小学科学是一门综合性较强的学科，不仅注重科学概念的构建与科学方法的习得，而且注重科学思维的发展与科学素养的形成。在小学科学课堂教学中，充分利用自制教具，变抽象为形象，变被动为主动，利用身边材料整合出来的教具做出明显的实验效果后，既能提高学生学习科学的兴趣，发挥学生的主体意识，又能培养学生的创新能力，起到立竿见影的效果
［1］。现行教材中的部分科学实验设计存在实验操作难度大、实验现象不明显、实验数据不严谨等情况。其中，针对粤教科技版小学科学五年级下册“弯弯的拱桥”的实验内容，笔者尝试自制实验教具“拱桥承重能力探究仪”，并将其应用在实际教学中，助力小学科学实验教学质量的提升。
1 教具研制的过程与方法
1.1 实践教学，发现问题
教材中安排了两个实验探究活动：一是探究“对比有无拱形结构时桥面的承重能力”，二是探究“对比有无拱座支撑时拱的承重能力”。教材中的两个实验都是通过桥面承受的垫圈数量来反映桥的承重能力，均为对比实验，需遵循控制变量中的公平性原则：保证实验过程中判断桥的形变标准相同、桥的跨度相同、桥面材料相同、承重用的垫圈相同。在教学实践过程中发现教材原型实验存在以下不足。
（1） 当拱桥受到压力发生微小形变时，学生用肉眼难以察觉，无法准确判断拱桥是否发生了形变。
（2） 实验没有明确的形变程度判断标准，学生通过肉眼观察现象并记录数据，无法实现在相同形变程度下比较承重能力的大小，导致实验结论不严谨。
（3） 在探究实验中，繁杂、零散的实验材料对学生的实验操作要求较高，可能会发生测量不准确、不小心碰到桥墩等情况，难以保证探究过程中桥的跨度始终相同，实验误差较大。
1.2 研发制作，改进实验
为达到既定的实验目标，教师针对教学实践中发现的问题，设计并制作出具有相应价值的创新教具。笔者研制的“拱桥承重能力探究仪”（
图1）能有效解决以上问题，引领学生深入研究拱桥中“拱”及“拱座”的作用，注重探究思维的科学性、严谨性和深刻性。
该实验装置主要运用了超声波传感器，将桥面的形变量转换为桥面与桥底之间距离的变化量（下面简称为“距离”）。通过编程设计，四位数码管可实时显示距离，当超声波检测到距离减小到设定值时，蜂鸣器发出警报，RGB全彩灯亮红灯，从而将难以判断的拱桥形变转化为有趣的声光提示，实现在相同形变程度下，比较承重能力的大小。其改进要点如下。
（1） 通过编程设计，实现四位数码管实时显示桥面与桥底的距离（以下简称为“距离”），将桥面的形变量转换为桥面与桥底的距离的变化量，解决肉眼难以准确判断拱桥是否发生形变的难题。
（2） 当超声波检测到距离减小到设定值时，蜂鸣器发出警报，RGB全彩灯亮红灯，从而将难以判断的拱桥形变转化为有趣的声光提示，实现在相同形变程度下，比较承重能力的大小。
（3） 固定好桥墩的跨度，将原本零散的实验装置形成整体，集零为整，降低实验操作的难度，保证探究过程中桥的跨度始终相同，减小误差，提高实验的精准性。运用该实验装置进行探究，学生可精确采集实验所需数据，通过分析所得数据，可比较出有无拱形结构或有无拱座支撑的桥面承重能力大小，使得实验的现象更直观有趣、实验探究的过程更科学严谨、实验的结论更具说服力。
2 教具应用的策略与优势
教具在小学科学教学中起着重要的辅助作用，教师要通过开发现有教具、师生共同自制教具等，提高小学科学教学质量
［2］。在粤教科技版小学科学五年级下册“弯弯的拱桥”一课当中，教师应用改进的实验教具设计了思维递进的实验探究活动，强化对学生实证意识和核心素养的培养，助力小学科学实验教学课堂质量的提升。
2.1 精细指导，简化操作——操作活动前的指导
在动手操作前，要做到演示清晰，解说简明，指导学生如何使用实验装置进行探究，让学生明确方法、步骤及注意事项，特别是要强调遵循对比实验中控制变量的公平性原则，注重探究思维的科学性和严谨性，为后续开展探究活动做铺垫。
【示例1】拱桥承重能力探究仪的使用方法。
实验1：探究拱形结构的作用。
（1） 往桥面标记处放置垫圈，逐渐增加垫圈个数，当红灯亮起、蜂鸣器报警时，记录承受的垫圈个数，并重复进行3次实验。
（2） 在梁桥底部增加拱形结构，往桥面标记处放置垫圈，逐渐增加垫圈个数，当红灯亮起蜂鸣器报警时，记录承受的垫圈个数，并重复进行3次实验。
实验2：探究有无拱座支撑的拱的承重能力大小。
（1） 往无拱座的拱上放置垫圈，逐渐增加垫圈个数，当红灯亮起、蜂鸣器报警时，记录承受的垫圈个数，并重复进行3次实验。
（2） 往拱的两旁放置“拱座”，往有拱座的拱上放置垫圈，逐渐增加垫圈个数，当红灯亮起、蜂鸣器报警时，记录承受的垫圈个数，并重复进行3次实验。
教师通过边操作边讲解的实验演示让学生清楚基本的操作方法，明确该实验的目的、器材、步骤等。同时，应用自制教具，简化了实验操作，增强了实验现象，帮助学生完整、准确、清晰地获取所需实验数据。
2.2 深度探究，思维进阶——操作过程中的探究
实验探究是小学科学课程中开展探究式学习的重要方式，关键目的在于帮助学生发现科学规律、建构科学概念、发展科学思维。教师可引导学生充分利用观察的感觉器官，通过思维型的观察让学生对事物有更深入的体会，激发学生参与的积极性，结合自制教具的使用，用具体的实验现象解释抽象的科学知识。
【示例2】运用自制教具开展实验探究。
实验3：探究拱形结构的作用。
通过观察生活中的拱桥，发现拱桥都有拱形结构，进而思考：拱形结构有什么作用？然后让学生提出合理的猜想。接着，引导学生小组讨论设计实验方案，明确对比实验中控制变量的公平性原则：实验探究时需要保证判断形变的标准相同、桥的跨度相同、桥面材料相同、承重用的垫圈相同。
接着，师生共同设计实验数据记录表格（
表1），利用拱桥承重能力探究仪进行对比实验探究。
在实验3中，学生通过观察非常清楚地认识到“拱”受压后，拱形结构会发生变化。于是学生会思考，有拱座支撑着拱形结构，是否能增大拱的承重能力。进而，分别探究有无拱座支撑时拱的承重能力大小。
接着，师生共同设计实验数据记录表格（
表2），利用拱桥承重能力探究仪进行对比实验探究。
本实验教学设计遵循实验探究模式，变教材中浅层的动手操作为深度的实验探究，聚焦思维进阶，充分发展了学生的思维能力和探究能力。运用转换法，将肉眼难以界定的桥面形变量转换为四位数码管上直观的桥面与桥底的距离的变化量，将数据可视化，从而降低实验难度，让学生能够顺利地完成实验探究。
2.3 推理分析，建构概念——操作结束后的分析
“推理清”和“结论清”是实验操作结束之后的重要环节。“推理清”，就是引导学生对实验现象和实验数据进行必要的分析研究，包括实验误差的科学归因，模拟实验的还原思考、类比推理等，“推理清”是“结论清”的前提和基础。“结论清”就是让学生明确探究活动的结论
［3］。通过组织学生基于证据的交流讨论和批判反思，让学生对现象和数据进行深度剖析并作出合理解释，促使学生发现科学规律、建构科学概念。
【示例3】分析实验数据，得出实验结论。
实验4：探究拱形结构的作用。
通过分析数据，我们不难看出，当发生相同形变程度时，有拱形结构的桥比无拱形结构的桥承重的垫圈个数更多。因此，我们可以得出实验结论：拱桥中的拱形结构具有增加桥面承重能力的作用。
该实验数据如表4所示。
学生通过分析实验数据可以发现，在发生相同形变程度时，有拱座支撑比无拱座支撑的桥承受的垫圈个数更多。因此，我们可以得出实验结论：有拱座支撑的拱的承重能力更强。
由此可见，该实验装置能实现精确比较相同形变程度下承重能力的大小，使得出的实验数据更准确、更严谨、更科学，有利于培养学生的实证思维和数据意识。通过对比分析实验数据，学生很容易就发现“拱形结构”和“拱座”具有增加桥面承重能力的作用，实现了实验操作化繁为简、实验现象稳定明显、实验数据科学严谨、实验分析逻辑清晰的效果。
综上所述，自制教具融科学性、直观性、趣味性、创新性于一体，使学生的探究能力和思维能力得到有效提升。目前，随着科学技术的发展和社会的进步，新知识、新创意、新材料也在不断涌现，这为小学科学实验教师的教学进行创造性发挥提供了广阔的天地，小学科学实验教学内容将不断变化
［4］。因此，作为小学科学教师应不断学习新的科学技术知识，努力提升自身的专业素养和创新意识，在实验教学实践中多反思，善于发现问题，并针对问题进行合理改进，提高自身的动手实践能力，巧妙改进教具，并应用在实际教学中，激发学生的探究欲望和思维活动，发展学生的科学素养和创新精神，从而实现科学实验教学有效化、深度化、创新化。
实验5：探究有无拱座支撑时拱的承重能力大小
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