1. 引言
小学科学课程旨在培养学生的科学素养，实验教学是实现这一目标的重要途径。在实验教学中，教具的选择和使用直接关系到实验效果的好坏。自制教具可以帮助学生通过直观的感受来更好地理解知识点，从而提高他们的学习积极性和学习效果，也可以帮助教师提高教学水平[1]。因此，应该大力推广创新教具的设计与应用，以激发学生的学习兴趣，并提高教学效果[2]。
光的反射与折射知识，是光学领域的基石，广泛应用于生活与科研。然而，传统光的反射和光的折射教具在助力学生理解上存在短板，难以激发学生深度探究的兴趣。为了顺应教育发展需求，培养学生的实践与创新能力，创新光的反射和折射教具成为必然。
杨雪、孙斌、董爱军《自制探究“光的反射定律”实验教具》[3]的光的反射教具当中，是很有空间感的。但是光路不是很清晰，光线容易受到外界环境的影响。王朝君、赵琼琼、张旭梅等《“光的反射和折射”实验教具改进》[4]的教具当中，也是将反射教具和入射教具一体化，但是在实验过程中，需要一直拿着激光笔，容易造成实验误差。本创新教具能解决上述所有问题，并且对其他方面也进行了改进。本文将详细阐述相关教具的创新设计、使用步骤、功能介绍及其优点。
2. 原型教具分析
本研究将重点分析华师大版八年级下册《科学》第二章《光》中有关光的反射和光的折射的内容。其中，“光的反射平面镜”一课设计了探究光反射的规律和探究平面镜成像的特点两个活动；“光的折射”一课通过观察插入水中的筷子认识折射，并组织学生探究光的折射的特点。
2.1. 原型教具使用过程
2.1.1. 探究光的反射规律
教材中“光的反射平面镜”一课组织学生利用激光笔、平面镜、背景板、硬纸板、量角器等开展实验，原型教具的使用步骤如下：第一，先演示光的反射现象，并描绘入射光线与反射光线的轨迹；第二，改变入射方向继续重复实验；第三，测量入射角与反射角的角度并记录；第四，沿法线翻折背景板，观察有无反射光线。最后得出实验结论：反射角等于入射角；反射光线与入射光线、法线在同一平面。
2.1.2. 探究光的折射特点
“光的折射”一课中教师利用玻璃砖、激光笔、白纸、水进行实验。教材中老师演示光线从空气射入水中的现象(如图1)，引导学生观察光线在空中和水中的轨迹，发现光垂直射入水面，传播方向不变；光线斜射入水中时，折射光会偏折。得出入射光、折射光与法线共面的实验结论。随后，教师引导学生继续使用玻璃砖做实验(如图2)，再次验证结论。
Figure 1. Prototype teaching aid 1 from the textbook lesson “Refraction of Light”
图1. 教材“光的折射”一课原型教具1
Figure 2. Prototype teaching aid 2 for the textbook lesson “Refraction of Light”
图2. 教材“光的折射”一课原型教具2
2.2. 原教具存在的问题与不足
通过分析，笔者发现华师大版八年级下册《科学》中“光的反射 平面镜”和“光的折射”两课中使用的教具存在以下问题。
2.2.1. 仪器调节难度大
教材使用激光笔和平面镜进行实验时，需要不断调整激光笔的角度和位置，以确保光线准确地照射在平面镜上并反射到指定位置，这对于学生来说操作难度较大，尤其是在需要精确测量入射角和反射角时，微小的角度偏差就可能导致测量结果不准确。
2.2.2. 光路显示稳定性差
在空气中用激光笔显示光路，容易受到空气流动、环境光线等因素的干扰，导致光路不够清晰和稳定，影响学生对反射现象的观察和理解。而且，当使用可折叠的光屏来验证三线共面时，需要反复折叠和展开光屏，操作过程中可能会不小心改变入射光线和反射光线的位置，增加了实验的误差和难度。
2.2.3. 角度测量存在误差
量角器在测量入射角和反射角时，需要人工读取角度值，由于视角、刻度精度等因素的影响，容易产生读数误差。而且在实际操作中，很难保证量角器的中心与入射点完全重合，以及量角器的刻度线与光线完全平行，这些都会导致角度测量的不准确。
2.2.4. 携带不方便
实验所需的激光笔、平面镜、量角器等教具通常是分散的，不便于携带和存放，在进行分组实验或到不同教室进行演示实验时，容易出现遗漏或损坏的情况。
3. 教具的创新改进
基于教材中的原型教具，笔者于知网和专利网对原型教具进行检索和查阅，对光的反射和光的折射的教具进行创新。
3.1. 教具模型图
本研究使用计算机技术绘制教具模型图。模型主要由圆柱筒、滑轨轨道、底板、量角器和半圆罩构成。以最大的滑轨轨道为分界线，分为两部分，前面是探究光的反射，后面部分是探究光的反射，教具CAD绘图见图3，实物教具见图4。
Figure 3. CAD drawing of the innovative teaching aid (① Southwest isometric view, ② Top view, ③ Front view)
图3. 创新教具CAD图(其中①为西南等轴视图、②为俯视图、③为正视图)
Figure 4. Physical prototype of the innovative teaching aid (① Top view, ② Front view)
图4. 创新教具实物图(①为俯视图，②为正视图)
3.2. 创新教具的材料
烟雾加湿器、定制的亚克力板、激光灯、反光镜、木制半圆形的量角器、黑色卡纸、亚克力板自制底座、合页等。
3.3. 创新教具的制作过程
3.3.1. 选择材料
本研究制作创新教具会利用一些材料。(见表1)
Table 1. Materials and quantities list for the “Innovative Teaching Aid for Light Reflection and Refraction”
表1. “光的反射和光的折射创新教具”使用材料及数量表
材料名称 |
材料数量 |
合页(3 cm * 2 cm) |
1 |
半圆形亚克力盖子 |
1 |
亚克力圆筒(半径20.5 cm) |
1 |
木质量角器(半径20 cm) |
1 |
平面镜(半径2.5 cm) |
1 |
激光笔 |
1 |
加湿器 |
1 |
热熔胶枪 |
若干 |
木板 |
若干 |
3.3.2. 制作步骤
创新教具的制作过程如下。
第一，用激光切割机切割出半径为20 cm的量角器。(如图5)
Figure 5. Wooden protractor
图5. 木质量角器
第二，制作一个长度为3 cm，宽度为2 cm的合页，使用热熔胶枪将合页与量角器相连接。
第三，将量角器和圆柱桶的盖子用热熔胶枪固定好。
第四，准备一个平面镜，用热熔胶枪将平面镜的一端和量角器的底部固定好(如图6)。
Figure 6. Teaching aid fixation reference diagram
图6. 教具固定参考图
第五，制作激光笔的滑轨，将图纸画好，用激光切割机切割。
第六，制作另一根固定激光笔的轨道。
第七，开始制作最大的圆环。
第八，制作能让激光笔滑动的滑块(滑块为纸质材料，长度为4 cm，宽度为4 cm)。
第九，将激光笔的笔套分别固定在两根轨道上，用热熔胶枪固定好。
第十，将亚克力半圆罩和圆柱桶的盖子组装好。
4. 创新教具的使用步骤与功能介绍
改进后的创新教具可以探究光的反射和光的折射现象，利用教具1、2、3、5、10、11、12部分探究光的反射现象及规律，利用4、8、9、13部分探究光的折射现象(见图7)。
Figure 7. Southwest isometric view of the innovative teaching aid
图7. 创新教具西南等轴侧视图
4.1. 功能介绍
创新教具中1是固定激光笔的地方，2是激光笔滑动的轨道，能使激光笔自由移动，3是木质量角器，能够使学生直接读出角度；并且木质量角器能够翻折，探究入射光线、反射光线和法线三线共面，4是亚克力盖子，5是平面镜能让光线反射，6是木质固定滑轨的固定柱，7是连接6和2的轨道，8是固定激光笔的轨道，9是激光笔滑动的轨道，10是亚克力半圆罩子能够使光路更加清晰稳定，11是铁质合页能够使量角器更好的翻折，12是加湿器能够使光路更加清晰，13是亚克力圆柱筒能够装水从而探究光的折射。
4.2. 使用步骤
首先将激光笔固定于可调位置滑块(装置1)中，调节入射角度后开启装置12，可观察到反射角始终等于入射角，验证反射定律反射角等于入射角。
随后翻折木质量角器(装置3)。并封闭罩体(装置10)进行共面性验证：当木质量角器(装置3)保持平整时能观察到反射光路，而翻折量角器时光路消失，证明入射光线、法线和反射光线共面。
在折射实验中，将激光笔固定于可移动装置(装置8)，使光束斜射入盛水容器(装置13)，可清晰地观察到光从空气进入水时的折射偏折现象，入射角改变时折射角随之变化。实验过程中需注意激光安全防护，避免直射眼睛，并保持光学元件清洁以确保实验效果。本实验成功验证了反射定律的基本规律和光在介质界面发生的折射现象。
5. 创新教具的优点
5.1. 制作简便，易于保存
采用木质和亚克力材质，成本低廉且环保。改进后的教具，既可以探究光的反射还可以探究光的折射，并且是一体化的装置，易于保存和取放。
5.2. 效果明显，具有趣味性
此量角器上面有角度，学生可以直接读出入射角和反射角的角度，清晰地认识到两者的关系。量角器外面有一个透明的半圆形的亚克力罩子，能使光路更加清晰，并且不受外界环境的影响。并且，量角器可翻折，能探究入射光线、反射光线和法线共面的科学事实。此外，内置水雾装置(利用丁达尔效应)增强光路显示效果，也增加了实验的趣味性。
5.3. 使用简便，具有多种功能
创新教具在半圆形的亚克力罩子外面制作一个木质的滑轨，能固定激光笔，并且实现激光笔能自由移动。不需要老师一直拿着激光笔，更加方便，能节省时间，还能够减少实验误差。此外，创新教具能同时观察光的反射和光的折射的效果，将两者对比学习，利于学生理解光的反射和折射现象，培养学生科学思维。
6. 反思总结
该教具通过创新设计实现了操作简便性、实验准确性和教学趣味性的统一，是光学实验教学的理想工具。激光笔的功率需要关注，持续使用30分钟，亮度会有一点减弱，所以需要准备备用电池。本研究开发的创新教具为教师提供了更高效的教学工具，通过使用此创新教具，能够有效地降低光学相关内容的教学难度，帮助教师突破传统课堂教学中“讲解抽象、演示困难”的瓶颈。未来将对激光笔的滑动方式进行改进。在此创新教具当中，固定激光笔的固定器可能存在着耐用性的问题，所以会换成更耐用的材料，并且和轨道的弧度更加契合。
基金项目
四川乡村教育发展研究中心课题立项：面向乡村儿童课余生活的非遗数字化项目研究：AI赋能的川派手工艺STEM课程开发与跨学科学习机制探索(项目编号：SCXCJY2025B03)。乐山师范学院校级教学团队建设重点项目：小学科学教学法团队(项目编号：JXTD-2023-5)。乐山师范学院2025年大创项目S202510649192，“嘉州万象——乐山乡土资源科技活动开发与实践”。
NOTES
*通讯作者。