◎ 管寶琴

“液柱為什么會升高”是滬科教版《自然》三年級第一學期“熱傳遞與熱脹冷縮”單元的第三課時，屬于《義務教育科學課程標準（2022年版）》“能的轉化與能量守恒”學科核心概念中“能的形式、轉移與轉化”的學習內容。本節(jié)課給予學生“做中學”的機會，突出科學探究的過程體驗。學生經歷提出問題、猜想假設、設計方案、實驗驗證、分析推理、解釋交流的過程，從而實現(xiàn)學習的自我建構。

教材中與“熱”主題相關的學習內容呈螺旋上升的形式。通過二年級第一學期第五單元“加熱與保溫”的學習，學生知道熱產生的方式，了解生活中的一些保溫材料和保溫措施；通過三年級第一學期第七單元“熱傳遞與熱脹冷縮”的學習，學生初步了解熱傳遞的三種方式及各自特點，知道不同材料的導熱本領不同，知道物體熱脹冷縮的性質及生活中的熱脹冷縮現(xiàn)象。

本單元共四個課時，前兩個課時探究熱傳遞現(xiàn)象，主要使學生初步了解熱傳遞的三種方式以及各自的特點，后兩個課時探究物體熱脹冷縮的性質以及在生活中的熱脹冷縮現(xiàn)象。通過本節(jié)課的學習，學生要達到“知道一般情況下，氣體、液體受熱膨脹，遇冷收縮，并能應用熱脹冷縮的知識解釋生活中的一些現(xiàn)象”的學習要求。本節(jié)課是下一課“鐵軌會變長嗎”知識遷移的基礎，從了解氣體和液體的熱脹冷縮延伸到對固體熱脹冷縮性質的探究。

一、教學設計過程

（一）研讀課標，明確目標

筆者在研讀《上海市小學自然學科教學基本要求（試驗本）》后，明確本內容需達成的目標，即知道在一般情況下，氣體和液體受熱膨脹、遇冷收縮。同時參考《上海市小學自然學科三年級教學基本要求（征求意見稿）》和《小學自然單元教學指南》，制定本節(jié)課的教學目標如下。

（1）通過體驗探究空氣受熱、遇冷后的變化，知道空氣受熱膨脹、遇冷收縮的性質，提高通過實驗探究事物變化的能力。

（2）通過設計實驗觀察水受熱、遇冷后的變化，知道液體一般受熱膨脹、遇冷收縮，并比較空氣和水的受熱膨脹差異，感受對比和推理的思維方法。

（3）通過用熱脹冷縮的知識解釋生活現(xiàn)象，提高運用所學知識解決實際問題的能力，感受科學來源于生活、服務于生活。

同時，本節(jié)課要突出的重點是：知道空氣和液體受熱會膨脹、遇冷會收縮。方法是首先通過展示熱噴泉現(xiàn)象，激趣導入，學生帶著猜想繼續(xù)探究。然后，初步體驗觀察平底燒瓶上的氣球隨著燒瓶在熱水和冷水中的鼓起、變癟，知道空氣受熱膨脹、遇冷收縮。接著，自主設計方案，實驗驗證水具有和空氣相同性質的猜想。最后，教師演示酒精、牛奶等液體受熱、遇冷變化的實驗，歸納總結液體熱脹冷縮的一般性質。

本節(jié)課要突破的難點是：通過設計實驗，觀察現(xiàn)象，分析、認識空氣和水的熱脹冷縮。方法是教師提供探究空氣熱脹冷縮性質的部分實驗器材，引導學生進行實驗，通過觀察氣球受熱、遇冷后鼓起、變癟的現(xiàn)象，分析認識空氣受熱膨脹、遇冷收縮；接著，學生知識、方法遷移，自主探究水的熱脹冷縮性質。就設計方案、實驗材料和現(xiàn)象觀察三個方面，學生小組合作、教師問題引導，逐步展開探究，通過觀察燒瓶上細玻璃管內紅色液柱升高和下降的現(xiàn)象，得出水的熱脹冷縮性質。

（二）依據(jù)目標，設計方案

小學自然學科核心素養(yǎng)包含三個方面（見圖1）：一是認識自然現(xiàn)象、形成科學觀念，習得觀察、實驗等技能；二是體驗科學活動和發(fā)現(xiàn)科學問題，習得運用科學知識和方法開展不同形式的科學探究和實踐的能力；三是具有探索各種自然現(xiàn)象的好奇心，養(yǎng)成尊重事實的科學態(tài)度，增強對自己、對身邊的人、對自然和社會的責任感。［1］小學自然學科核心素養(yǎng)是學生科學素養(yǎng)的重要組成部分，是學科育人價值的集中體現(xiàn)。

圖1 小學自然學科核心素養(yǎng)

探究式教學是提升學生科學素養(yǎng)的重要途徑?！读x務教育科學課程標準（2022年版）》指出“探究是科學學習的主要方式之一”。探究式教學就是以探究為主的教學方式。徐小蓮在歸納國內外學者對探究式教學的看法后提出，探究式教學是在教師的指導下，以學生獨立自主學習和合作討論為前提，以學生周圍世界和生活實際為參照對象，為學生提供充分自由的表達、質疑、探究、討論問題的機會，讓學生通過學習，了解科學過程的特征和本質，發(fā)展學生的邏輯思維和批判思維能力，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，使學生將自己所學知識應用于解決實際問題的一種教學方式。［2］其中，發(fā)現(xiàn)并聚焦問題、提出預測或假設、設計方案、尋求實證、處理信息和數(shù)據(jù)、得出結論、交流表達等是探究式教學的一般要素。

因此，在小學自然探究式課堂中，教師應更注重學生探究意識的培養(yǎng)，充分挖掘教材的探究內涵，挖掘學生的潛能，設計更加自主、創(chuàng)新的探究活動，以達到培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的目的。

小學三年級學生具有強烈的好奇心和探究熱情，對于氣體和液體熱脹冷縮的性質也有一定的生活感知經驗。同時，他們有一定的邏輯推理能力，有助于實現(xiàn)對于“觀察到什么現(xiàn)象”“說明了什么”“可以歸納出什么結論”等方面的探討。但小組合作、自主設計各種可能的實驗方案并付諸實施，對于學生創(chuàng)新思維、合作意識和實踐能力等都具有挑戰(zhàn)性?；谏鲜龇治?，筆者設計了以學生為主體的探究式課堂，呈現(xiàn)如下。

1.發(fā)現(xiàn)問題，提出猜想

課堂伊始，教師現(xiàn)場演示熱噴泉實驗：把帶有細玻璃管、裝有部分體積紅色水的平底燒瓶放在水槽中，向水槽中倒入熱水，紅色水很快噴出。實驗現(xiàn)象奪人眼球，激起學生探究熱情。學生用已有知識去解釋問題、作出猜想。教師逐步引導學生討論觀察到了什么現(xiàn)象，猜測為什么會出現(xiàn)該現(xiàn)象，可能是什么物質產生了變化。學生在問題的引領下，層層遞進，確定探究目標，可能是平底燒瓶中空氣或者紅色水受熱體積變大。

2.設計方案，實驗驗證

作出猜想、明確探究目標后，教師請學生思考：為了驗證猜想，應該怎么做？分哪幾個步驟？首先學生已經明確兩個探究問題：空氣受熱是否體積變大和水受熱是否體積變大。接著，就實驗材料的選擇、現(xiàn)象的觀察、操作的步驟等展開設計，并完善方案。

水受熱是否體積變大的探究，對學生來說難度不大，教師導入實驗的裝置會帶給他們啟示，只需把原來燒瓶中的部分水加滿。其中觀察、比較水體積變化的實驗細節(jié)，需討論完善，明確畫刻度做標記的意義。對空氣受熱是否體積變大的探究，難在如何觀察空氣的體積變化。先嘗試引導學生思考借助其他物質的體積變化來觀察空氣的體積變化，再呈現(xiàn)輔助觀察的實驗材料——氣球。

當確定了實驗方案后，小組合作展開實驗并做好及時的現(xiàn)象、數(shù)據(jù)記錄。

3.分析推理，得出結論

實驗結束，根據(jù)實踐過程中收集的信息，進行交流、分享，師生一起梳理歸納得出結論。平底燒瓶上套氣球，觀察氣球的變化過程并分析原因，燒瓶內空氣受熱使得氣球鼓起、遇冷氣球變癟，從而分析得出空氣受熱體積膨脹、遇冷體積收縮；帶細玻璃管的平底燒瓶放入熱水中液柱升高，放入冷水中液柱降低，分析得出水受熱體積膨脹、遇冷體積收縮。

4.解釋交流，建構概念

遷移應用有助于深化對知識的理解、概念的建構。最后讓學生應用所學知識解決生活中的實際問題——怎樣讓癟的乒乓球鼓起來？同時引導其分享生活中其他熱脹冷縮現(xiàn)象。

二、教學實踐與評析

本節(jié)課主要有以下三個教學環(huán)節(jié)：①熱噴泉實驗導入，引發(fā)學生猜想，平底燒瓶中空氣或紅色水受熱體積膨脹，再利用提供的實驗材料設計方案，平底燒瓶上套氣球，觀察氣球的變化過程——燒瓶內空氣受熱、遇冷帶來氣球的鼓起、變癟，并分析得出空氣受熱膨脹、遇冷收縮的原因；②自主設計實驗觀察水受熱、遇冷后體積的變化，通過演示實驗、分析現(xiàn)象等拓展、歸納出液體熱脹冷縮的一般性質，然后對比空氣和水受熱膨脹程度的差異，再次解釋熱噴泉現(xiàn)象；③就“如何讓癟的乒乓球鼓起來”的問題，應用所學加以解決，并對生活中其他熱脹冷縮的現(xiàn)象進行解釋交流。

（一）創(chuàng)設情境，提出問題

情境作為教學的有機組成因素，引導學生經歷學習的過程，促進其科學素養(yǎng)的發(fā)展。結合教學內容，合理選擇創(chuàng)設情境的方法，可以通過讓學生看實物、魔術、視頻資料、演示實驗等；聽歌謠、故事、珍聞、新聞等；做游戲、猜謎等有效激發(fā)學生的學習興趣［2］，使學生積極主動地參與到課堂探究中。

師：今天老師給大家?guī)砹艘粋€實驗。

（教師演示實驗）

生：哇！噴泉。

師：為什么會出現(xiàn)噴泉現(xiàn)象呢？

生：老師往水槽里加了熱水。

師：是的，你觀察得很仔細。那么，是燒瓶里水變多了噴出來了嗎？

生：不是。

師：那可能是什么原因？

生：可能紅色水體積變大了。

師：這是一種猜測。可是燒瓶里除了有紅色水還有什么物質？

生：還有空氣！也可能是空氣受熱體積變大，導致紅色水噴出。

師：是不是像同學所說的這樣？我們需要通過實驗來驗證它。

小學自然是一門以實驗為基礎的學科，用實驗創(chuàng)設情境，有其得天獨厚的學科優(yōu)勢?？茖W實驗本身非常有趣，容易吸引學生注意力。課堂伊始，教師現(xiàn)場展示熱噴泉實驗，促使學生積極思考為什么會出現(xiàn)噴泉現(xiàn)象，提出燒瓶中空氣或是紅色水受熱體積膨脹的猜想，形成具體明確的可探究的科學問題，進而積極主動去探究。

（二）逐層引導，激發(fā)思維

小學自然課堂中，教師是學生學習科學的支持者和引導者。為使探究達到預期的教學效果，教師對學生思維、行為的合理引導是科學探究高效開展的關鍵點。

1.環(huán)節(jié)一：探究空氣受熱后的變化

基于猜想“燒瓶中的空氣或紅色水受熱體積膨脹”，明確探究空氣受熱后的變化和水受熱后的變化。對于三年級學生來說，設計完整的實驗方案有一定難度，教師通過問題鏈引導學生思考探究實驗的設計。

師：老師帶來了平底燒瓶、熱水和燒杯，這些材料能幫助我們觀察空氣受熱后的變化嗎？

生：不能。

師：關于空氣，我們已經知道空氣有哪些性質？

生：空氣無色透明、無氣味、無味道、會流動。

師：是的，我們無法直接看到空氣。那能否借助其他物體的變化來觀察空氣的變化？

生：氣球！把氣球套在平底燒瓶上，再把燒瓶放入盛有熱水的燒杯中，看氣球是否鼓起，如果氣球鼓起，那就說明空氣受熱體積膨脹。

由上述可見，教師在課堂引導過程中，要基于學生的已有知識經驗和認知水平，利用合適的問題激發(fā)學生的思維，調動其思考的積極性和全面性。

2.環(huán)節(jié)二：探究水受熱、遇冷后的變化

探究驗證水是否具有和空氣相同的性質，學生通過知識、方法遷移，自主探究水的熱脹冷縮性質，就實驗材料的選取和現(xiàn)象的觀察，小組合作，設計方案。

師：我們通過實驗驗證了空氣受熱體積膨脹、遇冷體積收縮。那你們能否參考課上出現(xiàn)的實驗用品，再次選擇材料、設計實驗，探究水受熱、遇冷后的變化？

生：我們小組認為只要把熱噴泉實驗中的燒瓶裝滿水，加熱燒瓶，觀察燒瓶上細玻璃管的液面變化。

師：你們很會思考應用。老師還有個問題，怎么觀察、比較水的體積是否發(fā)生了變化呢？

生：用直尺豎在細玻璃管邊上，測量液面的位置變化來做記錄。

師：很好，你們會用參照物幫助比較了。有沒有更簡便的操作？

生：在玻璃管上畫線做標記。先標記液柱原來的位置，再標記加入熱水后液柱的位置。前后兩次進行比較。

科學探究活動中的每一步都伴有思維活動。教師要在開展活動過程中發(fā)揮學生的主導作用，把握關鍵問題，利用恰當時機，引導學生進行科學思維、有效探究。

3.環(huán)節(jié)三：解釋熱噴泉現(xiàn)象

認識空氣和液體的熱脹冷縮性質后，聚焦導入實驗的熱噴泉現(xiàn)象，引導學生分析推理，解釋原因。

師：現(xiàn)在我們知道水和空氣都有熱脹冷縮的性質。請同學觀察實驗對比圖（見圖2）。

圖2 對比解釋熱噴泉現(xiàn)象

圖左是老師的演示實驗，圖右是同學們探究水受熱變化的實驗。有什么不同？

生1：左邊燒瓶中液體受熱噴出，右邊燒瓶中液體受熱液位緩慢上升。

生2：左邊燒瓶中裝了部分水，右邊燒瓶中裝滿了水。

師：很棒。區(qū)別在于左邊燒瓶中部分的空氣到了右邊變成了水，從而出現(xiàn)了左邊是液體噴出，右邊只是液柱升高的區(qū)別。

生：空氣比水受熱更容易膨脹。

在學生分析的基礎上，教師進一步視頻演示，如圖3所示，實驗前后畫面，觀察到相同時間內，受熱后的空燒瓶中液柱移動更遠，再次驗證了空氣比水受熱更易膨脹。

圖3 比較空氣與水的受熱膨脹程度

教學中注重引導學生分析推理，抽絲剝繭，探究過程循序漸進，從而保證學生的積極的思維狀態(tài)，讓學生經過探究和思考后，逐步實現(xiàn)對問題的有效解決，不斷培養(yǎng)思維能力。

（三）遷移應用，深化理解

深度學習理論認為，學習者能夠在理解學習的基礎上，將已有知識遷移到新的情境中，作出決策和解決問題。［3］在教學中重視學生的遷移應用，能加深其對知識的理解，促進概念的建構。

師：體育組的老師遇到了一個困難，器材室的乒乓球有些都癟掉了，你們能想辦法幫幫他嗎？

生：可以把癟掉的乒乓球放熱水里，球里的空氣受熱體積膨脹就會讓乒乓球鼓起來。

師：非常棒。你已經會應用今天所學的知識解決生活中的問題了。生活中還有些現(xiàn)象，你們能解釋嗎？裝滿水的水壺燒開后水為什么會溢出來？夏天自行車車胎的氣為什么不能打太足？冬天從暖水瓶里倒水喝，塞子塞回去后，為什么有時塞子會跳起來？

學生遷移應用所學知識，對生活現(xiàn)象分析解釋，促進其對熱脹冷縮科學概念的深度理解。同時在探討中發(fā)現(xiàn)，生活中熱脹冷縮的現(xiàn)象分為防范與應用兩個方面，感受科學與生活的密切關系。

三、教學反思

（一）創(chuàng)設質疑環(huán)境，營造探究氛圍

批判質疑是學生發(fā)展核心素養(yǎng)的要點之一。探究式課堂鼓勵學生自行設計方案、自己選擇材料、自己開展實驗、自己總結結論，這些都可以是學生批判質疑的對象，教師要提倡基于證據(jù)的批判質疑，激活他們的科學精神。同時，在自主探究過程中允許失敗，再修改方案，再研究，不斷走向成功。

（二）實施有效評價，激勵持續(xù)探究

教育評價的最終目的是改進與發(fā)展，要發(fā)揮評價在探究式教學過程中的反饋、發(fā)展功能，提高教學有效性；更要在評價實施的過程中挖掘學生的多方面潛能，激勵其持續(xù)探究。學生個體水平存在差異，教師在評價時不能只關注學生對知識技能的掌握，更要全面關注學生的情感、態(tài)度、認知、能力等各方面的發(fā)展，促進其在原有水平上不斷提高。

（三）提升自身素養(yǎng)，助力高效指導

在探究式教學中，處理好學生自主和教師指導的關系尤為重要。突出學生地位的主體性，保證教師指導的高效性，都有賴于教師扎實的學科知識基本功以及對學生探究領域的清晰認知。如今教育改革如火如荼，知識更迭越來越快，教師只有不斷學習，夯實專業(yè)知識，提升自身素養(yǎng)，才能迎合發(fā)展學生核心素養(yǎng)的需求。