困难。这样的教具研制应用突出了以学生为主体的教学思想，更加提高探究过程与现象数据的有效性。
（3）教具在课外探究中的拓展。
培养学生良好的实验习惯是培养学生科学素养的基础。有资料显示：大多数学生乐于接受老师采用实验的方法上课，并且也想体验实验的过程，但由于受实验材料、教学具缺乏因素的影响而不能动手操作，这需要老师有效的拓展指导。例如：在教学“沉和浮”单元中，利用（图13）的自制教具，指导学生开展“测定各种不规则形状物体的体积”，“测定小颗粒积件的体积、重力和排开的水量”等实验。在实验中利用自制教具鼓励学生模仿、创新制作新的简易学具，注重科学探究精神的培养，扩大学生科学活动的视野。
2．总结经验，撰写教具研制的小论文。
经验总结是教具研制的升华阶段。这一环节，教师对前期活动进行理性分析，从而内化为自己的实践经验，既可以提高教师的教学科研能力，同时对下阶段的教具推广应用做好理论解读。
3．推广应用，实现自制教具的生命力。
通过实验能再现人类探索的漫长历程，认识人类探索的途径、方法和结果。研究表明：学生获取信息的过程常常离不开具体事物的支持，作为科学学科的实验探究更是如此。目前，学校实验仪器配备中，能适应新课改教学的并不多。新课程的综合性、生活化、整体化、情景化的特点为教师钻研教材教法、潜心实验教学研究提出了更高要求。课程资源无处不在，只有用心探索，悉心教研，制作更多、更精良、更实用的教具，以弥补现有教学资源的不足，才能更好展示新教材、新课程的优势，尤其在条件差的农村学校尤为重要。
五、开展教具研制应用的多维效应
1. 教具研制过程培养了学生科学创新精神和实践能力。
在教具研制过程中，利用生活中易得的物品、废旧材料充当研制材料，或稍作简单加工制成教实验学具，并应用于教学之中，这本身就是对学生进行创造性教育。由于学生熟悉所用的自制教具，自制教具所体现的“一物多用、废物利用、借用它物”等思想，正是启迪智慧、开拓思路、调动创造性思维的钥匙。只要教师有意识地、经常地对学生进行借题引导，学生的创造性就会得到较好的训练和开发。自制教具一般都比较简单，其特点是就地取材、易制易修。这一特点决定了老师在教学过程中大可放心地让学生充分接触，动手实践。在具体实验过程中，学生不断地发现问题，解决问题，积累经验，提高实验探究能力。
2. 教具应用过程激发了学生科学探究兴趣和研制热情。
新课程标准强调要重视对学生情感方面的教育，尤其关注学生的兴趣和好奇心。教师用学生熟悉的材料研制的新结构材料来创设学习情景，学生能够从“知”的环境中发现“未知”，学生原有的认知与当前面临的现实产生冲突，从而使学生产生探究新知识的强烈愿望。由于自制教具所用的材料大都源于生活，用它来呈现科学现象，探索科学规律，学生感到十分亲切，感到科学就在自己身边，从而消除或减弱对“科学”的神秘感和畏难情绪，更加提高学生参与研制探究的热情。
3. 教具推广过程能提升教师教具研制技能和专业素养。
“由统一规格型教育向差别型教育转变，树立个性教育意识”是新课程标准最重要的教学观之一。目前，各学校装备的常规实验仪器，无论是从数量还是种类，都在一定程度上限制了科学教学的改革，尤其是限制了教师发挥个性教学的自由度。有些仪器因本身的使用方式局限，也限制了教师的个体教学行为，使其个性化教学难以实现。通过师生合作研制教具，并在教学中实践应用与创新推广，从而形成教师的个性化实验教学，提高教师的教材钻研能力、教具研制技能以及实验教学效率，使教师的学科专业素养得以实践型的最优化发展。