激光雕刻技術在小學科學分組實驗的應用案例探究

盧寶生

【摘要】在小學科學教學實踐中，我們發現有些實驗的設計和實驗材料的選用不合理、不科學。針對小學科學分組實驗存在的問題，我們運用激光雕刻技術對已有的實驗做出有益的改進，并不斷創新和開發科學實驗，從而提升科學實驗教學的實效。通過設計簡易、便于操作、有趣的、符合孩子們年齡特點的教學具來詮釋不同的科學原理，把復雜的問題簡單化，讓學生體驗實驗的樂趣，使學生的科學素養得到培養和提升。

【關鍵詞】小學科學；激光雕刻；分組實驗

一、問題的提出

瑞士著名發展心理學家皮亞杰曾說：“兒童就是科學家?！泵總€孩子天生具有強烈的好奇心和探究欲。我們要創設條件去保護學生的好奇心和求知欲，激發學生學習科學的興趣，引導學生主動探究。然而，在實際教學實踐中，我們發現分組實驗的實施效果不理想，學生的科學探究興趣不高，筆者總結了以下幾點原因。

1.小學科學教學沒有與教材完全配套科學實驗器材。大部分小學科學教師為了上好一節實驗課，需要到處尋找實驗器材，耗時耗力，并且有些教具數量有限，只能演示，而且小學大部分沒有配備實驗員，教師課時量又多，沒有時間、也沒有精力去準備足夠多的實驗器材，導致學生參與度不高。

小學科學新課程標準指出，科學教學要面向全體學生，要考慮到每個學生是否都能夠參與到課堂中來，否則，不僅學生興趣不高，教學效果也會大打折扣。比如，在《結構的穩定性》一課中，多數教師通過演示礦泉水瓶正放和倒放的實驗來說明支撐面大小與結構穩定性的關系，但是學生無法確切地感受到結構穩定性的強弱，而且只是看教師演示，學生參與度不高，容易失去興趣。

2.有的科學實驗沒有現成的實驗器材，需要動手制作，導致課堂的大部分時間都花在了實驗材料的準備上，課堂效率低下。如，制作一個水車，首先需要制作一個齒輪；制作一個風向標，首先需要一個箭頭形狀的紙板；制作一個簡易雨量器，需要剪開一個塑料瓶等等，在這些實驗中，實驗材料的準備前期就會耗費掉課堂的大部分時間，以至于課堂難以正常開展。

3.在現有教材中，有些實驗裝置不夠嚴密，造成實驗誤差大；有些實驗裝置操作繁瑣，導致實驗時效長；有些實驗裝置操作困難，結果學生無從下手等。比如，在《擺的研究》這一課中，學生在對影響擺的快慢因素進行猜測時，很多學生會猜測擺幅大小會影響擺的快慢，但是教材并未對擺幅大小進行探究，在實驗過程中也沒有做到唯一變量，實驗裝置不夠嚴謹，并且教材中的實驗裝置支架高度不夠，擺繩太短，容易產生圓錐擺，不利于實驗的順利進行。

4.有些實驗器材不可重復利用，制作成本高。實驗器材是開展小學科學分組實驗基本條件，陳崢嶸在《小學科學實驗室教學與實驗室管理》一書中也指出“必須為學生提供適當而充足的資源，包括優秀教師、時間、材料和設備，適當而安全的場所和社區?！钡恍嶒炂鞑牟豢芍貜屠?，且制作成本高。比如，粵教版六年級科學下冊第三單元《風的能量》一課中，學生用瓦楞紙來制作風車，學生在制作風車時大都將瓦楞紙粘在一起了，難以回收重復利用。

5.小學兒童的思維正處于從具體形象思維向抽象邏輯思維的過渡中，但仍以具體形象思維為主，教材中部分實驗較抽象，不能形象生動地呈現給學生，學生難以理解。

科學課程標準指出：“在小學科學教學中，學生是學習的主體，要基于學生的認知水平?！北热?，在粵教版六年級上冊《食物的消化》一課中，教師提出問題：“吃下去的小饅頭都到身體哪些地方旅游了呢？”要求學生根據自己對消化器官的已有認識，通過畫、貼等方式進一步了解人體消化器官的特征與作用，從而認識消化器官。但由于消化器官是在人體內的，我們不可能拿出來看，而圖片又不能很真實、很直觀地展現這些器官的特征。

6.科學教材中有一些探究活動只是讓學生去搜索資料，平時觀察，學生會難以理解。小學科學課程倡導探究式學習，探究式學習是學習科學的重要方式，許多課堂的探究活動難以開展，需要教師對學生的分組實驗器材進行開發和應用。比如，粵教版六年級科學下冊《風的能量》，本課的探究活動只是讓學生用去制作風能小吊車去說明風具有能量，對于能量的轉換方面的知識點，更多的是查閱資料自行了解，很少部分學生會自行去了解，并且即使了解了，也較難理解這方面的科學知識。

二、如何解決問題

小學科學注重探究學習，在課堂中需要用到各種實驗器材，由于實驗器材的種種限制，許多課堂的實驗探究難以開展，在小學科學的分組實驗中更是如此。我們發現，運用激光雕刻技術可以解決以上大部分提出的問題。利用激光雕刻技術切割木板或者亞克力板，我們只需要在電腦上畫設計圖便可得到各種可拼接可拆卸的有結構材料，這樣不僅可以高效率批量生產，而且制作成本較低。

通過深化學習小學科學新課標，結合現有的3-6年級小學《科學》教材，設計課堂實驗及探究活動方案，以激光雕刻模型為實驗器材，結合電子元件，通過課堂教學實踐，不斷改進模型設計。我們利用了激光雕刻技術，從不同方面解決了各種不同的問題。

1.學生參與科學實驗

利用激光雕刻高效率地批量生產分組實驗器材，讓學生真正地參與到科學實驗中。通過畫設計圖，我們可以得到各種形狀各種尺寸的圖形，特別是在一些需要設計制作作品的實驗中，如果沒有激光雕刻機，學生通過手工完成實驗項目的制作，即使是裁剪或制作一些簡單圖形，也需要花上很長的工作時間。如果需要同時制作多個相同元件或復雜零部件，這個步驟會變得十分枯燥，而且很容易做出不合格產品。而激光雕刻機只需要幾分鐘就可以完成手工幾個小時的工作，效率提升數十倍，并且很多時候質量比手工做的要好得多。它不僅可以幫助教師減少準備實驗的時間，更重要的是，它可以幫助學生節省更多時間思考設計本身的問題，提高課堂效率。

案例：在粵教版四年級下冊第三單元《運動與力》中，里面有幾課涉及到制作小車，分別有橡皮筋小車、風帆小車、氣球小車等，如果只是用瓦楞紙制作一部小車，學生在設計小車之前還需要準備制作小車的材料，比如裁剪合適的形狀、測量合適的尺寸，用膠水粘貼紙板等繁瑣的工作，這會浪費很多時間。

改進方法：我們運用激光雕刻技術，在電腦上畫出了小車的設計圖，通過切割，得到尺寸固定、形狀合適的木板，教師在分組實驗時把切割好的材料發給學生，學生可以立刻設計制作小車，并且是通過拼接的方式進行組合，不需要膠水，還可以拆卸。

2.提高課堂效率

利用激光雕刻技術，改進科學教材中原有的實驗，使學生更容易理解相應的科學原理知識，從而提高課堂效率。

①實驗材料的改進

俗話說得好：“工欲善其事，必先利其器?！睂嶒灲虒W要取得最佳效果，我們就要積極對實驗器材進行教學前的嘗試使用，發現其中的不足，并及時加以改進，從而讓實驗開展得更好。另外，運用激光雕刻技術制作的實驗材料可以重復利用，減少浪費，激光雕刻可以切割木板、塑料、亞克力等，而我們傳統課堂上大多數用到的材料是紙張或瓦楞紙，所能用到的材料非常有限，且不具重復利用性，容易造成浪費。

案例：在粵教版六年級上冊《食物的消化》一課中，教師提出問題：“吃下去的小饅頭都到身體哪些地方旅游了呢？”要求學生根據自己對消化器官的已有認識，通過畫、貼等方式進一步了解人體消化器官的特征與作用，從而認識消化器官。但由于消化器官是在人體內的，我們不可能拿出來看，而圖片又不能很真實、很直觀地展現這些器官的特征。

改進方法：我們在電腦上畫出人體的消化器官，并用激光雕刻機切割出來，再把上色后的圖紙貼上去，就可以做出一套相似度極高的人體消化系統了，在課堂上，分組實驗讓小組成員對消化器官進行拼接，并指出食物消化的路程。學生通過拼接器官，對消化系統的組成會有較深刻的印象，并且可以直接在拼圖上指出食物消化的過程，增強學生的興趣，有利于學生對消化過程的理解。在學具用完后還可以回收并在下一個班繼續使用，既節省了時間，又提高了課堂效率。

②實驗設計的改進與創新

實驗設計往往是教學中的難點，無論是教師精心進行的實驗設計，還是小組合作進行的實驗設計，無不體現智慧的力量。

案例：新粵教版教材中六年級下冊第三單元《能量及其轉換》第5課《風的能量》一課中，只是通過風能吊車將物體提起以說明風具有能量，而沒有說明風的能量可以轉換。

改進方法：通過激光雕刻技術，用木板，扇葉，電機，LED燈等制作迷你風能發電機，當風吹過時，能帶動扇葉轉動，可說明風具有能量，扇葉轉動帶動電機轉動，產生電能，可說明風能轉換成電能。

3.開發并設計適用于科學教材的實驗器材

結合科學教材，利用激光雕刻開發設計可以應用到科學課堂實驗中的器材或模型。

小學科學課程的學習方式多種多樣，探究式學習是學生學習科學的重要方式，科學教材中實驗探究活動占了大半部分，但是對于一些比較抽象的科學知識，科學教材還是以查閱資料，平時觀察為主，針對這一問題，我們利用激光雕刻技術，開發并設計了適用于科學教材的實驗器材，把這些實驗器材或模型運用到科學課堂上，有利于學生更容易理解抽象的科學知識。

案例1：粵教版科學三年級上冊第4單元《天氣和我們》第3課《風的觀測》一課中，教材只是通過展示風向旗、炊煙、紅旗這三幅圖來暗示學生可以通過觀測外界事物來知道風的方向，然后告訴學生“風吹來的方向就是風向”，只是教師一昧地講解，學生沒有親自體驗，很難形成“風吹來的方向就是風向”的科學概念。

改進方法：利用激光雕刻技術和亞克力等材料，切好用于制作風向標的的材料。應用于課堂，讓每個小組都可以進行實驗去測量風向。用風扇或風筒模擬自然風測試學生制作好的風向標，將風扇或風筒放置在不同方位，風向標箭頭指向不同方向，學生可以知道風向標箭頭指向的方向就是風吹來的方向。

案例2：蘇教版四年級科學上冊《小小紙飛機》一課中，學生探究飛機飛行的距離與什么因素有關，要控制無關變量，如要控制拋出紙飛機的力度一樣。

改進方法：利用激光雕刻技術，制作飛機發射器，保證每架紙飛機飛出去的初始速度都一樣。

三、問題解決的成效分析

通過激光雕刻技術，我們改進并開發出了適合應用于小學科學分組實驗的實驗器材與模型，并在實際課堂中加以運用，課堂結束后，結合學生在課堂上的表現，分析運用激光雕刻技術后，學生對知識點、技能以及在科學態度情感價值觀是否取得明顯成效?？傮w取得的成效可以從教師、學生、環境三個方面進行敘述。

1.對教師

①節省時間，節省精力，提高課堂效率

節省了教師課前準備材料的時間。利用激光雕刻技術進行制造，不需要花費太多時間和精力在找材料上。如在《運動和力》單元制作小車時，我們運用激光雕刻技術，在電腦上畫出小車的設計圖，通過激光雕刻，得到尺寸、形狀合適的拼接小車的木板，教師在分組實驗時把切割好的木板發給學生即可。教師不用再在課前到處尋找用于制作小車的瓦楞紙或其他材料，節省了教師的精力，使教師有更多時間和空間去思考如何設計完善一節課程。這樣不僅節省了教師課前準備的時間，更節省了課堂的時間?；浗贪娼滩挠兴膫€單元，每個單元7、8課，課程多，任務重，學生科學課時少，大多學校一星期只有一節科學課，所以課堂要高效。在《運動和力》單元中要制作小車探究力與運動的關系，教學重點是探究力與運動的關系。如果用瓦楞紙或沒有切割好的木板等原材料給學生進行制作的話，則僅僅是制作小車就需要一節課的時間，根本沒有時間再進行探究。筆者在實踐中總結發現，教師在分組實驗時把切割好的木板發給學生，學生可在5分鐘之類就制作好一輛小車，課堂上的探究時間就多得多了，課堂明顯更高效。

②彰顯教師個性化教學

近幾年來，教育部開始實行人才發展戰略計劃，加大了對基礎教育和高等教育的投資力度，重視教育的改革與創新，著重發展個性化教育。這就需要教師運用個性化教學方法，豐富教學過程。如筆者在講述風向標時，發現學生對風向標如何觀測風向這一知識點不理解，筆者經過思考，利用激光雕刻技術切割了用于制作風向標的材料，讓學生去動手制作，對風向標的結構有一個更全面的理解與認識，形成箭頭的指向即風向的科學概念。

學生是學習與發展的主體，教師是學習過程的組織者、引導者和促進者。在開放的科學課中，教師要想讓學生依據自身興趣進行自主性學習，必須為學生準備大量的學習用具，以供學生在開展不同的實驗科目時有所選擇。學生通過自主性的選擇實驗材料進行實驗探究真正地掌握科學知識原理，認識到現象背后的規律，掌握正確的實驗原理和實驗方法。教師還依據學生的興趣提高學生的科學認識，讓學生通過自身選擇不同的實驗道具，進行不同的小組探究實驗。如在制作風力小電燈時，學生根據自己的設計選擇不同數量，不同大小的葉片，不同的電機去進行制作，讓學生去探究影響風能發電的因素。

③教師間、學校間互相推廣教學具，做到資源共享

我們在教學實踐中發現，目前的科學教材存在一些實驗的設計和實驗材料的選用不合理、不科學。于是需要教師用好教材，進行實驗研究和改進，從而促進科學學科的建設。教師利用激光雕刻技術制作的教學具在教師間、學校間互相推廣，為學生提供了手腦并用、解決問題的機會，為學生的探究活動提供了物質條件，如利用激光雕刻技術為學生提供制作風力發電機的學具。

此外，教師依據激光雕刻技術改進和開發的課程案例放在互聯網上（如公眾號）進行推廣，作為教師教學研究的課程資源，教師在教學過程中合理使用課程資源，很大程度上提高了學生學習科學的興趣和質量，也提高了教學活動的水平。不僅開發促進小學生學習科學的網絡資源，還促進教師開展網絡研修活動，提高教師的專業水平。

2.對學生

①學生更容易理解科學知識

激光雕刻可以通過在電腦上畫圖，設計各種類型各種形狀的圖形，切割出來的圖形比較形象，并且可以通過拼接和粘貼制造出各種相似度較高的實驗器材或者模型，從而可以把抽象的科學知識通過實驗或者相關模型形象化，學生會更加容易理解科學原理，對所學的科學知識留有更深的印象。例如，在《消化系統》這一課中，原來學生只是通過畫、貼等方式了解消化器官，學生自己對照著書本的圖畫觀察器官，學生難以集中注意力認真觀察，當換成用激光雕刻的木板來拼消化系統的時候，在拼接的過程中，學生對消化器官會逐漸熟悉，包括器官的名字、形狀，在消化系統中的位置以及食物在消化過程中所走的路徑。

②節省課堂時間，留有更多時間思考實驗本身的設計和原理

科學教材中有很多的探究活動，有些探究活動的實驗準備時間較短，但是也有部分實驗需要較長的準備時間，特別是類似設計制作小車的實驗項目。很多實驗中，學生需要提前先裁剪好各種形狀的圖形。各種長度的木棍，又或者是把它們黏貼起來等等繁瑣的工作，在這一系列工作完成后才開始真正進入動手設計的環節，這時候已經浪費了大量時間，設計的環節就會很趕，學生沒有時間充分思考，而思考設計才是課堂的重點。運用激光雕刻提前切割好實驗需要的材料后，學生只需要專注于思考設計即可，設計好后可直接運用已有的材料進行拼接或者粘貼，也可針對自己的想法對已有材料進行小小的改造，在設計制作以后留出了更多的時間進行檢驗與改進，在這個過程中加強了學生對科學原理的理解，課堂更加充實了。

③全體學生可以參與到課堂中，提高學生課堂參與度

在小學科學課堂中，有的探究活動因為實驗器材較難制作、制作時間較長或者制作成本高，老師只能在課堂上進行演示實驗或者多位同學一起做實驗，不管是教師的演示實驗亦或是多人實驗，總不能夠照顧到每一位學生，總會有部分學生看不見或看不清，這時學生就會失去興趣，開始找別的事情干，對科學知識原理更是難以理解。用激光雕刻技術可以批量生產各種實驗器材，這時可以滿足課堂上分組實驗的器材數量要求，四人小組或者三人小組做實驗，確保了每一位學生都可以參與到課堂實驗中，提高了學生的課堂參與度，學生可以自己動手做實驗，對科學課堂的興趣提高了，不僅上課更加認真，也更加積極。

④學生學習科學的熱情高漲，動手能力增強

當實驗器材不夠，學生無法參與到課堂實驗中；當實驗器材過于復雜抽象或簡陋，學生難以理解實驗的科學原理知識；當實驗因為實驗器材步驟變得繁瑣，學生會因此失去耐心，注意力分散。這些種種的原因都會讓學生對課堂、對實驗甚至是對科學失去興趣，但把結合教材后激光雕刻出來的實驗器材運用到課堂實驗中，每位學生不僅能夠參與到實驗中，而且對實驗、對學習科學的興趣增強了很多。更重要的是，學生在做實驗的過程中不需要考慮太多繁瑣的步驟，可以專注于實驗本身的設計，在設計和改進的過程中增強了他們的動手能力。

⑤在分組實驗過程中培養學生分工合作意識

分組實驗除了可以讓學生全體參與到課堂中，幫助學生理解科學知識外，還有一個非常重要的好處就是培養學生的合作分工意識，在沒有運用激光雕刻時，上課時有些實驗只能通過教師演示，學生與學生之間是沒有任何互動的，運用激光雕刻技術后，有足夠的實驗器材進行分組實驗，每個小組內的成員交流討論，分工合作，進行思想上的碰撞，當每個人的意見不同時，學生之間通過討論決定最終的想法，當只有一套器材時，小組內的人會通過互相交流安排好分工，在這個過程中，逐漸增強了學生的合作分工意識，并且這種合作分工意識會普及至學生課堂外以及生活中。

3.對環境

可重復利用，節約材料，培養學生的環境保護意識和社會責任感。新課程標準將原本的科學、技術、社會目標更改為科學、技術、社會、環境目標，增加了環境目標，可見，國家發展越來越注重環境。在以往的課堂實驗中，教師大多數用的實驗材料都是塑料，紙張等一次性的材料，這種材料不可以重復利用，每上一個班都要重新準備新的材料，這樣及浪費時間也浪費材料，不利于保護環境。運用激光雕刻技術制作實驗材料，可以選擇木板、亞克力板甚至是金屬，這些材料都是可以重復利用的，教師只需要準備一次即可，既提高了課堂效率又做到了保護環境，還可以間接培養學生的環境保護意識。

綜上所述，小學科學是以探究為主的學科，科學探究是獲取科學知識的主要途徑，精心設計探究實驗，讓學生通過實驗操作，對實驗現象進行分析與整理、得出結論，并進行運用和拓展，從而獲取知識和技能，提升學生的科學素養。因此，可操作的、成功的實驗才是科學課堂教學的基石。激光雕刻技術在多方面很好的輔助了學生的課堂分組實驗，進一步提升了科學課堂的教學效率，通過設計簡易、便于操作、有趣的、符合孩子們年齡特點的教學具來詮釋不同的科學原理，把復雜的問題簡單化，讓學生體驗實驗的樂趣，使學生的科學素養得到培養和提升。

參考文獻：

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