核心素养导向下小学科学低成本实验的设计优化与应用策略

前言

低成本材料在日常生活中随处可见，这些材料要么被扔进垃圾桶，要么以低廉价格回收，不过人们只要对其稍加改良就能发现，它们在科学实验领域具备很高价值，还能协助学生完成多项科学实验，其应用既显著减少材料成本，在实验演示效果方面通常也更具优势 [1]。针对小学科学“低成本实验”材料开展优化选取与教学应用研究能够让学生用更低成本获得更多实验操作机会，激发他们对科学的好奇心与求知欲望，同时提升动手操作能力和创新思维水平。从教师角度来看，丰富多样的教学材料还能为创新教学方法提供支持，从而增强整体教学效果。

一、小学科学“低成本实验”材料的优化选取原则

小学科学在优化选取“低成本实验”材料时需遵循以下几项原则。一是教育目标匹配原则，教师选取材料要严格依据课程标准，把知识传授、能力培养和素养提升作为目标导向，保证这些材料能切实支撑实验探究活动开展，帮助突破教学重点与难点 [2]。二是经济性原则，师生应优先选择容易获取、价格低廉且可多次使用的材料，借此降低实验成本，同时需考量材料的性价比，避免因过度追求低成本而影响实验效果。三是安全性原则，教师必须充分考虑小学生的认知水平与动手操作能力，选用无毒、无害、无尖锐棱角且不易引发危险的材料，彻底排除安全隐患。四是探究性原则，材料应具备开放性与启发性，为学生提供自主操作、观察和思考的空间，借此激发学生的科学探究热情，让学生通过实验自主掌握知识，进而培养其科学核心素养[3]。

二、小学科学“低成本实验”材料的优化选取与教学应用——以“感受我们的呼吸”为例

“低成本实验”凭借取材方便、花费少、操作安全的特性能够切实解决实验器材短缺和学生参与积极性不高的教学问题[4]。接下来以教科版小学科学四年级上册第二单元第 1 课“感受我们的呼吸”为例，依据教学实际需要对呼吸模拟器等“低成本实验”材料加以优化设计，同时研究这些材料在课堂教学中的具体运用方法，借此提高小学科学课堂的教学效率。

（一）“感受我们的呼吸”低成本实验材料优化设计

1. 呼吸器官模型材料套装——突破“器官识别”难点

“认识人体呼吸器官及其位置”是本课的基础目标，不过学生没法直接观察自己的内部器官。传统教学通常依靠图片或者视频开展，导致学生记忆效果不理想，针对这一问题，教师可对呼吸器官模型材料套装的设计进行优化，使学生借助动手制作的方式来加深对相关知识的认知。

材料组成：硬卡纸（白色、红色）、剪刀、记号笔、双面胶、细铁丝、小气球（迷你型）。

这些教学材料不再沿用过去的印刷式器官图，而是换用硬卡纸，让学生自己绘制并裁剪器官，借此提高学生的参与度。材料用红色硬卡纸划分出呼吸道及其包含的鼻腔、咽、喉、气管、支气管和肺，同时利用小气球模仿肺的囊状结构，学生由此可以清楚呈现肺作为“气体交换站”的特点。另外材料通过细铁丝把气管和支气管连接起来，这种连接方式能灵活调整角度，从而完成对人体呼吸道分支结构的模拟。

2. 呼吸过程模拟材料套装——破解“气体流动”谜题

理解“吸气与呼气时气体的流动顺序”是本课重点，传统教学中采用小组讨论并让学生上台粘贴顺序的方法，学生难以获得直观感受，教师可对呼吸过程模拟材料套装加以优化设计，借此让学生借助动态实验切实感知气体流动。

材料组成：透明塑料软管（直径1cm，长30cm）、Y型塑料接头、透明塑料袋（薄款）、橡皮筋、标签纸。

学生用透明塑料软管模拟人体呼吸道，借助 Y 型接头再现气管分叉形成支气管的生理结构，这种设计可让学生清晰观察气体在管道内的流动路径。他们选用薄款透明塑料袋替代气球，因其质地更轻盈，气体进出时塑料袋的膨胀与收缩反应会更为明显。另外教师还建议用标签纸标注“鼻腔”“气管”“肺”等部位，通过这种方式帮助学生将各个器官与相应功能对应起来。

3. 膈肌作用探究材料套装——攻克“呼吸动力”难关

“把握膈肌在呼吸过程中的作用”是本课程的难点，由于学生没法直接感知自身膈肌的活动，而传统呼吸模拟器大多仅供教师演示，导致学生参与程度不高，基于这一情况，教师可优化设计便于学生分组操作的膈肌作用探究材料套装，借助亲身体验帮助学生攻克这一难点。

材料组成：1.5L 透明矿泉水瓶（剪去底部）、大号气球、橡胶手套（剪去手指部分，取手掌及手腕处的橡胶膜）、橡皮筋、吸管、透明胶带。

在这些材料里，1.5L 矿泉水瓶的容积适中，学生单手就能轻松操作。实验选用橡胶手套的橡胶膜模拟膈肌，这种材料弹性良好且边缘较厚，不容易破损，比传统实验所用的气球皮耐用得多。另外教师把吸管插进气球口作为“气管”，再将其与矿泉水瓶组合起来构建封闭空间，这样的设计保证了实验的密封性，实验现象也因此变得更加清晰。

（二）“感受我们的呼吸”低成本实验材料的教学应用策略

1. 聚焦环节

上课刚开始，教师可借助“呼吸操”引入课程，让学生把双手分别放在胸部和腹部，感受吸气与呼气过程中身体出现的变化，接着拿出呼吸器官模型材料套装中的部分材料提问：“这些常见的材料能帮助我们看到身体里的呼吸器官吗？它们在呼吸时是怎样工作的？”生活化材料同抽象知识的结合能够引发学生的认知冲突，激发他们探究“呼吸奥秘”的兴趣，以此顺利导入新课。

2. 探究环节

（1）动手制作，认识呼吸器官

教师向学生发放呼吸器官模型材料组件，指导学生按照“绘制轮廓 - 裁剪器官 - 粘贴组装”的步骤动手制作模型。模型制作完成后开展“模型展示活动”，教师请学生上台介绍自己制作的呼吸器官模型，并在模型上指出鼻腔、咽、喉、气管、肺等具体部位。教师结合学生展示情况，通过播放微视频对器官功能做进一步阐释说明，尤其强调“肺是气体交换的重要场所”这一关键知识点。此环节通过“做中学”将原本抽象的呼吸器官知识具象化为直观模型，帮助学生更牢固地掌握知识。

（2）动态模拟，理解气体流动

教师向学生提出问题：“吸气和呼气的时候，气体在这些器官当中到底怎样流动？”之后教师为每名学生分发呼吸过程模拟材料套装，要求学生以小组为单位进行操作。学生将嘴对准“鼻腔”端的软管吸气，透明塑料袋就会明显鼓起来，呼气时该塑料袋则会瘪下去。这一过程中教师指导学生根据模型标注气体流动的顺序并用标签纸贴出“吸气：鼻腔→咽→喉→气管→支气管→肺”“呼气：肺→支气管→气管→喉→咽→鼻腔”的流程。基于此，教师进一步归纳总结呼吸道与肺协同工作的具体方式。

（3）实验探究，解密膈肌作用

教师向学生提出核心问题：“气体为什么能自动进出肺？是哪个器官在控制？”引导学生猜想后发放膈肌作用探究材料套装，分组开展实验。实验任务为① 用手向下拉橡胶膜（膈肌），观察瓶内气球（肺）的变化； ② 松开手，观察气球的变化；③记录实验现象，分析膈肌的作用。

学生动手操作后观察到，下拉橡胶膜时瓶内空间随之增大，气球也相应膨胀；松开手时橡胶膜恢复原状，瓶内空间随之缩小，气球也跟着收缩。针对这一实验现象，教师讲解膈肌收缩与舒张如何改变胸腔容积，进而推动气体进出肺部的原理并指出膈肌就是“呼吸的开关”。

3. 总结环节

当课堂步入总结阶段，教师引导学生以小组协作形式开展活动，让学生利用各自制作的三组实验材料来梳理本课知识要点。具体操作是，学生使用呼吸器官模型回顾呼吸相关器官的组成结构；借助呼吸过程模拟器重新讲述气体流动的先后次序；运用膈肌作用模拟器阐明呼吸动力的产生来源。完成上述操作后，每个小组推选一名代表，运用这些实验材料演示并讲解“呼吸的全过程”。教师依据学生展示的具体状况对讲解内容加以补充与修正，帮助学生构建完整的知识体系。

（三）低成本实验材料应用的教学效果与反思

1. 教学效果

在“感受我们的呼吸”一课中运用优化后的“低成本实验”材料，教学成效十分突出。一是学生在材料制作与实验操作环节全程专注参与，课堂上的互动热情大幅上升。二是借助直观可见的实验现象和亲手操作的体验，学生对呼吸器官、呼吸过程及膈肌作用等重点难点知识的理解程度明显加深。三是在材料挑选、实验规划和现象研判的过程中，学生的观察能力、探究能力与创新思维都得到切实培养，并且初步树立起“用证据说话”的科学态度。

2. 教学反思

实际操作过程中仍存在一些需要改进的地方。在材料处理的部分环节，裁剪橡胶膜、固定吸管等操作需要提前准备妥当，若将这些任务全部留到课堂上让学生完成会占用不少时间，后续可采用“教师预处理 + 学生组装”的模式提升课堂教学效率。另外部分学生动手能力相对薄弱，制作材料时进度滞后，针对这一情况，教师在之后的教学过程中可组织小组互助活动，让动手能力较强的学生协助其他同学，确保每一位学生都能参与到实验当中。

三、结语

在小学科学教学工作中，教师依照优化选取的原则，用心设计并运用“低成本实验”材料可使科学实验更贴近学生的日常生活，进而激发他们的学习兴趣，同时锻炼其实践能力与创新能力。教师在未来需要不断探索，发掘更多适宜的“低成本实验”材料，并且对教学方法加以优化，让学生通过“低成本实验”感受科学带来的乐趣，掌握科学知识，最终实现科学核心素养的提升。

参考文献

[1] 窦玲 . 生活材料在小学科学实验教学中的运用 [J]. 新校园，2024，(08):54-55.

[2] 宋博阳 . 核心素养下小学科学低成本材料实验箱的开发 [J]. 实验教学与仪器，2024，41(07):97-99.

[3] 余京华 . 小学科学实验材料选择与改进——以《温度不同的物体相互接触》一课为例 [J]. 教学月刊小学版 ( 综合 )，2024，(Z1):61-63.

[4] 杨菊红 . 优化实验材料，提高小学科学课堂教学效率 [J]. 家长，2023，(10):91-93.