改良實驗裝置從定性走向定量

錢舟奇

一、引言

定性研究和定量研究在小學科學課堂中被廣泛運用。本文以《液體的熱脹冷縮》一課為例，探討通過改良原有實驗器材把定性研究轉化為定量研究的實施路徑，以及在此過程中通過對話呈現學生思維過程，利用實驗器材與圖表提供思維支架促進高階思維發展的方法。

二、教學流程

《液體的熱脹冷縮》是教科版《科學》五下“熱”單元第三課，在上一課的學習后學生已經知道冷水在加熱后重量不變，體積略有變大的現象。

第一板塊：討論改進實驗裝置

師：上節課的這個裝置水在加熱后會略有凸起，怎么讓它變得更加明顯？

生1：給水加點顏料，有了顏色看起來就更加清楚。

師：這個辦法解決了一部分問題，如何讓這個凸起部分更加明顯？

生2：用溫度更高的熱水。

師：是個辦法，也存在一定的安全隱患。

生3：可以換一個體積更大的瓶子，這樣體積變大也會更明顯。

生4：把瓶子的上端變成開口小一點的，最好用細細的管子。

師：你為什么要把它變成細細的管子？

生4：這樣做的話體積變大后它可以升得更高，也就更明顯了，直接觀察液柱高度變化就可以了。

第二板塊：實驗探究

教師出示改進后的實驗裝置，提問：“把它分別放進熱水和冷水，你們認為會發生什么現象？”

生：可能會出現液柱的高度不一樣。

師：那我們通過實驗來驗證一下吧。

以PPT出示實驗的相關步驟和注意事項。

學生實驗并匯報實驗結果。

教師總結：我們把這種水受熱時體積變大、受冷時體積縮小的現象稱為熱脹冷縮。

第三板塊：拓展延伸

師：除了水這種液體，其他液體會不會有這種現象？

生：估計有的。

師：怎么證明？

生：把實驗裝置里的水換成其他液體即可。

學生實驗部分其他液體的熱脹冷縮現象，得出實驗的這些液體都具有熱脹冷縮的現象。

師：有沒有明白很多啤酒、飲料瓶都不能裝滿？

生：明白了，防止熱脹冷縮。

三、教學思考

（一）定性研究可以轉為定量研究

在小學科學課堂教學中，定性研究和定量研究是常見的兩種研究方法。前者是指研究者運用歷史回顧、文獻分析、訪問、觀察等方法獲得教育研究的資料，并用非量化的手段對其進行分析、獲得研究結論;后者通常是指運用現代數學方法對有關數據資料進行加工處理，分析后得出有效解釋，它是定性研究的進一步深化，對于小學生而言這種研究更富有挑戰性和思維價值。

液體的熱脹冷縮都采用定性研究的方式進行，液柱的高度采取觀察液面的變化情況，可以量高度（具體的數值），裝置內液體溫度的變化也是個人主觀想法，可以用溫度計量取內部液體的精確溫度數值，從而把熱（冷）脹（縮）都用相應數值體現出具體的變化，進而把定性研究推向定量研究。

（二）從低階思維走向高階思維

人的思維活動是一個復雜的過程，不同的學者對其定義有著各自的理解，但也有相同之處：一致認為高階思維是一種以高層次認知水平為主的心智活動。安德森等專家團隊將思維活動由低到高分成記憶、理解、應用、分析、評價、創造六個層次，其中前三者為低階思維層次，后三者為高階思維層次，如圖1。

小學科學高階思維，是指在小學科學學科的探究式教學中，以分析、評價、創造等為主要形式的探究環節，具有挑戰性、開放性等特征。

在此課例中，整個教學過程以理解和應用低階思維為主，分析、評價和創造高階思維活動偏少。可以從裝置著手，學生體驗后再次改進，發展學生的評價和創造能力，把實驗數字的體積變化與溫度變化相聯系，發展學生的分析能力。把思維活動推向高階思維，有助于提升學生思維品質、培養學生科學學科核心素養。

轉變研究方式促進思維發展，以改進實驗器材為載體，以對話引發學生創造思維。

通過之前的教學活動，我們獲知學生可以一起參與改進實驗裝置，但是需要教師引領把具體的變化數值化，挖掘與學生對話內容的思維亮點改進實驗裝置實現這一目標，匯總得到了以下教學片段以及相應的解決措施：

師：實驗裝置放入熱（冷）水后液柱的變化有同學說可以直接看，你們覺得可以改進嗎？

生1：可以在相應的液面處用記號筆標注，量出高度。

師：我們把這瓶水加熱后，除了體積會變大，還有什么會變？

生2：里面的水溫會變化。

師：怎么變？

生2：會升高。

師：如何獲得證據？

生2：可以用溫度計測量，有數字。

此教學片段反映出學生對于獲取體積和水溫變化證據的思考，很容易就引出用尺子和溫度計來測量獲得相應的實驗數據來佐證。

基于以上與學生的對話片段內容，引發學生的深層思考，激發他們的創造性思維，得到了改進后的1.0版本，如圖2。

四、改良實驗器材，發展學生高階思維

（一）立“準繩”——設立實驗裝置評估標準

針對改進后的1.0版本的實驗裝置，挑選了部分學生進行了實驗材料的評估，學生討論匯總了他們評估角度，如表1。

（二）診“結果”——檢測實驗裝置效果

運用制定的評估表，學生對實驗裝置進行了首輪的實踐檢測活動，發現了一些存在的問題。

1.玻璃管易碎，且存在一定的安全隱患;

2.橡皮塞上端的兩個孔有一定漏水的現象;

3.把裝置放入熱水中后，發現后期液柱上升乏力，可能是水溫下降或者液柱高度變高造成，如表2和圖3。

（三）以評促改，實驗器材的二次優化

根據首輪評估發現的問題，學生討論可以從以下幾個方面加以改進。

1.用亞克力材料的細管子替代玻璃管;

2.用橡皮泥塞住縫隙，防止漏水;

3.把細管子從“一”字形變為“L”形，減少液柱自身重力帶來的影響。

根據以上幾點，我們制作了2.0版本的實驗裝置，如圖4。

在此過程中，鼓勵學生從多維度出發評估裝置效果，并通過實際檢測檢驗效果，二次改進實驗裝置，幫助學生發展數據分析能力、評估能力和創造力，促進學生高階思維發展。

五、以數據為依托，提高學生分析能力

學生通過使用2.0版的裝置再次進行了實驗，獲得了相應的實驗數據，結果如表3。

（一）化平面數字為顯性折線圖，為學生分析提供支架

學生獲取的實驗數字是扁平的線性結構，我們把它變成更加直觀的折線圖（圖5），延伸了數字的空間顯性范圍，為學生分析數字提供支架，助力學生分析能力發展。

（二）借坡下驢，巧問設伏

本節課學生通過實驗要掌握“熱脹冷縮”這個概念，部分學生經常把這個概念當作一個現象，不能區分“熱脹”和“冷縮”。為此，我們在學生分析數據時需要借用學生的話糾正錯誤的前概念，形成正確的概念。

師：大家來看折線圖，嘗試分析實驗數據。

生1：錐形瓶放入熱水后，液柱在變長，溫度也在上升。

師：液柱在變長說明什么？

生1：體積在變大。

師：體積變大和溫度上升有關系嗎？

生1：有關系的，它們是關聯的，隨著液柱變長體積變大，溫度也在變高。

師：我們把這種現象稱為“熱脹”（板書：水受熱后體積變大，熱脹），那放到冷水中呢？

生2：液柱變短體積變小，溫度降低。

師：我們把這種現象稱為“冷縮”（板書：水受冷后體積變小，冷縮）。兩種現象合起來稱為“熱脹冷縮”。

在此過程中，教師鼓勵學生積極思考，把數據通過線性圖表更加直觀地呈現出來，幫助學生發現數據背后的規律，在發展分析能力的同時，加深對概念的深層理解。

六、因勢利導激發學生探究欲，促進高階思維發展

從課堂上的觀察情況來看，學生不滿足于對水的探究，對其他液體同樣抱有好奇心和探究欲，且希望進行橫向比較，即哪種液體的熱脹冷縮更加明顯。

學生自主討論得到以下兩種可以用來比較哪種液體熱脹更明顯的方法。

方法一：計算相同時間內液柱的變化長度。

表達式=變化長度/時間長短

方法二：相同溫度變化范圍內液柱的變化。

表達式=變化長度/溫度變化

方法二更加接近熱膨脹系數的計算方法，學生標記瓶內達到相應溫度時液面所在位置，測量溫度變化區間內液柱的變化長度（表4和圖6）。

學生分析數據后會發現，幾種液體在相應的溫度變化區間內液柱的增加長度各有不同，其中酒精的變化最為明顯，他們明白了常見的溫度計內部的液體是酒精的原因，也借此過程發展學生的分析能力和創造力，促進高階思維發展。

七、結語

小學科學作為一門基礎性、實踐性和綜合性的課程，倡導探究式的學習方式，引導學生在探究過程中開展分析、評價、創造等高階思維活動，對于學生的深度學習，形成科學思維與創新、探究精神等學科核心素養都具有重要的意義。本節課采取依托遞進式的實驗改進裝置，將定性研究轉為定量研究，有助于核心概念的建構，學生對“熱脹冷縮”有了更深層次的理解。這樣，有助于深入探究和科學思維方式的培養，增加分析、評價和創造等高階思維活動，幫助學生深度理解，利于學生形成科學的思維方式和思維習慣。長此以往，學生的分析性思維、批判性思維、創造性思維會逐漸形成。

我們在常規教學中可以開展更多的高階思維活動，有助于學生培養求實、求真、創新等科學精神，在分析數據和得出結論之間建立起證據意識，實事求是，培養實證意識。