讓實驗數(shù)據(jù)更真實

《水結(jié)冰了》一課希望學(xué)生通過觀察水結(jié)冰的實驗過程，知道當(dāng)環(huán)境溫度低于零攝氏度，水的溫度下降到零攝氏度時，開始結(jié)冰，從液體狀態(tài)變成固體狀態(tài)，水在結(jié)冰過程中，要向周圍放出熱量。要想讓學(xué)生建構(gòu)這樣的科學(xué)概念，必須引導(dǎo)他們通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實驗，采集、統(tǒng)計、分析實驗數(shù)據(jù)才能達(dá)成。

在教學(xué)中，我按照教材上的方法與步驟，指導(dǎo)學(xué)生展開實驗，采集到如下數(shù)據(jù)：

以上數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)數(shù)據(jù)不能說明“純凈水在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度在零攝氏度時開始結(jié)冰，結(jié)冰時的冰水混合物溫度保持在零攝氏度”。為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？

帶著這樣的疑問，我到網(wǎng)上尋找答案，發(fā)現(xiàn)許多老師在上此課時，都出現(xiàn)了這樣的現(xiàn)象，看來“如何讓水在零攝氏度結(jié)冰”還真是個普遍的問題。我們區(qū)的科學(xué)教師QQ群，以及武漢市科學(xué)教師QQ群對此問題展開了討論，很多老師分析了原因，提出了許多有價值的觀點，但這些觀點需要通過實驗來驗證。

我首先將懷疑的對象鎖定在溫度計上。現(xiàn)在小學(xué)實驗室采用的溫度計主要是煤油溫度計和水銀溫度計，我從實驗室各挑選三只看上去質(zhì)量好點的溫度計，將它們放置在同一水槽中，測量水槽中的水溫，待溫度穩(wěn)定后讀數(shù)，煤油溫度計的正負(fù)誤差有2～3攝氏度，水銀溫度計測量的效果稍好，但是由于水銀顏色較淺，易造成認(rèn)讀誤差。通過實驗，我認(rèn)為這兩種溫度計達(dá)不到測量水結(jié)冰溫度的精度要求。

于是，我到網(wǎng)上去尋找精度更高的溫度計。我找到一種探針式電子溫度計（見圖1），正負(fù)誤差為1攝氏度，而且認(rèn)讀方便，不會因認(rèn)讀錯誤造成二次誤差，但缺點是不太靈敏，不能反映即時溫度，只能基本達(dá)到實驗要求。后來，在其他老師的推薦下，我采用了精度更高、反應(yīng)速度能即時顯示水溫細(xì)微變化的溫度傳感器（見圖2），完全能達(dá)到實驗要求。

另外，我將教材中的實驗裝置做了修改，用一個塑料量杯套住裹有毛巾的燒杯，做成一個簡易保溫杯（見圖3）。

然后，對于很多小組探測到溫度總是在零攝氏度以下水才結(jié)冰這種情況，經(jīng)過反復(fù)實驗、分析以及查閱資料后，我首先排除了觀察誤差的問題。我認(rèn)為出現(xiàn)這種情況有兩個原因：

1.在試管這樣一個小環(huán)境中，靠近試管底或壁的水和試管中間的水，受冷情況是不一樣的，而且水是熱的不良導(dǎo)體，又不能流動，所以試管中不同部位的水溫度是有細(xì)微差別的，溫度計的探測部位不同顯示的溫度不同，再加上其他因素的影響（如水質(zhì)、水的一些固有特性），所以才會出現(xiàn)水總是在零攝氏度以下才結(jié)冰的情況。

2.在實驗過程中出現(xiàn)試管里的水已經(jīng)零下7攝氏度了，仍然不結(jié)冰的情況，這時可以把試管拿出來，晃動一下，在極快的時間里水就會迅速結(jié)冰。我通過查閱資料知道，原來這是一種過冷水現(xiàn)象，是因為純凈水中缺少凝結(jié)核或其他原因，水在零攝氏度以下還保持著液態(tài)，這樣的水叫過冷水。

于是，我再次改進(jìn)實驗，在水溫接近冰點時，不停攪動試管里的水，這樣可以使試管里的水流動起來，使試管里各個部分的水溫度達(dá)到一致，盡量避免出現(xiàn)過冷水現(xiàn)象。

經(jīng)過這樣的實驗改動后，我又反復(fù)多次實驗，取得了滿意的實驗效果，實驗數(shù)據(jù)如下

但是，令人困惑的是，許多時候會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：水的溫度下降到零攝氏度時仍然不結(jié)冰，直到溫度降到零下2攝氏度左右時，溫度突然迅速回升并且長時間穩(wěn)定在零攝氏度（誤差0.1）時結(jié)冰，直到絕大部分水結(jié)冰，溫度才會緩慢下降。

這顯然與我們熟知的水溫下降到零攝氏度開始結(jié)冰還是有出入的，為什么會這樣呢？我是這樣思考的：此時純凈水還未形成結(jié)晶體，也就是凝結(jié)核，水仍然在向外釋放能量，所以溫度還會下降，一旦攪動水產(chǎn)生了結(jié)晶體（形成冰水混合物），水分子之間的結(jié)構(gòu)會重組，結(jié)構(gòu)重組時釋放與吸收能量會形成動態(tài)平衡，溫度會迅速回到零攝氏度，并且穩(wěn)定在這個溫度上不變，直到完全結(jié)冰后才會下降。

所以，我認(rèn)為“純凈水水溫下降到零攝氏度開始結(jié)冰”這種說法是有問題的，水結(jié)冰會有一個下降再回升到零攝氏度的過程，會稍稍滯后，所以應(yīng)該去掉“開始”兩字，而“冰水混合物的溫度是零攝氏度”這個概念在實驗驗中得到印證。

通過投入大量的時間精力進(jìn)行以上探究活動，使我對科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)課教學(xué)有了更多的認(rèn)識：

1.在引導(dǎo)學(xué)生開展科學(xué)探究時，數(shù)據(jù)的采集應(yīng)當(dāng)盡可能使用精密的科學(xué)儀器，否則可能會對學(xué)生形成正確的科學(xué)概念產(chǎn)生不利影響。

2.實驗結(jié)果的可靠性應(yīng)經(jīng)得起重復(fù)檢驗，需要反復(fù)驗證。科學(xué)不是想當(dāng)然，是建立在事實基礎(chǔ)上的，想當(dāng)然的科學(xué)是偽科學(xué)。

3.水結(jié)冰的過程非常復(fù)雜，三年級學(xué)生完成這樣的探究活動有點勉為其難。

湖北省武漢市硚口區(qū)星火小學(xué)（430030）