“觀察金屬熱傳導(dǎo)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教具改進(jìn)
2022-04-27 02:13:14王朝君范曉蕓浦明越張旭梅通訊作者四川樂(lè)山師范學(xué)院
小學(xué)科學(xué) 2022年5期
關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)
◇王朝君 范曉蕓 葉 超 浦明越 張旭梅（通訊作者）（四川：樂(lè)山師范學(xué)院）
教學(xué)實(shí)踐證明，實(shí)驗(yàn)教具的好壞直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的成功與失敗、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。小學(xué)科學(xué)教師可以結(jié)合教學(xué)需要，針對(duì)現(xiàn)有教具的不足，從實(shí)驗(yàn)教具方面進(jìn)行積極探索改進(jìn)，從而提升科學(xué)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，幫助學(xué)生更加有效地掌握基礎(chǔ)知識(shí)、基本方法和技能，發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)。本文以“傳熱比賽”實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，基于實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的原則，對(duì)教材中現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教具的不足進(jìn)行分析，運(yùn)用溫度傳感器示數(shù)可視化，直觀反映金屬熱傳導(dǎo)速率的特征，創(chuàng)新地改進(jìn)“觀察金屬熱傳導(dǎo)”的教具，以期為小學(xué)科學(xué)教師的教學(xué)和相關(guān)學(xué)者的研究提供一些借鑒。
2017年國(guó)家頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱《課標(biāo)》），規(guī)定了小學(xué)科學(xué)的主要宗旨和目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，而開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的主要途徑。科學(xué)概念及規(guī)律的形成離不開(kāi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，它不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，而且能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手操作能力、探究能力以及創(chuàng)新能力。開(kāi)展科學(xué)探究需要完備的探究器材，即教具。在本文中，筆者將在理解《課標(biāo)》的基礎(chǔ)上，以“觀察金屬熱傳導(dǎo)”實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教具的不足進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。
一、教學(xué)現(xiàn)狀分析
（一）教材教具分析
“觀察金屬熱傳導(dǎo)”實(shí)驗(yàn)選自教科版科學(xué)五年級(jí)下冊(cè)二單元“熱”中的第七課《傳熱比賽》。教材中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是將火柴梗的一端用蠟或凡士林，按一定的間距依次粘在一根條形金屬絲上，在金屬絲的一端用酒精燈加熱。觀察現(xiàn)象：火柴從接近火焰的一端向遠(yuǎn)處依次跌落，從而得出“熱可以沿著某些物體從溫度較高的部分向溫度較低的部分傳遞”的結(jié)論；比較不同金屬條上相同位置的火柴跌落順序，從而判斷不同金屬熱傳導(dǎo)速度的快慢。
此實(shí)驗(yàn)教具利用觀察火柴掉落得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，但該實(shí)驗(yàn)仍存在一些不足之處。
無(wú)關(guān)變量方面：讓學(xué)生使用蠟或凡士林粘連火柴這一步驟，使用蠟或凡士林用量的公平性這個(gè)無(wú)關(guān)變量的影響難以控制，因而會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。
實(shí)驗(yàn)安全方面：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生需要使用酒精燈供熱，以加熱金屬絲的另一端，使用明火易對(duì)學(xué)生的安全造成威脅；而蠟熔化以后，掉到桌上，會(huì)污染課桌，掉到手上，也會(huì)造成安全隱患。
實(shí)驗(yàn)效率方面：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用酒精燈加熱，其加熱速度慢，會(huì)降低實(shí)驗(yàn)效率；而觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象只有幾個(gè)點(diǎn)的變化，并不能完整地看清楚“幾個(gè)點(diǎn)之外”的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)只停留在定性研究上，無(wú)法轉(zhuǎn)為定量研究，降低了實(shí)驗(yàn)效率。
（二）研究現(xiàn)狀分析
針對(duì)此教具的不足，筆者查閱文獻(xiàn)及相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)已出現(xiàn)了一些經(jīng)過(guò)改良后的教具。
1.材料方面的改進(jìn)
中國(guó)專利公開(kāi)的金屬熱傳導(dǎo)演示教具（授權(quán)公告號(hào)CN201229687Y），創(chuàng)新運(yùn)用了發(fā)光二極管、低電壓加熱器、蟬鳴器、音樂(lè)盒四種材料。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)音樂(lè)的不同、二極管發(fā)光的先后順序或是蜂鳴器叫聲的先后，判斷不同金屬材料熱傳導(dǎo)的快慢；采用低電壓加熱器代替酒精燈供熱，使金屬導(dǎo)電棒迅速導(dǎo)熱，安全可靠。該教具的優(yōu)勢(shì)在于，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)效率有所提高；不足在于，教具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本高，會(huì)對(duì)學(xué)校造成較大的經(jīng)濟(jì)壓力。
中國(guó)專利公開(kāi)的一種金屬熱傳導(dǎo)教具（授權(quán)公告號(hào)CN202473033U），創(chuàng)新應(yīng)用了溫變油墨，金屬棒或者金屬片的外表面涂覆有溫變油墨，用發(fā)熱源對(duì)其進(jìn)行加熱，溫變油墨即會(huì)變色，從而體現(xiàn)金屬的熱傳導(dǎo)。該教具的優(yōu)勢(shì)在于，教具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本較低，方便移動(dòng)；不足在于，無(wú)法避免使用酒精燈所帶來(lái)的安全隱患及加熱速度慢的問(wèn)題，且無(wú)法將實(shí)驗(yàn)從定性研究轉(zhuǎn)變?yōu)槎垦芯俊?/p>
中國(guó)專利公開(kāi)的一種用于觀察熱傳導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教具（授權(quán)公告號(hào)CN203026018U），創(chuàng)新應(yīng)用了熱敏材料與導(dǎo)熱絲。將導(dǎo)熱絲固定于加熱裝置正上方，當(dāng)導(dǎo)熱絲受熱溫度出現(xiàn)變化后，熱敏材料可通過(guò)感應(yīng)溫度變化來(lái)反映導(dǎo)熱絲的溫度變化，進(jìn)而判斷不同金屬材料的熱傳導(dǎo)性能。該教具優(yōu)勢(shì)在于，安裝簡(jiǎn)便且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯；不足在于，無(wú)法避免使用酒精燈所帶來(lái)的安全隱患及加熱速度慢的問(wèn)題，也無(wú)法將實(shí)驗(yàn)從定性研究轉(zhuǎn)變?yōu)槎垦芯俊?/p>
2.原理方面的改進(jìn)
中國(guó)專利公開(kāi)的一種用于觀察熱傳導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教具（授權(quán)公告號(hào)CN206649793U），該教具的金屬棒表面包裹有蠟，當(dāng)金屬棒的一端被加熱時(shí)，學(xué)生可觀察到金屬條上的蠟沿著加熱點(diǎn)逐漸融化，從而得出“熱是從溫度較高的部分向溫度較低的部分傳遞的”結(jié)論。金屬條下方設(shè)置有滾筒，蠟融化后會(huì)滴落到滾筒上的記錄紙上。在蠟沿著一個(gè)方向逐漸滴落時(shí)，滾筒勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而記錄紙上出現(xiàn)蠟滴形成的斜線，該斜線的斜率便是熱傳導(dǎo)速率。該教具優(yōu)勢(shì)在于，不僅能使學(xué)生定性地觀察到熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，還能定量地記錄下熱傳導(dǎo)的速率；不足在于，小學(xué)生尚未掌握計(jì)算斜線斜率的數(shù)學(xué)知識(shí)，反而增加了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性。
綜上所述，可知“觀察金屬熱傳導(dǎo)”實(shí)驗(yàn)教具在現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中仍存在不足：譬如，對(duì)無(wú)關(guān)變量的控制、對(duì)實(shí)驗(yàn)安全的把控、對(duì)實(shí)驗(yàn)效率的控制等，而當(dāng)下筆者研究的主要改進(jìn)方面為嚴(yán)控實(shí)驗(yàn)安全，以及將抽象的實(shí)驗(yàn)“變熱”現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為觀察具體事物的變化。同時(shí)會(huì)兼顧小學(xué)時(shí)期的探究實(shí)驗(yàn)，應(yīng)在考慮教學(xué)條件和學(xué)生現(xiàn)階段接受能力的情況下，加以開(kāi)展，以提高學(xué)生觀察能力和實(shí)踐探究能力，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生的思維能力。因此，對(duì)教具的創(chuàng)新在材料和操作步驟上應(yīng)是越簡(jiǎn)單越好。
二、實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)
基于以上分析和教材原有實(shí)驗(yàn)教具的不足，筆者將實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了如下改進(jìn)。
（一）改進(jìn)思路
筆者設(shè)計(jì)的教具包括實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、加熱裝置、固定裝置、金屬棒、感溫紙、溫度傳感器。通過(guò)運(yùn)用提熱速度快的PTC 低電壓加熱片代替原來(lái)的明火加熱源，既可提高實(shí)驗(yàn)效率，也可減少安全隱患；通過(guò)在固定裝置上夾裝金屬棒，并在金屬棒的外表面包裹一層自制的感溫變色紙，在金屬棒未加熱的一端連接溫度傳感器，使得熱傳導(dǎo)可以通過(guò)顏色變化和數(shù)值變化來(lái)體現(xiàn)，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為直觀，并且降低了實(shí)驗(yàn)制作成本；通過(guò)溫度傳感器的示數(shù)變化反映金屬熱傳導(dǎo)的速率，記錄相同時(shí)間內(nèi)溫度的變化，進(jìn)而計(jì)算出不同金屬的熱傳導(dǎo)速率，以達(dá)到將實(shí)驗(yàn)從定性研究轉(zhuǎn)變?yōu)槎垦芯康哪康摹?/p>
（二）實(shí)驗(yàn)裝置介紹及使用方法
筆者主要采用更換材料的方法完成整個(gè)裝置的改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)教具結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)教具結(jié)構(gòu)圖
圖中零部件、部位及編號(hào)：溫度傳感器1.金屬棒（包裹一層感溫變色紙）；2.金屬棒固定件；3.PTC 低電壓加熱片；4.固定裝置；5.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；6.電源適配器帶開(kāi)關(guān)7。
改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)教具實(shí)物圖如圖2所示：
圖2 實(shí)驗(yàn)教具實(shí)物圖
實(shí)驗(yàn)教具中所述固定裝置安放于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，溫度傳感器安置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)后側(cè)長(zhǎng)方形擋板上，與金屬棒的未加熱一端連接，所述加熱裝置固定于固定裝置中。
作為優(yōu)選，其感溫變色紙是感溫變色粉末與甲膠油混合涂在紙上制作而成。市面上的感溫變色紙價(jià)格普遍較高，這樣可降低制作成本。
所述固定裝置上固定有金屬棒固定件，金屬棒固定件上開(kāi)有三個(gè)可以插入金屬棒的固定孔。金屬固定件下方固定加熱裝置，加熱源加熱后，多根金屬棒上的包裹的感溫變色紙可以一起變色。
所述加熱裝置選用加熱速率快的PTC 低電壓加熱片和電源適配器。將加熱片與合適功率的帶開(kāi)關(guān)的電源適配器連接，接上電源，打開(kāi)開(kāi)關(guān)后加熱裝置開(kāi)始工作，為金屬棒一端加熱。
溫度傳感器選用的是可顯示數(shù)值的傳感器，在加熱時(shí)，可直觀看到溫度的變化，比較不同材料的熱傳導(dǎo)速率。
利用圖2 的裝置，可達(dá)到“觀察金屬熱傳導(dǎo)”的目的。具體操作步驟（可掃文末二維碼觀看演示視頻）如下。
——讀出溫度傳感器上的初始示數(shù)記錄于記錄單中（如表1）。
——打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，通過(guò)PTC 低電壓加熱片給金屬棒的一端加熱，一段時(shí)間后，金屬棒上的感溫變色紙從加熱端向未加熱端開(kāi)始變色，同時(shí)連接在金屬棒未加熱端的溫度傳感器的示數(shù)不斷上升。
——等待6分鐘，關(guān)閉電源。
——讀出溫度傳感器上的示數(shù)并記錄在記錄單中（如表1）。
表1 相同時(shí)間不同金屬材料的溫度傳感器示數(shù)
——計(jì)算傳遞速率、分析和比較數(shù)據(jù)的大小，比較不同材料金屬的熱傳導(dǎo)性能。
——實(shí)驗(yàn)完畢后收好器材，以待下次使用。
利用圖2 的裝置完成實(shí)驗(yàn)，可得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：
熱可以沿某些物體從溫度較高的部分傳向溫度較低的部分。
銅、鐵、鋁三種材料的熱傳導(dǎo)性能各不相同，銅的熱傳導(dǎo)性能最好，其次是鋁，最后是鐵。
（三）注意事項(xiàng)
——應(yīng)注意溫度傳感器與金屬棒的連接是否有效，連接的位置是否相同。
——在打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)前要讀出初始溫度。
——再次使用時(shí)要確保前次實(shí)驗(yàn)的余溫已降下。
三、實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)
（一）提高實(shí)驗(yàn)效率
筆者采取更換加熱源的方式，利用PTC 低電壓加熱片代替原有的酒精燈，PTC 低電壓加熱片具有提熱速度快的特點(diǎn)，可在很大程度上減少加熱時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率。
（二）消除安全隱患
筆者用感溫變色紙反應(yīng)金屬熱傳導(dǎo)方向，以及運(yùn)用PTC 低電壓加熱板代替明火加熱源，消除蠟與明火所帶來(lái)的安全隱患。
（三）減少制作成本
筆者采用的感溫變色紙是感溫變色粉末與甲膠油混合涂在紙上制作而成，其成本遠(yuǎn)低于直接購(gòu)買市面上的感溫變色紙，可降低制作成本。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，相比于一些復(fù)雜的教具已在很大程度上減少了開(kāi)支。
（四）將定性研究轉(zhuǎn)變?yōu)槎垦芯?/h3>
筆者采用溫度傳感器的示數(shù)變化反映金屬熱傳導(dǎo)的速率，記錄相同時(shí)間內(nèi)溫度的變化，進(jìn)而計(jì)算出不同金屬的熱傳導(dǎo)速率，以達(dá)到將實(shí)驗(yàn)從定性研究轉(zhuǎn)變?yōu)槎垦芯康哪康摹?/p>
對(duì)于小學(xué)科學(xué)這門課來(lái)講，在科學(xué)探究的過(guò)程中，教具是必不可少的一種工具。而教具創(chuàng)新的每個(gè)步驟都需要教師的全身心參與，包括選材、加工、制作、實(shí)驗(yàn)等，制作教具的過(guò)程就是教師應(yīng)用科技知識(shí)與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)造性活動(dòng)的過(guò)程。由此可見(jiàn)，教師不僅能將改進(jìn)教具作為優(yōu)化科學(xué)課堂的途徑之一，更能將其作為教學(xué)科研成果的形式之一。
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