田明勇

〔摘? ? 要〕? 對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，從教學(xué)效果反饋看，大部分學(xué)生課后對(duì)熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)仍停留在“記住結(jié)論”的層面，無法對(duì)熱傳導(dǎo)的過程有較深入的思考與理解。對(duì)此，利用溫變油墨、智能溫度傳感器等材料自制創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并用于教學(xué)，能夠激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)探究意識(shí)，提高其科學(xué)思維能力，更高效地促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué)；自制實(shí)驗(yàn)器材；優(yōu)化實(shí)驗(yàn)；可視化；數(shù)據(jù)分析；熱傳導(dǎo)

〔中圖分類號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? ? （2024）? 10? ? 064-066

《熱傳導(dǎo)》是青島版科學(xué)四年級(jí)下冊(cè)“熱的傳遞”單元中第一課時(shí)的教學(xué)內(nèi)容。為了使學(xué)生理解“熱是怎樣在固體中傳遞的”，教材中預(yù)設(shè)的探究實(shí)驗(yàn)一是：先把銅棒固定到鐵架臺(tái)上，調(diào)節(jié)至適當(dāng)高度，然后取四根火柴，在火柴頭上抹少許凡士林，依次粘到銅棒的四個(gè)凹痕處（如圖1所示）。最后用酒精燈加熱銅棒的外端，觀察火柴落下的順序，以此分析熱在銅棒中是怎樣傳遞的。

預(yù)設(shè)的探究實(shí)驗(yàn)二是：加熱涂有蠟油的圓鐵片或者方鐵片不同位置，觀察蠟油的融化情況，以此分析熱在圓鐵片或者方鐵片中是怎樣傳遞的（如圖2）。

一、教材預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)有瑕疵

在多年的教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)其不足之處主要表現(xiàn)在以下幾方面。

實(shí)驗(yàn)不直觀。學(xué)生只能看到火柴棒一根根掉落，無法完整地觀察到熱沿著物體從溫度高的部分傳到溫度低的部分的整個(gè)過程。缺少趣味性、無法實(shí)現(xiàn)定量探究，導(dǎo)致學(xué)生不能完全理解熱傳導(dǎo)的概念。

操作難度大。實(shí)驗(yàn)前，用凡士林把火柴粘在銅棒上以及把蠟油均勻地涂在圓鐵片或者方鐵片上，這些操作對(duì)小學(xué)生來說有一定的難度。導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)也長(zhǎng)。

實(shí)驗(yàn)效率低。第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由于銅棒短時(shí)間內(nèi)不能馬上冷卻，導(dǎo)致凡士林一接觸銅棒就會(huì)處于半融化狀態(tài)，很難將火柴再次粘到銅棒上，兩次實(shí)驗(yàn)間隔所需時(shí)間較長(zhǎng)，影響學(xué)生小組探究實(shí)驗(yàn)的效率。

實(shí)驗(yàn)成功率低。受火柴重量、凡士林用量及學(xué)生操作的穩(wěn)定性等因素影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)往往出現(xiàn)四根火柴不能按照預(yù)定的順序（從離加熱點(diǎn)近處向離加熱點(diǎn)遠(yuǎn)處）依次落下的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)成功率低，不能完美地體現(xiàn)探究實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

實(shí)驗(yàn)層次性不合理。熱既可以在同一個(gè)物體中傳遞，也可以在互相接觸的不同物體間傳遞。而教材中預(yù)設(shè)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都是探究熱在同一個(gè)固體中是怎樣傳遞的，這樣會(huì)使學(xué)生誤認(rèn)為熱只在同一個(gè)物體中傳遞，從溫度高的部分傳到溫度低的部分，在兩個(gè)或者兩個(gè)以上互相接觸的物體中則無法傳遞。

結(jié)論不科學(xué)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)論，學(xué)生只能從火柴掉落的順序以及蠟油融化上感受到熱傳導(dǎo)的方向，缺少數(shù)據(jù)支撐，無法在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行定量分析，嚴(yán)重阻礙了科學(xué)思維的發(fā)展。

二、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新改進(jìn)

針對(duì)原實(shí)驗(yàn)存在的不足，我做了如下改進(jìn)。

（一）改進(jìn)一：探究熱在同一個(gè)固體中是怎樣傳遞的

1.制作材料

16×16厘米的白鐵板一塊、溫變油墨、三個(gè)智能溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、三腳架、燕尾夾等。

2.制作過程

截取16×16厘米的白鐵板一塊，并在其上面距離中心點(diǎn)不同位置焊接三個(gè)金屬棒（如圖3）。

用燕尾夾將智能溫度傳感器的金屬探頭固定到白鐵板不同位置的三個(gè)金屬棒上（如圖4）。

用智能溫度傳感器的另一端連接電腦的數(shù)據(jù)采集器。

3.實(shí)驗(yàn)操作

為了保證探究實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，應(yīng)反復(fù)多做幾次實(shí)驗(yàn)，同時(shí)做好實(shí)驗(yàn)記錄。

打開測(cè)溫軟件，設(shè)定每隔10秒鐘自動(dòng)記錄一次溫度。

點(diǎn)燃酒精燈，加熱涂有溫變油墨的白鐵板中間部位，觀察溫變油墨變色的現(xiàn)象；

觀察三個(gè)智能溫度傳感器上的數(shù)值變化情況，并做好記錄。

關(guān)閉測(cè)溫軟件，熄滅酒精燈。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

觀察溫變油墨變色的現(xiàn)象，可看到顏色從加熱點(diǎn)向四周慢慢消失。同時(shí)結(jié)合記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、分析，可以得出以下結(jié)論：在同一固體中，熱可以沿著物體從溫度高的部分傳到溫度低的部分。

（二）改進(jìn)二：探究熱在兩個(gè)不同固體間是怎樣傳遞的

1.制作材料

一塊生態(tài)板、一根細(xì)鐵棒、三根不銹鋼方管、紫銅管、鋁管、溫變油墨、二個(gè)智能溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、燕尾夾等。

2.制作過程

截取60×25厘米的生態(tài)板一塊作為演示器的底座，并在其左右兩端距離邊線5厘米的中線位置各鉆一個(gè)小孔，分別固定一個(gè)不銹鋼方管作為演示器的支架。

在演示器兩端的支架上按照距離底座16厘米的高度分別打一個(gè)小孔，用來固定細(xì)鐵棒；將涂有溫變油墨的紫銅管和鋁管連接到一起，并套裝在細(xì)鐵棒上（如圖5）。

用燕尾夾在紫銅管和鋁管上分別固定一個(gè)溫度傳感器的金屬探頭（如圖6）。

用智能溫度傳感器的另一端連接電腦的數(shù)據(jù)采集器。

3.實(shí)驗(yàn)操作

為了保證探究實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，應(yīng)反復(fù)多做幾次實(shí)驗(yàn)，同時(shí)做好實(shí)驗(yàn)記錄。

打開測(cè)溫軟件，設(shè)定每隔10秒鐘自動(dòng)記錄一次溫度。

點(diǎn)燃酒精燈，加熱涂有溫變油墨的紫銅管的外端，觀察溫變油墨變色的現(xiàn)象（如圖7）。

觀察兩個(gè)智能溫度傳感器上的數(shù)值變化情況，并做好記錄。

關(guān)閉測(cè)溫軟件，熄滅酒精燈。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

觀察溫變油墨變色的現(xiàn)象，可看到顏色從紫銅管加熱的一端向鋁管一端慢慢消失。同時(shí)結(jié)合記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、分析，可以得出以下結(jié)論：互相接觸的兩個(gè)固體，熱可以從溫度高的物體傳向溫度低的物體。

然后，根據(jù)上述兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課堂小結(jié)：熱可以沿著物體從溫度高的部分傳向溫度低的部分，從溫度高的物體傳向溫度低的物體，這種傳遞熱的方式叫作熱傳導(dǎo)。

三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)材料。紫銅管和鋁管的導(dǎo)熱性能比普通銅棒和鋁棒好得多，受熱時(shí)，溫度上升快。

化抽象為具象的可視化效果。巧妙使用新材料溫變油墨，借助溫變油墨達(dá)到預(yù)定溫度會(huì)變色的特性，將抽象的熱傳導(dǎo)“可視化”，使學(xué)生可以觀察到熱傳遞的動(dòng)態(tài)過程。涂有溫變油墨的實(shí)驗(yàn)材料也可以做到快速反復(fù)使用。

精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，定量分析。利用智能溫度傳感器測(cè)量得出的數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精確度高等特點(diǎn)，將抽象的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可使實(shí)驗(yàn)探究過程數(shù)字化。這樣可以鍛煉學(xué)生分析數(shù)據(jù)歸納結(jié)論的思維能力。

數(shù)據(jù)圖表，簡(jiǎn)明易懂。經(jīng)過信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處理后生成的數(shù)據(jù)圖表簡(jiǎn)明易懂，學(xué)生能更輕松、直觀地對(duì)比、分析不同位置傳感器探頭的溫度變化情況。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。安裝智能溫度傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過接口將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字輸入計(jì)算機(jī)，并通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而形成“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”。

四、實(shí)驗(yàn)效果和評(píng)價(jià)

利用創(chuàng)新型器材開展探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷了從單一固體到兩個(gè)固體間熱是怎樣傳遞的探究過程，學(xué)生的思維也經(jīng)歷了從具象到表象再到抽象的發(fā)展過程，從而促進(jìn)了自身科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展。

溫變油墨、智能溫度傳感器和信息化軟件的應(yīng)用，讓學(xué)生體驗(yàn)到新材料、新技術(shù)的運(yùn)用對(duì)于科學(xué)研究的作用，為學(xué)生的創(chuàng)新提供了示范。

實(shí)踐證明，學(xué)生通過使用制作的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材以及優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，既做到了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀性，又保證了實(shí)驗(yàn)探究過程的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。這樣，學(xué)生對(duì)熱傳導(dǎo)概念理解得更深入、更透徹，從而更高效地促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2]中華人民共和國(guó)教育部.關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見[S].北京：教基〔2019〕16號(hào)，2019：11.