“觀察金屬熱傳導”實驗教學的教具改進

王朝君 范曉蕓 葉超 浦明越 張旭梅

教學實踐證明，實驗教具的好壞直接關系到實驗活動的成功與失敗、實驗教學的質量。小學科學教師可以結合教學需要，針對現有教具的不足，從實驗教具方面進行積極探索改進，從而提升科學課堂實驗教學的效率，幫助學生更加有效地掌握基礎知識、基本方法和技能，發展科學素養。本文以“傳熱比賽”實驗為研究對象，基于實驗改進的原則，對教材中現有實驗教具的不足進行分析，運用溫度傳感器示數可視化，直觀反映金屬熱傳導速率的特征，創新地改進“觀察金屬熱傳導”的教具，以期為小學科學教師的教學和相關學者的研究提供一些借鑒。

2017年國家頒布的《義務教育小學科學課程標準》（以下簡稱《課標》），規定了小學科學的主要宗旨和目標是培養學生的科學素養，而開展實驗探究活動是學生學習科學的主要途徑。科學概念及規律的形成離不開科學實驗，它不僅能激發學生學習科學的興趣，而且能夠有效培養學生的觀察能力、動手操作能力、探究能力以及創新能力。開展科學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》的基礎上，以“觀察金屬熱傳導”實驗為例，對現有實驗教具的不足進行分析，并對其進行改進創新。

一、教學現狀分析

（一）教材教具分析

“觀察金屬熱傳導”實驗選自教科版科學五年級下冊二單元“熱”中的第七課《傳熱比賽》。教材中設計的實驗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。觀察現象：火柴從接近火焰的一端向遠處依次跌落，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速度的快慢。

此實驗教具利用觀察火柴掉落得到實驗結論，可使實驗現象更加明顯，但該實驗仍存在一些不足之處。

無關變量方面：讓學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無關變量的影響難以控制，因而會對實驗結果的準確性造成影響。

實驗安全方面：在實驗過程中，學生需要使用酒精燈供熱，以加熱金屬絲的另一端，使用明火易對學生的安全造成威脅;而蠟熔化以后，掉到桌上，會污染課桌，掉到手上，也會造成安全隱患。

實驗效率方面：實驗過程中使用酒精燈加熱，其加熱速度慢，會降低實驗效率;而觀察到的實驗現象只有幾個點的變化，并不能完整地看清楚“幾個點之外”的過程，實驗只停留在定性研究上，無法轉為定量研究，降低了實驗效率。

（二）研究現狀分析

針對此教具的不足，筆者查閱文獻及相關資料發現，現已出現了一些經過改良后的教具。

1.材料方面的改進

中國專利公開的金屬熱傳導演示教具（授權公告號CN201229687Y），創新運用了發光二極管、低電壓加熱器、蟬鳴器、音樂盒四種材料。學生在實驗時可根據音樂的不同、二極管發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的快慢;采用低電壓加熱器代替酒精燈供熱，使金屬導電棒迅速導熱，安全可靠。該教具的優勢在于，實驗現象明顯，實驗效率有所提高;不足在于，教具結構復雜，制作成本高，會對學校造成較大的經濟壓力。

中國專利公開的一種金屬熱傳導教具（授權公告號CN202473033U），創新應用了溫變油墨，金屬棒或者金屬片的外表面涂覆有溫變油墨，用發熱源對其進行加熱，溫變油墨即會變色，從而體現金屬的熱傳導。該教具的優勢在于，教具結構簡單，制作成本較低，方便移動;不足在于，無法避免使用酒精燈所帶來的安全隱患及加熱速度慢的問題，且無法將實驗從定性研究轉變為定量研究。

中國專利公開的一種用于觀察熱傳導的實驗教具（授權公告號CN203026018U），創新應用了熱敏材料與導熱絲。將導熱絲固定于加熱裝置正上方，當導熱絲受熱溫度出現變化后，熱敏材料可通過感應溫度變化來反映導熱絲的溫度變化，進而判斷不同金屬材料的熱傳導性能。該教具優勢在于，安裝簡便且實驗現象明顯;不足在于，無法避免使用酒精燈所帶來的安全隱患及加熱速度慢的問題，也無法將實驗從定性研究轉變為定量研究。

2.原理方面的改進

中國專利公開的一種用于觀察熱傳導的實驗教具（授權公告號CN206649793U），該教具的金屬棒表面包裹有蠟，當金屬棒的一端被加熱時，學生可觀察到金屬條上的蠟沿著加熱點逐漸融化，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”結論。金屬條下方設置有滾筒，蠟融化后會滴落到滾筒上的記錄紙上。在蠟沿著一個方向逐漸滴落時，滾筒勻速轉動，從而記錄紙上出現蠟滴形成的斜線，該斜線的斜率便是熱傳導速率。該教具優勢在于，不僅能使學生定性地觀察到熱傳導現象，還能定量地記錄下熱傳導的速率;不足在于，小學生尚未掌握計算斜線斜率的數學知識，反而增加了實驗的復雜性。

綜上所述，可知“觀察金屬熱傳導”實驗教具在現階段實驗教學應用中仍存在不足：譬如，對無關變量的控制、對實驗安全的把控、對實驗效率的控制等，而當下筆者研究的主要改進方面為嚴控實驗安全，以及將抽象的實驗“變熱”現象轉化為觀察具體事物的變化。同時會兼顧小學時期的探究實驗，應在考慮教學條件和學生現階段接受能力的情況下，加以開展，以提高學生觀察能力和實踐探究能力，進一步啟發學生的思維能力。因此，對教具的創新在材料和操作步驟上應是越簡單越好。

二、實驗裝置改進

基于以上分析和教材原有實驗教具的不足，筆者將實驗裝置進行了如下改進。

（一）改進思路

筆者設計的教具包括實驗平臺、加熱裝置、固定裝置、金屬棒、感溫紙、溫度傳感器。通過運用提熱速度快的PTC低電壓加熱片代替原來的明火加熱源，既可提高實驗效率，也可減少安全隱患;通過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，使得熱傳導可以通過顏色變化和數值變化來體現，使得實驗結果較為直觀，并且降低了實驗制作成本;通過溫度傳感器的示數變化反映金屬熱傳導的速率，記錄相同時間內溫度的變化，進而計算出不同金屬的熱傳導速率，以達到將實驗從定性研究轉變為定量研究的目的。

（二）實驗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裝置的改進。改進后的實驗教具結構如圖1所示。

圖中零部件、部位及編號：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.實驗平臺;6.電源適配器帶開關7。

改進后的實驗教具實物圖如圖2所示：

實驗教具中所述固定裝置安放于實驗平臺上，溫度傳感器安置于實驗臺后側長方形擋板上，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，金屬棒固定件上開有三個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關的電源適配器連接，接上電源，打開開關后加熱裝置開始工作，為金屬棒一端加熱。

溫度傳感器選用的是可顯示數值的傳感器，在加熱時，可直觀看到溫度的變化，比較不同材料的熱傳導速率。

利用圖2的裝置，可達到“觀察金屬熱傳導”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記錄于記錄單中（如表1）。

——打開電源開關，通過PTC低電壓加熱片給金屬棒的一端加熱，一段時間后，金屬棒上的感溫變色紙從加熱端向未加熱端開始變色，同時連接在金屬棒未加熱端的溫度傳感器的示數不斷上升。

——等待6分鐘，關閉電源。

——讀出溫度傳感器上的示數并記錄在記錄單中（如表1）。

——計算傳遞速率、分析和比較數據的大小，比較不同材料金屬的熱傳導性能。

——實驗完畢后收好器材，以待下次使用。

利用圖2的裝置完成實驗，可得到的實驗結論如下：

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性能各不相同，銅的熱傳導性能最好，其次是鋁，最后是鐵。

（三）注意事項

——應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。

——在打開電源開關前要讀出初始溫度。

——再次使用時要確保前次實驗的余溫已降下。

三、實驗裝置的創新點及優點

（一）提高實驗效率

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，可在很大程度上減少加熱時間，提高實驗效率。

（二）消除安全隱患

筆者用感溫變色紙反應金屬熱傳導方向，以及運用PTC低電壓加熱板代替明火加熱源，消除蠟與明火所帶來的安全隱患。

（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，其成本遠低于直接購買市面上的感溫變色紙，可降低制作成本。整個實驗裝置的結構較為簡單，相比于一些復雜的教具已在很大程度上減少了開支。

（四）將定性研究轉變為定量研究

筆者采用溫度傳感器的示數變化反映金屬熱傳導的速率，記錄相同時間內溫度的變化，進而計算出不同金屬的熱傳導速率，以達到將實驗從定性研究轉變為定量研究的目的。

對于小學科學這門課來講，在科學探究的過程中，教具是必不可少的一種工具。而教具創新的每個步驟都需要教師的全身心參與，包括選材、加工、制作、實驗等，制作教具的過程就是教師應用科技知識與教學經驗進行創造性活動的過程。由此可見，教師不僅能將改進教具作為優化科學課堂的途徑之一，更能將其作為教學科研成果的形式之一。

【本文的課題支持：2021年四川省大學生創新創業課題“遠山的呼喚：涼山州鄉村振興科學教育扶貧實踐”，課題號S202110649143;2020年大學生創新創業課題“小學科學STEM課程的設計開發”，課題號2020XJ135;2020年樂山市科技局科技項目“基于體驗學習的城市公園研學游的研究——以嘉州綠心公園為例”，課題號20RKX0015。】