小学科学太阳照射角实验的改进探索

深圳市宝安区立足区域特色，以高质量发展为引擎，系统推进中小学科技教育实践。本专题汇聚一线智慧，从跨学科探索、科学实验创新到思维型课堂建构，多维度呈现了宝安区科学教育扩优提质的生动样本，为区域科学教育实践提供了可借鉴的路径与思考。

文_吴淑敏

（深圳市宝安区弘雅小学）

摘要：教科版小学《科学》6年级上册“四季变化”一课，要求学生理解地球公转过程中太阳照射角度变化导致四季冷热更替。教材实验存在温度无法测量、光斑只能定性描述、2个实验认知衔接不足等问题，学生难以基于实证建构核心概念。本研究以让证据可见、让思维可迁为理念，用热源灯和感温贴纸实现温度可测，用一体化轨道底板规范操作，用统一的“描光斑、测温度”步骤贯通2个实验，用分层记录单保障思维完整。改进后的实验将依赖推理的间接经验转化为可观测的实证证据，使学生在获取证据的过程中完成从现象到概念的认知建构。实践表明，聚焦核心变量的可观测性、追求实验间的认知迁移、建构完整的证据链条，是本案例取得成效的关键。

关键词：四季变化 太阳照射角 实验改进 可视化

问题的提出

《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确指出，探究和实践是学生科学学习的主要方式[1]。科学实验活动是落实这一要求的基本途径，而实验材料的质量直接影响实验教学的效果。科学探究离不开适切的实验材料，教师对教具的改进与创新，能够有效提升学生参与探究活动的积极性。

“四季变化”是教科版小学《科学》6年级上册“地球的运动”单元第6课，要求学生理解“地球在公转过程中，同一地点的太阳照射角度发生变化，导致接收的太阳热量不同，进而形成四季的冷热变化”。教材实验具有一定的启发性，实验1通过手电筒照射物体，观察光斑大小与影长变化，以此推理直射、斜射对温度的影响；实验2则模拟地球公转，借助纸屏上的光斑大小推测太阳高度和气温。然而，在实际教学中，上述实验暴露出若干亟待解决的问题。

依赖经验推理，缺少直接证据

教材实验的一个关键局限在于，温度未被直接测量，导致学生获得的证据不完整。虽然实验通过光斑大小和影长变化（见图1），帮助学生理解直射与斜射的区别，但温度高低的判断只能依赖中午热、早晚凉，或夏天热、冬天冷等生活经验，再经由“直射—太阳高度角大—影短—光斑小—温度高”的链式推理得出结论。这就意味着“为什么光斑小就代表热量集中、温度较高”这一因果关系并未被显性揭示，对于逻辑思维能力较强的学生尚可接受，但对思维能力较弱的学生而言，证据链不够直观，容易形成较高的认知负荷。缺少温度这一直接证据，正是影响核心概念有效建构的关键。

图1 教材中直射与斜射对比示意图

01

实验衔接不足，认知迁移受阻

2个实验虽在逻辑上呈递进关系，共同指向“直射热、斜射冷”这一规律，但在材料结构、操作方法和记录方式上差异较大，导致学生即便完成实验1，也难以将其建立的规律自然迁移到实验2的公转情境中；完成实验2后，也未必能清晰表述同一地点在不同季节太阳照射角度不同，导致获得热量不同。2个实验在认知通道上的断裂，正是后续改进需要解决的关键问题。

02

光斑测量粗略，证据效力不足

在操作层面，教材实验模拟地球公转时（见图2），在转动过程中反复调整带孔纸屏高度，以确保光斑始终落在固定观察点上，同时还需控制纸屏与地球模型的距离相同、地轴倾斜方向一致。对小学生而言，这一操作环节较多，变量控制难度较大，容易出现光斑位置偏移、照射距离变化、纸屏高度调整不一致等问题，直接影响实验现象的稳定性。在测量层面，即使光斑能够呈现，学生也只能用大、中、小进行定性描述，缺乏精确的测量手段，使得不同小组的观察结果难以横向比较。操作误差与定性描述相叠加，可能导致光斑大小这一关键证据的客观性与可重复性均受到限制。

图2 教材中地球公转模拟实验装置示意图

在实验改进领域，已有研究针对同类教材实验指出了操作便利性不足、关键变量难以直接测量[2]，以及推理论证的证据链条有待完善[3]等共性问题。基于上述分析，本研究以“四季变化”一课为例，探索实验改进的路径与实践效果。

实验改进的设计理念

实验改进不是简单的材料替换，而是基于教学目标和学生认知特点的系统性设计。STC（Science and Technology for Children，儿童的科学与技术）课程关于“单元的连贯性情境设计”的研究表明，具有连贯性的材料和富有逻辑关系的教学内容相互交织，能够形成贯穿单元的情境脉络，帮助学生在相似的情境中将一个个概念组织起来，形成有结构的整体[4]。虽然该研究以单元为整体对象，但其核心原理——材料的一致性与内容的递进性共同支撑认知迁移，对于一节课内多个递进实验的设计同样具有指导意义。本研究借鉴这一理念，从以下3个方面进行实验改进设计。

01

从经验推测到数据测量

教材实验中，温度这一关键变量并未被真正测量。实验1的温度高低完全依赖中午热、早晚凉的生活经验判断，实验2虽有用“大、中、小”对光斑进行定性记录，但温度本身仍靠经验推测，始终缺少客观数据。改进设计的核心思路是引入感温贴纸，让学生首次在实验中亲手测得温度数据，将温度高、温度低从模糊的经验描述转变为可读取、可记录的数值。这种从经验到数据的转变，不仅增强了实验结论的可信度，也让学生切实体会到科学探究要用数据说话，而非凭感觉判断。

02

从分散操作到结构统一

实验改进的另一个重要理念，是让实验1与实验2在材料和操作上保持高度一致，这正是STC课程所强调的“具有连贯性的材料”[4]设计思想的具体实践。当多节课使用相同材料时，会形成相似的学习情境，学生的探究技能会越来越娴熟。教材中的2个实验分别使用不同的材料组合和操作流程，学生在实验2中需要重新适应新的操作方式，增加了不必要的负担。改进后的设计将“描画光斑、测量温度”作为2组实验共同的操作步骤，学生只需在熟悉的操作框架下改变地球仪在公转轨道上的位置即可完成实验2。操作上的一致，为思维逻辑的连贯提供了基础，为学生的认知迁移搭建了关键支架。

03

从抽象推理到实证建构

四季成因涉及地球公转、太阳照射角度和热量分布等多个抽象概念，对小学生而言，理解同一面积接收太阳能量不同并不容易。教材要求学生通过“直射—太阳高度角大—影短—光斑小—温度高”的链式推理理解，这一推理链条虽逻辑上成立，但过于抽象。改进后的实验1借助光斑轮廓和感温贴纸，先帮助学生建立一条直观的因果链：同样光源下，直射时光斑小、温度高，斜射时光斑大、温度低。在此基础上，学生在实验2中便能依据测得的光斑大小与温度高低，反推冬至和夏至的太阳照射角度差异，进而理解四季冷热变化的成因。整个过程中，推理不再依赖生活经验，而是建立在可观察、可测量的实证证据之上，完成了从经验推理到实证推理的认知升级。

实验改进方案

01

实验器材的改进

改进后的实验器材与用具包括地球仪、热源灯（加装黑色带孔长纸筒以集中光束，见图3）、感温贴纸（可测量18～36 ℃温度变化，见图4）、一天中太阳在天空中的移动轨道底板、地球公转轨道底板、小组记录单及个人记录单。与教材相比，改进主要体现在3个方面。

图3 热源灯与黑色带孔长纸筒

图4 感温贴纸（初始室温状态，约26 ℃）

用感温贴纸替代经验判断，让温度可测且“可视”感温贴纸可测量18～36 ℃范围内的温度，学生能在实验过程中直接读取并记录温度数据。这一改进将温度高、温度低从模糊的主观判断转变为精确的客观数据，极大地增强了实验的可信度和说服力。

用轨道底板替代桌面操作，让变量可控改进后的实验设计了“一天中太阳在天空中的移动轨道底板”（见图5）和“地球公转轨道底板”（见图6）。前者将热源灯固定在底板的正午、清晨、傍晚等预设位置，确保每次实验的照射角度一致；后者在公转轨道上标注了春分、夏至、秋分、冬至4个关键位置，地球仪可沿轨道移动至不同点位进行测量。这种一体化的设计提升了现象的可视性与数据的可靠性。

图5 一天中太阳在天空中的移动轨迹底板

图6 地球公转轨道底板

用热源灯替代普通手电筒，让光斑可描普通手电筒光照强度有限、热效应不明显，难以用感温贴纸有效测量温度变化。热源灯则能提供足够的热量输出，使温度变化可被感温贴纸清晰记录（见图7）。同时，在热源灯上加装黑色长纸筒，可起到集中光束的作用，减少光线散射，使光斑边界更清晰，便于学生描画轮廓。

图7 感温贴纸实测温度对比

02

实验操作的改进

实验1.一天中的冷热变化将热源灯放在底板上的正午位置，模拟正午的太阳，地球仪放在底板的“地球”位置，地轴始终对准底板上的红色箭头（代表地轴始终指向北极星）；以北京为观测点，转动地球仪让“北京”对准热源灯，打开热源灯，将小组记录单贴紧地球仪上的“北京”处描画光斑轮廓；将感温贴纸贴在“北京”处，待温度显示稳定后读取并记录最高温度；将热源灯移到“清晨”（或傍晚）位置，地球仪保持不动，重复描画光斑、测量温度的操作。

实验2.一年中的冷热变化将地球仪放在公转轨道底板的B点（夏至）处，地轴始终对准红色箭头；转动地球仪让“北京”对准热源灯，按照实验1第2—3步的方法描画光斑轮廓、测量并记录温度；将地球仪移到D点（冬至），重复操作。

2组实验操作高度一致，均为描画光斑、测量温度，区别仅在于实验1改变热源灯位置，实验2改变地球仪在公转轨道上的位置。这种设计并非仅为简化操作，意在搭建思维阶梯：实验1所揭示的太阳高度变化引起1天冷热变化，正是理解实验2公转过程中同一地点太阳高度变化引起1年冷热变化的思维基础。操作的一致性使学生能聚焦于这一规律的迁移，实现从1天到1年的思维跨越。

03

实验记录单的改进

记录单分为小组记录单和个人记录单2个层次，其中小组记录单按实验1、实验2分别设置，图8为实验2小组记录单（夏至与冬至实验现象合成图），图9为个人记录单（空白样式）。前者供合作实验时共同填写，后者供实验结束后学生独立完成。这种分层设计既保证了小组合作的有效性，又确保每位学生都能经历完整的思维过程。

图8 实验2小组记录单示例（合成图）

图9 个人记录单

反思与建议

01

从间接推理到直接观测

小学科学实验改进的一个思路，是把原本依赖推理的变量转化为可观察与可测量。体现在本实验改进中，感温贴纸让温度变成可读取的数值，光斑描画让大小变成可比较的形状，关键变量由此变得可视、可测。这启示我们，实验改进不应止于操作便捷，更应指向学生概念的建构，需将其转化为一种自觉追问：“学生需要什么证据建构概念？这些证据能否直接获取？”只有当关键变量变得可观测，学生才能真正用证据说话，而非用经验代替。

02

从隐性递进到显性迁移

“四季变化”实验改进的关键设计，是让实验1与实验2在材料上保持一致性，从而支撑思维逻辑的连贯性。当学生能够在熟悉的材料框架下完成不同层次的探究任务时，便能将更多精力用于理解科学概念本身，而非适应新的操作方式。这一设计思路可为其他需要多轮递进实验的教学内容提供参考。

03

从单薄证据到完整证据

科学教育的核心任务，是让学生学会用证据支撑观点。实验改进不应仅仅关注让实验更好做，更应关注让证据更有力。感温贴纸提供的温度数据、描画的光斑轮廓与记录单上的实验数据，共同构成了一条完整的证据链。学生在这条证据链的支持下，能够将多个证据串联起来，完成从现象观察到原因解释的完整论证过程。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）[S]. 北京：北京师范大学出版社，2022．

[2]张淑飞. 地球公转运动实验的改进[J]. 小学科学，2024（22）：145．

[3]陈文浩. 以《地球公转与四季变化》为例探索推理论证型教学[J]. 小学科学，2025（6）：49-51.

[4]郁波主编. STC课程实验——基于实践的课程研究[M]. 北京：教育科学出版社，2013.

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来源 | 《中国科技教育》2026-6

编辑 | 张雨晴

审校 | 孟想、若惜