依“史”探“計(jì)” 從“仿”到“創(chuàng)”——“溫度計(jì)的延伸”教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與思考

曹 堅(jiān)

（浙江省慈溪陽(yáng)光實(shí)驗(yàn)學(xué)校，浙江 慈溪 315300）

當(dāng)前，關(guān)于“科學(xué)技術(shù)史有機(jī)地融入科學(xué)課程”的教學(xué)研究正此起彼伏.滲透科學(xué)技術(shù)史的課堂才能更接地氣，學(xué)生獲得科學(xué)知識(shí)的同時(shí)也體驗(yàn)到科學(xué)的本質(zhì).但在實(shí)施過程中普遍缺乏有效性，課堂中常出現(xiàn)“科學(xué)傳奇故事”、“科學(xué)家的生平和學(xué)術(shù)成就”，卻很少看到“技術(shù)設(shè)計(jì)”的發(fā)展歷程.

“技術(shù)設(shè)計(jì)”能力為21世紀(jì)提供技術(shù)創(chuàng)新型人才作支撐，《初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：“注重從義務(wù)教育階段開始培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)設(shè)計(jì)能力”.［1］在倡導(dǎo)提升學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的大背景下，教師不僅只讓學(xué)生重視“科學(xué)知識(shí)”，更要培養(yǎng)學(xué)生具有初步的“技術(shù)設(shè)計(jì)”能力.

在課堂中將“科學(xué)知識(shí)”與“技術(shù)設(shè)計(jì)”交融并提升課堂的可行性該怎么做？本文以“溫度計(jì)的延伸”設(shè)計(jì)為例，談依“史”探“計(jì)”和從“仿”到“創(chuàng)”并舉開展科學(xué)本質(zhì)的課堂教學(xué)實(shí)踐和思考.

1 依“史”探“計(jì)”的教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)設(shè)計(jì)視角下的教學(xué)目標(biāo)

（1）知道氣體、液體溫度計(jì)的設(shè)計(jì)原理.

（2）追尋科學(xué)史，了解氣體溫度計(jì)和液體溫度計(jì)在設(shè)計(jì)上的異同點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)不同液體溫度計(jì)中液體的性質(zhì)初步掌握選擇合適的溫度計(jì).

（3）在實(shí)驗(yàn)和訊息交流的基礎(chǔ)上，依循科學(xué)家的足跡，思辨相關(guān)方案讓學(xué)生感受液體溫度計(jì)更新迭代的發(fā)展歷程.

1.2 追根溯源，逆向質(zhì)疑，點(diǎn)撥釋疑的教學(xué)過程

（1）外界因素影響技術(shù)設(shè)計(jì).

在課前，學(xué)生已經(jīng)知曉歷史上第一支溫度計(jì)是伽利略發(fā)明的，但并不清楚其設(shè)計(jì)原理和裝置特點(diǎn)，卻掌握液體溫度計(jì)的測(cè)溫原理和初步的讀法.歷史上舍棄氣體溫度計(jì)而使用液體溫度計(jì)其本質(zhì)是一種技術(shù)改進(jìn)，學(xué)生通過討論它們的技術(shù)設(shè)計(jì)，既能牢固掌握科學(xué)知識(shí)，又能提升技術(shù)素養(yǎng)，體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì).

對(duì)于氣體、液體溫度計(jì)在設(shè)計(jì)上的異同點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)的討論，采用的是如下教學(xué)進(jìn)程.

展示裝置1，教師介紹其組成.之后，教師把熱毛巾放上去，再把冷毛巾放上去.

師：看到哪些現(xiàn)象？知道為什么嗎？

生：熱毛巾放上去，細(xì)玻璃管內(nèi)水柱下降.冷毛巾放上去，細(xì)玻璃管內(nèi)水柱上升，這種現(xiàn)象是空氣熱脹冷縮引起的.

師：想一想，這套裝置可以用來做什么？

生：粗略地顯示溫度高低，可做溫度計(jì).

師：那倒過來呢，還能不能做呢？

圖1 裝置1

圖2 裝置2

一瞬間，學(xué)生的腦海出現(xiàn)短暫的空白，臉上露出驚愕的表情，教師適時(shí)展示裝置2.學(xué)生的臉上又露出愉悅的表情，不假思索地回答“能”.在課堂中有那么一瞬間，如電路短路又恢復(fù)一般，顯得一絲魔幻又恰到好處.

師：怎么證明呢？

學(xué)生會(huì)小聲嘀咕“用熱毛巾和冷毛巾”，但水的比熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣，因此讓液體熱脹冷縮的效果明顯一些，一定需要吸收或放出大量的熱量.教師可把裝置倒過來，并浸沒到一盆熱水中，之后換成一盆冰水.學(xué)生通過演示實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)周圍溫度上升時(shí)細(xì)玻璃管內(nèi)水柱上升，當(dāng)周圍溫度下降時(shí)玻璃管內(nèi)水柱下降的現(xiàn)象.

師：為什么會(huì)產(chǎn)生這些現(xiàn)象？

生：水熱脹冷縮.

科學(xué)史呈現(xiàn)：1593年，伽利略發(fā)明了世界上第一支氣體溫度計(jì)，裝置1就是根據(jù)它的原型做的.1632年，法國(guó)醫(yī)生讓萊伊倒轉(zhuǎn)了整套裝置，發(fā)明了以水為介質(zhì)的液體溫度計(jì)，裝置2就是根據(jù)它的原型做的.

學(xué)生小組交流1：氣體（空氣）溫度計(jì)和液體（水）溫度計(jì)設(shè)計(jì)上的異同點(diǎn)？學(xué)生大致可以得到以下幾個(gè)觀點(diǎn).

相同點(diǎn)：① 都是利用物質(zhì)熱脹冷縮的原理制成的.② 都采用了轉(zhuǎn)換的科學(xué)思想，通過液面高低反應(yīng)溫度的高低.

不同點(diǎn)：當(dāng)溫度升高時(shí)氣體溫度計(jì)液面會(huì)下降，而液體溫度計(jì)液面會(huì)上升.

學(xué)生小組交流2：氣體（空氣）溫度計(jì)和液體（水）溫度計(jì)設(shè)計(jì)上的優(yōu)缺點(diǎn)？學(xué)生大致可以得到表1中幾個(gè)觀點(diǎn).

表1

教師用洗耳球向裝置1的橡皮管中鼓氣和吸氣，細(xì)玻璃管水面會(huì)有上下波動(dòng)的現(xiàn)象，趁此提出問題：“液面變化的過程中，環(huán)境溫度有變化嗎？”環(huán)境溫度不變而液面高低改變的事實(shí)讓學(xué)生一開始有些錯(cuò)愕，但很快依據(jù)氣壓的知識(shí)找到了原因.既然氣體溫度計(jì)受大氣壓影響很大，那么溫度計(jì)的設(shè)計(jì)就需考慮外界因素的影響，實(shí)現(xiàn)了將“知識(shí)問題”向“技術(shù)問題”的轉(zhuǎn)化.

（2）不同介質(zhì)體現(xiàn)多種技術(shù)設(shè)計(jì)思想.

自制溫度計(jì)不能測(cè)量體溫使學(xué)生明白不同的需求就有不同的技術(shù)設(shè)計(jì).回顧科學(xué)史：從第1支氣體溫度計(jì)（1593年伽利略），第2支以水做介質(zhì)的溫度計(jì)（1632年讓萊伊），第3支以酒精做介質(zhì)的溫度計(jì)（1654年費(fèi)迪南二世），第4支以水銀做介質(zhì)的溫度計(jì)（1714年華倫海特），之后又出現(xiàn)了以煤油做介質(zhì)的溫度計(jì).教師除了讓要學(xué)生在溫度計(jì)更新迭代的歷程中深深感受科技的進(jìn)步，更重要的是要讓學(xué)生知曉溫度計(jì)所裝液體不同背后所體現(xiàn)的技術(shù)設(shè)計(jì)思想，可采用如下教學(xué)進(jìn)程.

教師提問：“以上液體溫度計(jì)中所裝的液體是不同的，不同液體介質(zhì)在設(shè)計(jì)上受哪些因素影響呢？”學(xué)生因已有知識(shí)局限而導(dǎo)致所能想到的合理因素較少，一般會(huì)提到熔沸點(diǎn)，教師可給出一張熔沸點(diǎn)表，設(shè)置一個(gè)情景：我國(guó)黑龍江省漠河市的冬季溫度一直在－40℃，選擇哪種液體好呢？學(xué)生的思維從熔點(diǎn)遷移到凝固點(diǎn)，過低的溫度使水和水銀凝固，得出煤油、酒精比較適合的結(jié)論.

表2

教師繼續(xù)追問：“0～100℃范圍內(nèi)，在水和煤油兩種液體中選擇制作溫度計(jì)，你覺得哪種好？”此問無(wú)需考慮熔沸點(diǎn)而是指向考慮其他因素.學(xué)生勉強(qiáng)提到水有反膨脹現(xiàn)象而不適合在0～8℃指示溫度，教師要適時(shí)鼓勵(lì)，其他因素可以采用錦囊的形式給出一些必要的信息，讓學(xué)生明白技術(shù)設(shè)計(jì)往往跟實(shí)際需要相聯(lián)系.

錦囊1：相同體積的水和煤油，升高相同的溫度，煤油膨脹的體積約為水的5倍.

錦囊2：相同質(zhì)量的水和煤油，升高相同的溫度，水需要吸收的熱量約為煤油的2倍.

學(xué)生小組交流得出結(jié)論：在其他條件相同的情況下制作溫度計(jì)，選擇煤油要比選擇水更精確更靈敏，生活中要根據(jù)需要選擇合適介質(zhì)的溫度計(jì).

2 從“仿”到“創(chuàng)”的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 工程技術(shù)視角下的教學(xué)目標(biāo)

（1）探究玻璃管粗細(xì)對(duì)溫度計(jì)設(shè)計(jì)的影響，并通過觀察液體演示溫度計(jì)，改進(jìn)并仿制真正的水溫度計(jì).

（2）根據(jù)溫度計(jì)設(shè)計(jì)原理，氣體、液體溫度計(jì)構(gòu)造特點(diǎn)和雙金屬片受熱實(shí)驗(yàn)來逐步引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造固體溫度計(jì).

2.2 探究模仿，激發(fā)創(chuàng)造，實(shí)踐反饋的教學(xué)過程

（1）利用液體熱脹冷縮的性質(zhì)仿制液體溫度計(jì).

學(xué)生在醫(yī)務(wù)室接觸過用水銀做的溫度計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室也使用過其他液體介質(zhì)做的溫度計(jì)，所以對(duì)溫度計(jì)的構(gòu)造有一定的了解.學(xué)生先觀察比較液體演示溫度計(jì)與雛形的水溫度計(jì)在結(jié)構(gòu)上的不同，之后通過實(shí)驗(yàn)探究、生生討論及師生交流得出其技術(shù)設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)，并和老師一起仿制水溫度計(jì).一系列教學(xué)流程真正讓“技術(shù)”與產(chǎn)品“并舉”，并大大提升了學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)和鑒賞技術(shù)的能力.

教師提出問題：“對(duì)裝置2的液體溫度計(jì)還有何改進(jìn)的想法？這是演示用的溫度計(jì)，對(duì)比一下還做了哪些改進(jìn)？”教師通過精準(zhǔn)地追問和師生互動(dòng)得出結(jié)論：① 產(chǎn)品細(xì)小方便攜帶；② 上端封口，減少液體蒸發(fā)對(duì)測(cè)溫的影響；③ 上面有刻度，可準(zhǔn)確讀數(shù)比較溫度等等.

關(guān)于玻璃管粗細(xì)對(duì)溫度計(jì)設(shè)計(jì)的影響，實(shí)驗(yàn)探究流程可采用如下教學(xué)進(jìn)程.

一、請(qǐng)你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，畫在任務(wù)單上，并說說實(shí)驗(yàn)的具體步驟.

二、學(xué)生活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)步驟：

Ⅰ.用貼紙分別標(biāo)記兩支玻璃管液面的初始位置.

注：① 統(tǒng)一以貼紙的上端與液面對(duì)齊（如圖3）.

圖3

② 注視液面時(shí)，視線與凹形液面中央最低處相平.

Ⅱ.往相同兩個(gè)杯中倒入相同溫度的熱水至杯子標(biāo)記處.

Ⅲ.各組同時(shí)將兩裝置放入杯中.

Ⅳ.各組等待相同的時(shí)間（約1.5 min，先撕好標(biāo)簽），再用貼紙標(biāo)記液面的位置.

學(xué)生小組交流1：展示（如圖4），匯報(bào)現(xiàn)象：其他條件相同，管越細(xì)液面差越大.

圖4

教師追問：“實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，要求測(cè)溫泡大小相同，管的粗細(xì)不同.現(xiàn)有一個(gè)小組測(cè)溫泡的大小不同（展示圖5），管的粗細(xì)相同，液面差也很大，這說明什么？”師生共同得出結(jié)論：液面差還受測(cè)溫泡大小的影響.學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)玻璃管液面差大小與溫度計(jì)精準(zhǔn)度高低相關(guān)，玻璃管越細(xì)，測(cè)溫泡越大，溫度計(jì)精確度越高.

圖5

簡(jiǎn)易溫度計(jì)怎么改進(jìn)才能定量顯示溫度？回顧可知1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水沸騰溫度為100℃和冰水混合物溫度為0℃.把簡(jiǎn)易溫度計(jì)放在兩種環(huán)境中，采用等分的思想將液面差分成100格，每格為1℃.玻璃管上不易標(biāo)刻度怎么辦？在紙上畫刻度貼玻璃管上.自制溫度計(jì)準(zhǔn)確度怎么樣？自制溫度計(jì)和實(shí)驗(yàn)室多支溫度計(jì)分別測(cè)量室溫并進(jìn)行比較.通過仿制溫度計(jì)這個(gè)過程，學(xué)生們深深體會(huì)到精巧的溫度計(jì)構(gòu)造所包含的諸多技術(shù)設(shè)計(jì)思想.

（2）借用固體熱脹冷縮的性質(zhì)創(chuàng)造固體溫度計(jì).

學(xué)生對(duì)固體溫度計(jì)的認(rèn)識(shí)極其有限，經(jīng)歷了氣體溫度計(jì)和液體溫度計(jì)在技術(shù)上的深度學(xué)習(xí)后，深深知曉溫度計(jì)是根據(jù)物質(zhì)熱脹冷縮的性質(zhì)來制造的.初中生利用固體熱脹冷縮的性質(zhì)設(shè)計(jì)溫度計(jì)是一種創(chuàng)造力體現(xiàn)，同時(shí)將“知識(shí)”轉(zhuǎn)變成“發(fā)明”是一種質(zhì)的飛躍，對(duì)其影響不言而喻.當(dāng)然，對(duì)老師來說，也是一種前所未有的新嘗試.由于學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可采用以下教學(xué)過程.

學(xué)生活動(dòng)：銅的膨脹系數(shù)為17.7×10－6m/℃，鐵的膨脹系數(shù)為9×10－6m/℃.算一算1 m的銅、鐵各升高100℃，分別伸長(zhǎng)多少mm？在微小的改變中，學(xué)生對(duì)毫米的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)比米敏感，體會(huì)到銅和鐵形變很小，分別僅僅伸長(zhǎng)1.77 mm、0.9 mm.

學(xué)生明白用銅或者鐵做溫度計(jì)材料，不能明顯將微小形變放大，此刻老師展示雙金屬片受熱實(shí)驗(yàn).教師準(zhǔn)備的器材包括鐵架臺(tái)、雙金屬片（圖6）、酒精槽、展臺(tái)，將這些器材組合成裝置3后（圖7示意圖），往酒精槽中倒入酒精后引燃來加熱雙金屬條，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象.自制的酒精槽不僅能使整條雙金屬片加熱時(shí)受熱均勻，而且長(zhǎng)條形水平槽口能很好的作為金屬條受熱后形狀變化的參照物.加熱一段時(shí)間后看到雙金屬片明顯彎曲，立即用濕抹布蓋滅酒精槽火焰.教師介紹的這種叫“雙金屬片”的材料比單金屬片受熱后變化明顯，可以用來做溫度計(jì)，學(xué)生為之興奮，但還有很多工程技術(shù)上的困難需要攻克，怎么辦？

圖6

圖7 裝置3

師：雙金屬片彎曲了，形變更明顯一些會(huì)完全繞成圓，如何才能形變更明顯一些？

生1：繼續(xù)提升溫度.

生2：增加雙金屬片長(zhǎng)度.

師：升高溫度，這樣的設(shè)計(jì)適用于測(cè)高溫的環(huán)境，材料再長(zhǎng)一些不便于攜帶.怎樣對(duì)它改造，既方便攜帶，又能使形變明顯一些呢？

生：把雙金屬片纏繞起來.

師：纏繞后方便攜帶，相同條件下怎樣纏繞會(huì)小一些？

小組實(shí)驗(yàn)，教師提供雙金屬片條，學(xué)生實(shí)際操作討論交流.

生：不借助其他器材使纏繞比較困難，同時(shí)纏繞后體積比較大，把它纏繞到筆桿上會(huì)小一些.

師：也就是要借助工具，最好纏繞到直徑比較小的物體上，試試用鑷子，并將做好的產(chǎn)品放到酒精燈上加熱，嘗試記錄現(xiàn)象.

教師指導(dǎo)學(xué)生纏繞雙金屬片，展示學(xué)生中較好的作品（圖8），學(xué)生在加熱（圖9）的過程中，發(fā)現(xiàn)纏繞后不僅體積大大減小，而且彎曲更加明顯.

圖8

圖9

教師追問：“如何在此基礎(chǔ)上讓雙金屬片彎曲現(xiàn)象更明顯一些并定量地表示出來呢？”學(xué)生沒有學(xué)習(xí)過杠桿知識(shí)，但在“聲音傳播”這節(jié)課中學(xué)習(xí)過利用懸掛的乒乓球放大音叉的振動(dòng)效果，在日常生活中通過鐘表指針繞轉(zhuǎn)感受時(shí)間的流逝，各種定量的測(cè)量工具都有刻度，這些科學(xué)知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)為創(chuàng)造固體溫度計(jì)打下了扎實(shí)的基礎(chǔ).

加上指針大大放大了彎曲現(xiàn)象（圖10教師用直噴火打火機(jī)加熱演示、圖11學(xué)生實(shí)驗(yàn)），再加一個(gè)刻度表，就是固體溫度計(jì)的雛形.教師展示生活中最常見的固體溫度計(jì)（圖12），拆解內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖13）與自創(chuàng)溫度計(jì)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是內(nèi)部結(jié)構(gòu)還是外部構(gòu)造都極其相似，這極大地鼓舞了學(xué)生的創(chuàng)造熱情.

圖10

圖11

圖12

圖13

3 教學(xué)反思

這是筆者在寧波大學(xué)STEM高級(jí)研修班教師培訓(xùn)活動(dòng)中的展示課，靜心沉思，為讓學(xué)生掌握知識(shí)發(fā)展能力，結(jié)合學(xué)生實(shí)際水平，作如下安排.

3.1 創(chuàng)設(shè)情景，滲透技術(shù)

縮影①：環(huán)境溫度不變的情況下，向裝置1的橡皮管中鼓氣和吸氣引起液面高低變化，說明溫度計(jì)的設(shè)計(jì)需考慮外界因素的影響.

縮影②：圖4、圖5發(fā)現(xiàn)玻璃管越細(xì)，測(cè)溫泡越大，液面差越大，而液面差越大直接反映溫度計(jì)精確度越高.

縮影③：比較水、煤油、酒精的物理性質(zhì)，體現(xiàn)不同的技術(shù)設(shè)計(jì)理念.

縮影④：改進(jìn)雛形水溫度計(jì)來定量表示溫度，解決玻璃管上標(biāo)識(shí)刻度難題.

縮影⑤：固體溫度計(jì)中通過用雙金屬片、材料纏繞、加指針這3項(xiàng)措施增強(qiáng)固體微小形變，再加上刻度表完成固體溫度計(jì)定性到定量的設(shè)計(jì).

通過這些情景，讓學(xué)生撥開“云霧”見“明月”，認(rèn)識(shí)溫度計(jì)背后所包含的工程技術(shù).

3.2 實(shí)驗(yàn)探究，模仿研制

學(xué)生的學(xué)習(xí)過程應(yīng)是主動(dòng)探究，不斷發(fā)現(xiàn)，不斷創(chuàng)新的過程.與實(shí)驗(yàn)室的演示溫度計(jì)對(duì)比，提出粗細(xì)對(duì)溫度計(jì)設(shè)計(jì)有影響這一猜想并積極探究.從畫實(shí)驗(yàn)裝置到生生展示互動(dòng)交流，提出合理實(shí)驗(yàn)步驟并付諸實(shí)踐，最終從實(shí)驗(yàn)證據(jù)獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論.觀察對(duì)比演示溫度計(jì)與雛形水溫度計(jì)，學(xué)生在已有的雛形上不斷改進(jìn)技術(shù)，嘗試制作真正意義的水溫度計(jì)，體驗(yàn)“知識(shí)”向“產(chǎn)品”過渡的華麗轉(zhuǎn)變，讓學(xué)生真正提升技術(shù)能力.

3.3 問題引導(dǎo)，啟發(fā)創(chuàng)新

要突破初中生踐行創(chuàng)造發(fā)明這一難點(diǎn)，深入啟迪學(xué)生思維，體現(xiàn)教師引領(lǐng)作用，可設(shè)置如下階梯式問題：① 銅的膨脹系數(shù)為17.7×10－6m/℃，鐵的膨脹系數(shù)為9×10－6m/℃.1 m的銅、鐵各升高100℃，分別伸長(zhǎng)多少mm？② 用這些材料做溫度計(jì)，現(xiàn)象不夠明顯，如何將微小形變放大？③ 實(shí)驗(yàn)中雙金屬材料彎曲了，形變更明顯一些會(huì)怎樣？如何才能形變更明顯一些？④ 升溫的設(shè)計(jì)適于測(cè)高溫，材料加長(zhǎng)不便攜帶.怎樣改造此材料，既方便攜帶又形變明顯呢？⑤ 纏繞后方便攜帶了，怎樣纏繞會(huì)小一些？⑥ 在此基礎(chǔ)上怎樣讓雙金屬片彎曲現(xiàn)象更明顯一些并定量地表示出來呢？四人小組圍繞這些問題開展面對(duì)面談話，組與組交流，生與師討論.學(xué)生在互動(dòng)與合作中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，激發(fā)創(chuàng)新能力.

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)下，許多科技發(fā)達(dá)的國(guó)家通過其自主技術(shù)創(chuàng)新，形成一些新興的產(chǎn)業(yè)來推動(dòng)生產(chǎn).所以，“技術(shù)設(shè)計(jì)”教學(xué)要激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)，但技術(shù)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)不是一蹴而就的，它需要我們?cè)谡n堂上有意識(shí)地滲透，更需要有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).在校教科室的帶領(lǐng)下，所在學(xué)校的科學(xué)組以“技術(shù)設(shè)計(jì)視角下的課堂教學(xué)”為主題開出了一系列的研討課，隨著研討的深入，我們?cè)絹碓接X得技術(shù)設(shè)計(jì)能力與科學(xué)探究能力是同等重要的能力.