“影子的变化规律”实验教具的改进

喻文静 严玲 王朝君 张旭梅 叶超

为有效提升课堂实验的效率和教学效果，科学教师可从实验器材创新、实验设计优化等方面进行思考。本研究针对小学科学教材中原型实验的不足，设计既可以演示“一年四季太阳东升西落过程中南北回归线及赤道上物体影子的变化情况和光源的距离与高度對影子变化的影响”，又可以具体测量“影子的长度和方向”的“一体式观察物体影子变化”的创新教具。此教具不仅可以简化实验操作步骤、缩短实验操作时间，还可以将科学实验结论形象化、具体化，进而构建高效小学科学课堂。

一、引言

2022年版《义务教育科学课程标准》（下称《课程标准》）强调科学观念的建构，其中核心概念“宇宙中的地球”的建构涉及了物质与能量、系统与模型、稳定与变化等跨学科概念。从小学科学综合基础性与实践性看，采用模拟活动与实验进行宇宙奥秘的探索，便于学生观察与直观认识宇宙。

在《课程标准》中，科学课程设置了13个学科核心概念，其中“光与影”属于宇宙中的地球。宇宙中的地球有助于学生形成物质与能量、系统与模型、稳定与变化等跨学科概念。《课程标准》中设置了一定的内容要求，如观察并描述太阳每天在天空中东升西落的位置变化，初步学会根据太阳的位置辨认方向;观察并描述太阳光照射下物体影长从早到晚的变化情况;测量正午时物体的影长，说明不同季节正午影长的变化情况等。由此可知，影子的产生及其与光的关系是学生需要掌握的重要内容，与“光和影子”有关的教学内容在各个版本的小学科学教材中均有涉及：教科版二年级上册“太阳的位置和方向”，三年级下册“阳光下物体的影子”，苏教版四年级下册“太阳钟”，五年级上册“太阳与影子”。

目前关于“光与影”的教具数不胜数，如浙江省乐清市乐城镇实验小学的赵晓艳的自制教具，使用泡沫圆盘代表地球表面，手电筒代表太阳，铁丝a表示一天中太阳的运动轨迹，铁丝b代表四季正午太阳的运动轨迹，手电筒分别在铁丝a、b上移动可以分别画出一天中杆影的变化和四季杆影的变化。该教具能够把需要长时间的观察及跨纬度的观察浓缩到一个课时中。温州大学教师教育学院老师们要求学生将白纸粘在木板上，再把铅笔用橡皮泥垂直地固定在木板上做一个简易的“日影观测仪”探究影子与光源关系的同时探究阳光下物体影子的变化。钱伟东和王豪挺自制的“光影仪”取材简单、操作方便，整合了教材上的三个活动。只需要学生将手电筒、白纸固定好，装上球形遮挡物即可进行实验探究影子的大小、形状、长短、位置与光的关系。

二、教材原型实验及其不足

本研究主要以苏教版教材为例进行研究，“光与影”内容在教材中的主要分布和实验安排见表1，主要教具见图1、图2。

图1中的教具“简易日影观测仪”适用于室外实时观察阳光下物体影子的变化，虽然该教具能让学生利用简易的装置真实地观察随着时间的变化，物体在阳光下的影子变化情况及其规律。但是该教具存在以下不足：

第一，该教具的使用受到天气这一不可控因素的限制，只能在有阳光的天气才能顺利进行，但在现实生活中往往会遇到阴雨天气导致无法进行实验。

第二，使用该教具进行实验往往需要花费学生大量时间观察，对于小学生来说很容易缺乏耐心，而且如果长时间在太阳下，学生身体安全无法得到保障。

第三，学生无法直接读出影子的长度，需要不停地测量影子的长度，使实验变得烦琐。

图2中的教具是用手电筒模拟太阳，一根半圆形的竹篾模拟太阳的运动轨迹。手电筒在轨道上运动，模拟太阳东升西落，同时观察地面上影子的变化。虽然该实验能够在不受天气、时间等不可控因素限制下让学生观察阳光下物体的影子在一天内的变化，但使用该教具进行实验存在以下不足：

第一，竹篾所制的轨道是固定的，然而太阳运动的轨道不止在赤道正上方，还在南半球、北半球。

第二，该教具无法探究物体影子的变化和光源的距离、高度的关系。

第三，学生无法直接读出影子的长度和估测影子的方向，只能大概知道在太阳东升西落过程中影子的变化情况。

第四，物体并不是只能固定在正中心，它可以在任何位置，这才能更接近现实生活。

三、实验教具的改进

基于对小学科学教材中原型实验以及相关已有创新教具的分析，本着简化实验操作步骤、缩短实验操作时间，并且将科学结论形象化、具体化，构建高效小学科学课堂，达到“双减”政策中有效减轻义务教育阶段学生过重作业负担和校外培训负担的目的，笔者对影子的变化教具进行了改进和创新。

基于对教材内容以及课标的分析，本研究认为“光与影”实验需要解决的教学重点如下：

第一，阳光下物体影子的长度和方向与太阳的位置的关系;第二，物体影子变化与光源的距离和高度的关系;第三，在赤道、北回归线、南回归线的物体影子的变化情况。

从教学的重难点出发，笔者将原有教具进行了如下创新。

（一）底座的改进

1.影长计算与影子方向的改进

同样采用圆形底座，创新改进为在底座上以1cm为半径，从圆心处依次递增1cm 画20个同心圆，每隔5圈一个颜色，以便于通过数同心圆的圈数计算影子的长度。此外，在底座上根据太阳东升西落的方向标注东西南北四个方向，以便估测影子的方向，如图4所示。

2.测量影长物体的位置改进

因为真实环境中阳光下照射的物体可以出现在任意位置，教具需设置成可移动结构，才更符合真实条件，更具有科学性和说服力。故而，笔者主要从以下两个方面对底座再次进行创新改进：首先在底座上设置高2 cm可任意移动的物体，使用者可以根据实际情况随机确定物体的位置，如图6所示。其次，在底座上安装可在南北半球旋转的滑轮轨道，模拟太阳运动，以便于探究南半球、北半球、赤道上物体的影子在阳光下的变化情况，如图7、图8、图9所示。

（二）轨道的改进

模拟太阳运动的轨道采用20cm为半径的二分之一圆弧构成，与底座滑轮连接。该轨道可通过底座上的滑轮在南北半球旋转，如图3、图5所示。

（三）光源的改进

1.光源距離与高度的改进

为了探究物体影子的变化和光源的距离、高度的关系，在底座上分别设置三根柱子，分别设置一个可移动小灯，当三个小灯同高度不同距离时，可探究物体影子的变化与光源距离的关系，如图10所示。当一个小灯与光源的距离一定，上下滑动改变高度时，可探究物体影子的变化与光源高度的关系如图11所示。

2.光源方向位置的改进

为了探究太阳东升西落对物体影子的动态变化的影响，该装置以20cm为半径的半圆轨道上安装了一个可滑动的小灯来模拟自然条件下移动的太阳，如图7、图8、图9所示。

四、创新教具的使用

模拟赤道上的物体在太阳东升西落过程中影子的变化，春分、秋分时阳光下物体影子的变化。将该创新教具平放在桌面上，物体可先固定在底板的圆心处，轨道固定在圆心正上方，从东到西沿着轨道滑动小灯，读出影子的长度，判断影子的方向。影子变化过程如图9所示。

模拟南半球的物体在太阳东升西落过程中影子的变化，与南半球夏季时物体影子的变化。将测量物体固定在南半球，轨道也旋转至南半球的物体的正上方，从东到西沿着轨道滑动小灯，读出物体影子的长度，判断影子的方向。影子变化如图8所示。

模拟北半球物体在太阳东升西落过程中影子的变化，与北半球夏季时物体影子的变化。将测量物体固定在北半球，轨道也旋转到北半球的物体的正上方，从东到西沿着轨道滑动小灯，读出影子的长度，判断影子的方向。如图7所示。

探究光源距离和高度对影子的影响。将物体固定在底板的圆心处，将同高度不同距离的三个灯依次打开，观察影子的长度的变化，如图10所示。再将可上下滑动的小灯打开，依次往上滑动，观察同距离不同高度的小灯，物体影子长度的变化。将观察所得数据和结论记录在表1。

五、教具的创新性及优点

笔者设计的“影子的变化”创新教具有以下优点。

（一）简易安全

该创新教具简易，整套装置采用安全无毒且生活中常见的材料，如木板、铁丝、LED小灯。能帮助学生懂得科学就在身边，启发学生要善于在日常生活中去发现科学。

使用该创新教具能够克服天气对课堂的影响，避免室外实验;能够保障学生的安全。

使用该创新教具进行实验时，只需沿着轨道滑动小灯、转动轨道、移动物体，操作简易，效果明显。

（二）高效科学

运用该创新教具，沿着半圆形的轨道从东至西滑动小灯，引导学生掌握太阳东升西落的运动规律和运动轨迹。

运用该创新教具进行实验，适用于多种版本的教材所对应的内容，可节省大量时间，提高课堂效率和课堂效果。

该创新教具不仅能观察一天中不同时间物体影子的变化，还能观测一年中不同季节同一时间、不同时间影子的变化。短时间内能够帮助学生知道地球上不同位置的物体被太阳照射的角度、高度都有所不同。并且可以观察春夏秋冬各个季节太阳位置的改变对物体影子的影响。

该创新教具能够简化实验操作步骤、缩短实验操作时间，构建高效小学科学课堂。

（三）创新直观

运用该创新教具进行实验，能够测量影子的角度、判断影子的方向，使现象更加明显，结论更加具体。

使用该创新教具，能够实现实验直观动态化过程。这一创新教具不仅轨道能够转动，而且小灯和物体都能转动，因此能打破沉闷的课堂，激发学生的学习兴趣和探究热情。

该创新教具能够探究太阳照射赤道、南回归线、北回归线上的物体，相比其他教具更加直观具体，更具有创新性。

六、总结反思

在现实教学中，由于教材中设计的有关“光和影”的实验操作对于学生来说有一定的难度且实验效果有待提高。为了减少学生的不必要操作，缩短实验时间，提高实验的有效性和科学性，笔者设计既可以演示“一年四季太阳东升西落过程中南北回归线及赤道上物体影子的变化情况和光源的距离与高度对影子变化的影响”，又可以具体测量“影子的长度和方向”的“一体式观察物体影子变化”的创新教具。该教具不仅能够简化实验操作步骤、缩短实验操作时间，提升安全保障，还能将科学结论形象化、具体化，从而构建高效小学科学课堂。教师进行创新教具的开发符合教师终身学习的要求，是教师不断提升自己创新能力的有效方法，亦是教师钻研教材、分析学情、反思自我的成果体现。