增效·精简：自制教具的研制目标

自制教具源自科学课堂，基于课堂实验探究需求而研发，科学课堂是教具研发的灵感源。很多教师有了教具灵感，却难以进行有效设计，有的教师不善于把各种好的功能集合起来，有的教师不善于简化教具，也有的教师在研制中走了不少弯路，这导致在材料成本、便捷实用、科学实证和研制效能方面都存在不少问题。如何设计高效、简约的教具，是自制教具的核心话题。

一、自制教具的设计理念

1.服务教学，助力探究

自制教具是为了更好地服务教学，要以学生的发展为本，为科学探究助力。自制教具需要围绕实验探究展开设计，对各个环节的需要进行权衡、协调、整合和创新，才能体现自制教具的价值。

2.功能增效，精简结构

设计的基本理念是功能的叠加和结构的精简，前者提高其利用价值，后者提升性价比。增效与精简，两者各司其职，协同支持，在具体的研发情境中，教具才会不断迭代、创新和发展。

增效：教具功能完善、便捷高效和标准化实验是自制教具设计追求的重要指向。一物多用总是设计者需要优先考虑的功能完善问题，好的设计作品往往有很多优点或功能集合于一身。一物多用可以把一件教具的价值充分体现，既节约空间，又节省材料和成本，让教具倍受欢迎。

精简：简约化、低成本、小型化、重复使用多功能的集合，势必导致教具设计烦琐。如何精简？功能整合、结构简化、小型化、低成本、可重复使用等方面都是设计的重点方向。精简为了高效，精简为简单而不简单，精简是一种高层次的设计理念。

二、自制教具的研制路径

自制教具需要统筹安排，减少研制弯路，以实现高效高质的研制效果。自制教具的研制路径一般为：确定研制目标，对核心技术进行重点攻关设计，通过图纸设计完善来完成设计，统筹制作材料和方法等，进而完成制作和实验纠错。

以“高仿真月相模拟实验装置”为例，其研制工作经历了发现问题、提出问题、设计制作、实验改善的过程，高效、简约是教具研制的追求目标。

1.基于课堂确定目标

从老教材（六下：月相变化）和新教材（二上：观察月相，三下：月相变化的规律）的迭代中发现，月相原理教学在降低难度，但是实地观测要求在小学都有体现。老教材在月相原理教学后动员学生实地观测，新教材的要求是先实地观测再了解月相变化的基本规律。老教材设置在六年级有一定必要性，因为月相知识探究具有抽象性、宏观性；新教材的实地观测活动对于低年级学生来说难度很大，有的家长都难以实施。

实地观测中的月相亮面朝向很多时候都不是左右正位的，这里涉及人实地观测视角的影响，导致实地观测中有更多的问题难以理解。要把宏观、抽象的实地观测月相原理通过立体模型的方式呈现出来，教师可有效降低实地观测月相原理的理解难度，并为月相原理的建模提供支架。

2.教具核心重点攻关

实地观测时，人们往往会认为自己的站立都是头上脚下的，也感受不到地球的形状，故观察时具有局限性，涉及地球的形状、地球的自转、地球吸引力导致人站立姿态以及日地月三球立体运行方式。人在地球上的经纬度位置不同，就是实地观测月相原理建模的核心，也是教具研制的重点。

教具除了需要体现观察者在不同经纬度位置站立的效果，还需要把模拟观测到的景象呈现出来，于是，我网购了可模拟人左右转动、上下摆动的有线摄像头（连接电脑可见），同时设计不锈钢半圆环（含南北纬度可滑动摄像头吸合底座），半圆环可以绕地球仪地轴360°（经度）旋转，这样就可以模拟人在地球上任何经纬度站立平视观测月相的效果（如图1）。

3.其他部分逐个突破

核心的突破为教具研制打开了大门，再对其他部分进行攻关，轻重协调，可以让研制工作更加高效、有序。

模拟人摄像头。添加模拟人头像，并添加左右标识，这样设计直观形象，容易激发学生的兴趣。模拟人摄像头下端和底座利用强力磁铁进行吸合固定，这样就可以360°转动了（如图2左）。

模拟月球。用手机支架固定模拟月球，以实现月球轨道的自由放置，实现模拟月球的可拆卸性。利用黑色有机玻璃板作为星空背景，让月相模拟更加逼真（如图2中）。

模拟太阳。网购大光圈强光手电，制作电筒支架并固定到手机支架上，发光端制作一个红色中空的太阳模拟环，可以实现模拟太阳的位置移动，让模拟更逼真（如图2右）。

4.图纸设计不断修正

教具研制往往要依托图纸进行完善，灵感出现时可在图纸上描绘出大致的设计思路，再在时间的推移中，根据教学新发现和新思路，不断完善图纸设计方案（如图3）。

粗略到精细。一般来说，对实验教学的有效问题进行排查、质疑和改善，就是灵感推进的基本思路。随着图纸设计的推进，设计图从粗略的草图模式，向规范的、精细的图纸不断优化。

单一到多元。设计图以一开始的灵感为主线，以核心的突围为重点，怎样实现一物多用则需要对实验情境、优化原则进行功能的叠加和整合，以不断推进教具的应用场景功能。

设想到实证。教具研制需要科学验证，主要从原理和经验上进行初步判断。如模拟人摄像头和不锈钢片的可行性需要进行前期论证和实验，在可行的基础上使设计和实证有机结合，让教具研制更加顺畅。

方案到制作。设计方案的最终指向是制作，为了有效制作，需要对图纸进行数据细化，对制作材料进行统筹，为教具制作和实验扫清障碍。

5.有效制作不断完善

合理的设计可以为教具制作铺平道路，有时也需要根据实际情况进行必要的调整和修正。制作过程中，要及时关注制作效果和实验效果（如图4），坚持边制作、边实验、边完善。要在设计稿和制作成品之间进行对照、权衡和推进，确保有效制作，达成设计预期，指向更优方案。

三、自制教具的设计策略

设计是教具研制活动的关键问题。好的教具往往是一物多用、简约结构的，一物多用体现了功能价值，如功能多、性价比高、省成本、省资源等；简约结构体现了附加值，如省空间、省资源、省成本、更便捷等。以演示版“月相模拟器”为例，其研制目的主要包含：日地月的三球建模、地球昼夜时间建模、人观测方位视角建模以及8个月相球模拟观测的建模，旨在基于时间、方位和观测视角的月相模拟实验，认识一天什么时间什么月相在哪个方向的原理。

1.教学为本，实验批判

教师在完成教材的基本要求后，需要剖析其中所蕴含的内在含义，同时基于原理达成度及实地观测中遇到的难题进行梳理和批判，以进一步完善实验结构。老教材提供的模拟实验方案，目的是基于地球中心视角下模拟观测月相球，记录和实证月相变化的过程，这是月相原理的初步探究。但是，关于月相观测时间和方位及实地观测方面，还有很大的空间需要建模和学习。

2.功能叠加，一物多用

一物多用可以高效地利用现有材料，提升教具的性价比，做功能的加法，此外，要围绕模拟实验情境所需的各种要求完善各个功能，不断优化、整合各功能的统一性和协同性。

“月相模拟器”（如图5）围绕月相球的平面月相模拟实验的需要，把星空背景、太阳光照射区、地球昼夜时间、实地观测月相方位盘、8个月相球放置区以及带磁吸的底板等模拟实验所需功能有效叠加。

操作底板设计，其功能目标为：硬质感的教具支撑底板。作为演示教具，要考虑学生的可视范围，整体套材大小要合适。为实现教具站立演示需要，在底板表面覆盖一块相同尺寸蓝白色铁片（钣金店加工），这样就可以实现带有强磁吸合的月相球的固定效果，左侧中央合适位置打孔，并安装固定一颗长螺杆。

底板不干胶面设计，其功能目标为：星空平面模拟、8个月相模拟区以及日地月三球轨道信息。日地月三球平面部分，面板右侧设计为太阳光模拟照射区，含太阳光的照射红色渐淡效果，并标注黄色“太阳光”字体。面板中央偏左为地球模拟区（固定伸出垂直于底板的直立螺杆），四周月相模拟公转轨道区域，设置新月、蛾眉月等8个月相球放置区，放置区左半黑右半白，右半边均朝向右侧太阳光模拟区。各月相球放置区分别标注新月、蛾眉月等8个月相名称，以及4个典型月相农历时间。为提高实验仿真效果，底纹采用星空背景，为引导学生实地观测，左上角标注“实地观测更重要”等引导语。

月相球设计，其功能目标为：取材容易、制作简单、有吸合效果。月相球选用白色乒乓球，并用黑色喷漆半球喷黑，固定底座透明有机玻璃中间钻孔并固定一块小强磁，就可以实现与操作底板的吸合固定效果。

扇形观测方位盘设计，其功能目标为：基于地平线的面朝南方站立的方位模型。月相观测视角是相对不变的，但是在地球自转导致昼夜变化时，观测方位就容易混淆，这就需要设计一个方位盘模型作为支架，简化方位判断的方法。为此，基于人面朝南方时，形成的左东右西，结合地平线模型，设计成扇形观测方位盘，标注：（前）正南视角，（左）东地平线视角，（右）西地平面视角。地平线中央设置一个举起双手（左、右标识）的模拟人，扇形方位盘圆心处（含有机玻璃片）开孔（用来固定到底板直立螺杆上，实现扇形方位盘360°转动），以实现与昼夜时间变化中的同步转动。

平面地球仪设计，其功能目标为：平面地球仪布局，围绕中心可自转。为便于月相模拟观测，地球仪区域设计成平面地球仪照片塑封状态，北极中央开孔套接到底板直立螺杆扇形观测方位盘上，以实现平面地球仪的自转效果。

昼夜时间面设计，其功能目标为：固定的黄蓝昼夜面，含8个整点时间标识。地球自转导致的昼夜变化原理中，太阳光照射的昼夜效果是基本不变的，为此需要制作一个昼夜时间模拟盘。有机玻璃圆片与平面地球仪大小一致，上端贴上分别代表夜晚和白天的蓝色和黄色透明半圆片，对应处贴上3、6、9、12、15、18、21、24时间点，圆心处开孔，利用螺杆和螺帽以固定套接到平面地球仪上方（透明黄色半圆片朝向太阳模拟区）。

3.精简结构，附加增效

精简教具结构，可以在不减少功能的基础上进行优化升值，去除烦琐的功能结构设计，可以省材料、省人工、省空间、实现小型化等，把不必要的结构和环节去除，结构精简的同时，需要考虑教具各个功能之间的契合性，把各个教具功能进行权衡、整合。

在演示版“月相模拟器”基础上，我们进行迭代研制，形成小组实验版“月相模拟器”。

制作材料的简化设计，其功能目标为：简化制作材料，小型化设计，满足小组实验所需，节约材料，控制成本。把原有底板的木板、铁片、扇形观测方位盘的有机玻璃等材料，统一换成硬质较薄纸板，整体尺寸与A4纸相似。扇形观测方位盘和底板用铆钉活动铰接，固定位置，可转动模拟。

扇形观测方位盘与平面地球仪的整合设计，其功能目标为：保留基本功能，简化整合。保留扇形观测方位盘基本信息，与平面地球仪合并。卡通观测人双腿之间三角区域为镂空状态，用来读取底板对应昼夜整点时间（如图6）。

底板不干胶面与昼夜时间面的整合设计，其功能目标为：保留必要的基本信息，精简整合，附加功能。保留底板图文信息，地球模拟区中央右半圆（朝向太阳光一侧）为黄色模拟白天，左半圆为蓝色模拟晚上，同时标注各整点时间，昼夜时间区域分布在平面地球仪外侧，便于读取（如图7）。

小结

高仿真月相模拟实验装置、月相模拟器的研制，遵循了教具研制的一般方法，体现了高效、简约的研制要求。高仿真月相模拟实验装置围绕核心技术展开研制攻关，统筹推进，侧重空间立体建模，月相模拟逼真、高效、通俗、易懂。月相模拟器经历演示版到小组实验版的迭代改进，从研制初版的侧重功能叠加到小组实验版的高效、简约，教具研制得以优化。

（作者单位：浙江省杭州市萧山区朝晖小学）

参考文献

[1]金亚军.模拟观测高仿真月相[J].湖北教育（科学课），2022（11）.