中小学科学教育越来越受到国家的重视。《教育部等十八部门关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》提出，要推进基于探究实践的科学教育，激发中小学生好奇心、想象力和探求欲，培养学生科学兴趣
［1］。在科学课程的教育教学中，应充分发挥实验探究的育人价值，在探究的过程中引导学生形成正确的科学观念，培育有深度和严谨的科学思维。在其他学者的研究中发现，当前许多学校实验教学装备配置不均衡且难以适应新课程标准的实施，科学课堂学生科学思维培养薄弱，从而导致科学课堂教学效果差
［2-3］。
自制教具是实验教学创新和改进的集中体现，利用自制教具可以有效突破传统实验教学中的学生认知盲点，将抽象的、难以理解的知识点具象化，让学生在高涨的学习热情中完成对学科知识的理解和建构。笔者以“四季更替”一课为例，阐述自制教具的设计及其在小学科学实验教学中的创新应用。
1 学情分析与教学目标
“四季更替”对应《义务教育科学课程标准（2022年版）》课程内容核心概念“（九）宇宙中的地球”中5~6年级的学习内容“9.3地球围绕太阳公转”。本课既是对低年级了解四季现象的深入学习，也是学习影长与季节、三球相对运动的重要基础。
通过课前调查、统计分析发现，少数学生通过阅读科普书籍、观看科普视频等渠道，知道“地球自转并且围绕太阳公转”这一科学事实，但是相关知识是以零碎的形式存在的，学生对四季交替现象产生的真正原因困惑不解。五年级的学生对四季温度变化、昼夜长短变化都有较丰富的表象积累，但是对一年中正午时分影子的变化规律少有关注。由于学生的宇宙空间想象能力不足，需要教师运用更直观的影像或者提供结构化的教具，帮助学生理解本课教学难点。基于以上分析，笔者制订了本课的4大教学目标。
科学观念：知道地球和太阳的相对运动方式，了解地球公转的规律；知道四季的形成与地球公转有关，而且与地轴倾斜角度有关。
科学思维：能依据事实对四季更替的成因进行合理猜想；能结合实验现象和实验数据，运用分析、综合、比较、类比等思维方法，对四季成因提出合理解释。
探究实践：能利用教具正确、规范地完成实验，能依据实验现象和实验数据，对四季的成因做出合理解释。
科学态度与责任：在探究实践中，保持好奇心，基于事实证据，发表见解；在探究实践中体会宇宙的神奇，点燃探索宇宙的热情。
2 创新自制教具设计
在课堂教学中，教材设计的探究任务利用节能灯作为多点光源，多点光源造成竿影比较模糊，实验现象不清晰、数据不易准确获得导致实验说服力不强。因为在实验探究时完全看不到太阳直射点位置，所以学生在头脑中难以建构地球在立体空间围绕太阳公转时，太阳直射点的移动轨迹模型。由于缺少垂直地轴的演示实验步骤，学生可能会片面认为地球公转是四季更替的原因。其实在天文学中，四季的变化虽与地球公转有关，但决定性的条件是地轴倾斜。正因为地轴倾斜角度的存在，太阳直射点才会在北回归线和南回归线之间往返移动，地表获得的热量随时间和空间变化而变化，因此，地球才形成了四季。
为了让实验逻辑更加严谨，笔者在课本探究实践活动的基础上增加了垂直地球的探究实践活动。
2.1 太阳照射角度探究仪
（1） 设计目的。
将光照角度对地表温度的影响转化为了准确的数据，直观明显地展示了太阳照射角度对地表温度的影响。通过实验操作，学生知道太阳照射角度是导致四季温度差异的根本原因。
（2） 制作过程。
①取60 cm×60 cm的木板，在木板中间安装半圆弧形的金属轨道。在轨道中间设计圆弧，用元宝螺丝作为卡扣，这样轨道可以随意调节位置，调整位置之后，用元宝螺丝拧紧固定。
②在弧形轨道中间，用尼龙拉扣固定手电筒。
③在木板上用热熔胶固定太阳能板，将太阳能板的导线连接电压表的导线。
在实验操作中，利用手电筒光源模拟正午时分的太阳光；万用表电压值模拟地面所获得的热辐射量。
在创新教具迭代过程中，放弃使用热光源的原因有两点：一是小功率的热光源实验现象不明显，而大功率的热光源在课堂教学中存在一定危险性；二是在近距离测量范围内，在相同热光源照射下，测量不同照射角度的温度变化，实验时间长，且实验现象不明显。究其原因，主要是价格低廉的数显温度计误差较大，若换用工业化高精度数显温度计，则实验器材成本高，不利于实验推广。而利用太阳能板的电信号所产生的电压值模拟地面所获得的热辐射量数据变化明显，实验时间大幅度缩减。
2.2 四季成因探究仪
（1） 设计目的。
四季成因探究仪可以清晰呈现地球在公转的过程中，太阳直射点位置的移动轨迹，学生能清晰观察正午时分竿影长度的变化规律，由此学生可以推测出太阳照射角度和地面获得热量之间的变化，从而判断4个观测点相对应的季节。综合分析实验现象和数据，学生能在地球公转位置、竿影长度、太阳照射角度、太阳直射点位置4个要素之间建立深刻的逻辑联系，逐步发现四季更替的真正成因。
（2） 制作过程。
①设计半径为45 cm的白色圆形板，在距离圆心35 cm处挖宽1.0 cm、深0.7 cm的槽模拟地球公转轨道。
②更换地球的底座为金属底座，确保地球仪在自转的同时能够保持稳定。在底座圆心处用六角螺母固定地轴，推动地球仪底座可以让地球仪在空槽中无障碍自由移动。在地球底座下方增加一个直流减速电机，通过齿轮和橡皮筋的联动轴带动地球仪转动。利用相同方法制作垂直地轴的地球仪。
③设计纸尺。可以测量地球仪曲面的竿影长度，实验数据相对精准。纸尺两边刻度中间留白，当竿影位于纸尺中间留白处时，读取正午时分竿影长度，测量方法更加科学。
④用锡焊焊接6个LED灯珠为小灯圈。切割直径为2 cm、长度为10 cm的金属管，将灯圈安装进灯管中，在灯管前方增加透镜，透镜可以让光线在近距离内形成较大光圈的光束，可以确保照亮半个地球仪。在灯管上方焊接激光笔，调整激光笔尾部，让激光笔光点落在光束中心。中央光束的支撑管与光束管用活动螺丝连接，方便调节激光笔光点的位置高低。在中央光束底座上增加连杆，将灯管和地球仪紧密连接。连杆靠近地球仪的一端有螺纹，旋转连杆可以更换垂直地轴的地球仪。在实验过程中，学生既可以直接观察地球公转时太阳直射点的移动变化，又能清晰测量竿影长度。如
图3所示。
3 应用自制教具的教学过程
3.1 情境聚焦——二十四节气划分四季
利用授课时临近的节气——谷雨。谷雨过后夏天来临，向学生提问：“你知道一年四季从什么时候开始吗？”由此激发学生的探究兴趣，学生自由猜想。引导学生认识到温度的改变是划分四季的主要因素。部分学生会认为地球离太阳近时，是夏季；地球离太阳远时，是冬季。教师利用宇宙星球模拟软件呈现出整个太阳系中所有行星公转的3D立体画面。在这一环节，教师提供相应的近日点和远日点科学数据资料，让学生计算、讨论分析数据资料，寻找支持自己科学观点的证据，完成推理论证，帮助学生建立地球公转和自转的运动模型。
3.2 探究实践
（1） 太阳的直射与斜射。
在探究太阳照射角度这个影响因素的环节中，教师出示创新教具——太阳照射角度探究仪。教师讲解教具各构造部件，师生共同讨论手电和万用表电压值的模拟对象，向学生说明太阳能板接受光照后造成的电压值变化代表地面温度的变化，这样可以直观地让学生感受不同照射角度对地面温度的影响。教师演示直射、斜射导致温度不同的实验，学生分组观察记录数据，得出实验结论：太阳直射，温度高，是夏季；太阳照射角度小，太阳斜射，温度低，是冬季。太阳照射角度变化是导致四季温度差异的根本原因。
（2） 地球的公转与太阳直射点。
在经过对太阳角度与地面获得热量之间关系的探究活动后，多数学生会提出疑问：“为什么一年当中，太阳照射角度会发生改变？太阳照射角度是怎样改变的？”顺着学生的思路，教师接着出示创新教具——四季成因探究仪，学生分小组开始实验，利用教具探究太阳照射角度改变及四季形成的原因。学生在应用创新教具的过程中，学生可以形象直观地观察到：由于地球公转位置改变，太阳的直射点会慢慢地有规律地移动，观测物的正午时分竿影长度也慢慢地有规律地变化。由此学生推测出太阳照射角度和地面获得热量之间的变化，从而判断4个观测点相对应的季节。综合分析实验现象和实验数据，学生得出四季更替的成因为地球公转位置改变造成的太阳直射点位置的变化。
（3） 地轴倾斜角度与四季。
学生借助垂直地轴的自制地球仪，再次完成实验探究，学生直观地认识到如果没有地轴的倾斜，就没有太阳直射点位置的变化，进而不会出现四季更替现象的发生。在这个环节，学生通过操作创新教具开展探究实践，学生像科学家一样，仔细观察、精准测量、反复推敲论证，发现了四季更替不但与地球公转有关，而且与地轴倾斜角度不变有关。学生对四季更替的成因有了更整体、更宏观、更深刻的认识。
3.3 交流评价与拓展应用
教师引导学生根据模型解释春夏秋冬依次更替出现，四季更替一次的时间是一年；教师出示地球和火星公转轨道资料，让学生类比推理火星是否存在四季更替现象，教师出示科学家研究发现的火星存在四季更替现象的事实证据，以验证学生的猜想。一系列拓展问题，既培养了学生推理论证的科学思维，又加深了学生对四季更替成因的理解。
4 自制教具的教学应用价值思考
4.1 应用创新教具，发展科学思维
创新教具的应用在促进学生学习、发展学生科学思维中具有非常重要的作用。本课例通过应用创新教具，将抽象的天体运行模型化、具体化，给了学生清晰的、直观的实验现象，帮助学生在头脑中很好地建构了地球和月球运行模型。同时运用数字化的传感装置，将实验现象数字化，用准确的实验数据解释实验现象，在潜移默化中培养了学生的实证意识和逻辑思维能力。学生经历了像科学家一样分析、判断、推理的探究过程，深刻理解了四季更替的成因。
4.2 基于教具实操，提升动手能力
科学课程是一门体现学科本质的综合性基础课程，具有实践性。在科学课堂中运用自制教具开展实验教学，有助于培养学生的动手操作能力。学生只有真正动手实践，才能获得直观具体的认识，进而了解实验过程各个要素间的相互关系及作用，在对实验现象深入的观察和分析中建构知识的体系和框架。在科学课堂中，应合理利用自制教具，有策略地提升学生的探究兴趣，利用学生的主观能动性，充分发挥实验教学的育人价值。
4.3 改进自制教具，培养创新意识
在自制教具的设计及迭代完善过程中，需要不断经历功能构思、工程设计、材料选择、后期调试的环节，在这个过程中，教师可以邀请并指导学生主动参与到自制教具的设计及迭代更新中来，为学生提供理论与实践相结合的现实情境，充分调动学生对探索科学知识的积极性与主动性。在课堂教学中，也可以展示不同教具功能的特点和差异，在制作与改进教具的过程中使科学观念和探究意识进一步巩固与提升。
5 结语
对于小学科学课堂教学来说，实验教学是必不可少的。利用自制教具开展现象明显、数据准确、论证科学的实验教学是开好科学课的有效路径。通过创新自制教具，满足学生个性化的教学需求，在利用教具进行探究的过程中，帮助学生主动建构科学知识，将抽象的知识与概念建构为头脑中的模型，通过对数据和现象的分析、比较、归纳，完成科学知识的推理论证，并在教具的设计与迭代升级中培养学生的创新思维。因此，在科学课堂的设计中，要让科学课堂既有科学味道，又能贴近学生生活实际，从学生日常经验出发，将学生带入科学探究的殿堂，合理使用自制教具，在激发学生学习兴趣的同时，增强学生的探究意识和实践能力，实现实验育人的目标。
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