創新實驗活動 發展科學思維

【摘" "要】在小學科學教學中，通過創新科學實驗，可以讓實驗現象更加可視，從而幫助學生實現科學思維的進階，發展科學核心素養。在教科版《科學》五年級下冊《熱在水中的傳遞》一課的教學中，若采用傳統的實驗方式，會由于實驗現象變化過快而無法長時間反復地進行觀察。為此，可對實驗材料進行改進，并基于此優化實驗流程，讓學生精準施策、仔細觀察，順利從水流動的軌跡上推斷出熱在水中的傳遞方式，從而發展學生的科學思維，達成育人目標。

【關鍵詞】科學實驗；實驗創新；熱對流

實驗教學作為小學科學教學的重要組成部分，是學生建構科學概念、發展核心素養的重要載體，直接影響學生對科學的認知以及對學生科學核心素養的培養。在小學科學課堂教學中，通過科學實驗的創新，可以讓實驗現象更加可視，從而推動學生的思維向更深處發展，實現科學思維的進階。教科版《科學》五年級下冊《熱在水中的傳遞》一課主要讓學生通過實驗操作觀察實驗現象，從而推斷出熱在水中的傳遞方式。試以這一課為例，探討如何通過實驗創新發展學生的科學思維，培育科學核心素養。

一、結合教學現狀，明確實驗目標

熱傳遞主要有熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式。在前一課《熱在金屬中的傳遞》中，學生已經學習了熱傳導概念。在此基礎上，學生需要通過《熱在水中的傳遞》一課的學習，進一步建立熱對流概念，并明晰無論哪種傳熱方式，熱量都是從溫度高的地方傳向溫度低的地方。只是熱傳導主要發生在固體中，只要物體內部或物體之間存在溫度差即可，而熱對流只能發生在流體（液體和氣體）中，其產生的前提是流體各部分之間由于冷熱不均而在宏觀上發生了相對位移。

《熱在水中的傳遞》一課的核心問題是“熱在水中是如何傳遞的”。圍繞這一問題，教材設置了兩個實驗探究活動。實驗①是加熱試管中的水，水中加入了感溫粉末，據此觀察水的流動及顏色變化。實驗②是加熱燒杯中的水，水中加入了紅墨水，據此觀察水的流動及顏色變化。但通過教學實踐可以發現，這兩個實驗存在兩個較為突出的問題。

其一，感溫粉末顏色變化快，學生難以建構成像。實驗①中，在用酒精燈給試管加熱時，融入感溫粉末的水會因為受熱變換顏色。隨著熱量在水中的傳遞，試管中水的顏色也處于動態變化之中，直到整個試管中的水都變了顏色。這一過程持續的時間不足10秒。由于變化太快，學生來不及仔細思考和觀察，未能在腦海中對水的運動軌跡形成準確的形象記憶，因而在用箭頭表示熱傳遞的方向時，出現試管內外側箭頭畫反的情況，當然也就無法準確描述出熱量在試管中是如何傳遞的，甚至在小組之間還存在記憶描述的沖突。

其二，現象不可逆，無法形成閉環。實驗①中，變了顏色的感溫粉末短時間內不可再用。實驗②中，紅墨水本身就易于在水中擴散，即使實驗操作準確，加熱后，整杯水也很快就會變成紅色溶液，學生觀察時很難做到面面俱到。再者，不同學生思考和觀察的方式也存在差異，一旦思維發生碰撞，短時間內無法通過重復實驗或者反復觀察來解惑，從而導致科學概念的建構無法形成閉環。

針對上述問題，教師可從提高實驗現象的可視度入手改進實驗，讓實驗現象更加明顯，使學生能通過探究實踐自主感知熱對流，進而建構科學概念，實現深度學習。

二、改進實驗材料，設計實驗活動

實驗材料是學生開展探究實踐活動的基礎，是保障科學實踐活動有效性的根本。針對教材中兩個實驗探究活動存在的問題，教師在設計本課的實驗活動時，選擇保留實驗①，用以引發學生的認知沖突，讓學生明白優化實驗材料的重要性。同時，在充分利用已有實驗器材的基礎上，對實驗②的材料作了一定的改進，從而幫助學生扎實地落實實驗操作的流程和方法，在實踐探究中解決科學問題，獲得知識，提高探究能力。具體而言，教師主要從以下兩個方面對實驗②的材料進行改進。

（一）讓觀察時間可持續，顏色變化可循環

為了讓實驗現象更加可視，教師將原實驗中的色素材料改為PA12黃色尼龍小顆粒。PA12黃色尼龍小顆粒不溶于水，且密度為1.02 g/cm3，與水接近。實驗前，教師先往水中加入一些稀釋過的洗手液，破壞水的張力，使PA12黃色尼龍小顆粒可以在水中懸浮，并均勻分布。這樣操作之后，透明的水就變得可視，水加熱之后的對流現象也非常明顯。學生得以長時間地反復觀察，且能在與同伴探討規律出現思維碰撞時，及時地再次進行觀察、討論，直至在腦海中建構成像。這很好地解決了感溫粉末顏色變化快以及紅墨水容易在水中擴散的不足。

教學時，教師可以把學生分成兩組。一組學生在燒杯底部的中間加熱，他們能直觀地看到加熱點處的尼龍顆粒受熱之后馬上向上方運動，上方的尼龍顆粒則向兩側的下方運動，循環往復，形成兩個大的循環圈。另一組學生在燒杯底部的一側加熱，他們能看到尼龍顆粒受熱之后向上方運動，同時上方的尼龍顆粒也向下方運動，由此形成一個大的循環圈。通過直觀的現象，學生很容易用畫箭頭的方式畫出尼龍顆粒受熱后的運動軌跡。兩組學生也可通過互相觀察和研討，發現雖然加熱點不同，但尼龍顆粒的運動軌跡是相似的，即加熱時，底部熱水上升，上方冷水下降，冷熱水相對流動，循環往復，完成了熱量的傳遞。

（二）讓酒精燈外焰不受空氣流動影響，加熱點更加精準

在用酒精燈加熱燒杯中的水時，若加熱點不準確，會直接影響實驗的呈現效果。為此，教師先在燒杯底部中間的位置畫一個圈，讓學生對準此位置擺放酒精燈，幫助他們準確定位加熱點。再設計一個透明的圍欄，將其放到酒精燈的周圍，避免因學生說話或者走動引起空氣流動，進而導致酒精燈火焰出現閃動，加熱點位置發生偏移。如此操作，能夠使實驗現象更加明顯，從而激發學生的求知欲，為解決核心問題提供更有利、更直接的證據。

改進后的實驗材料更易于操作，使實驗現象更加明顯、實驗記錄更加簡單，時刻提醒學生實驗操作的科學性和嚴謹性。總的來說，PA12黃色尼龍小顆粒給學生帶來視覺的沖擊，讓學生可以長時間反復觀察實驗現象，為學生的科學推斷提供了強有力的證據。圍欄則使實驗操作更加精準，助力實驗現象的成功展現，進而提升學生的科學素養。

三、優化實驗流程，開展教學實踐

教學中，教師應為學生指明解決問題的方向，幫助學生找到解決問題合適的方法，并優化實驗流程，通過一系列實驗探究活動，激發學生的好奇心、想象力和探求欲，讓他們在參與實驗探究的過程中獲得科學知識、掌握科學方法、解決科學問題，從而在知識上形成閉環，培養科學素養。具體而言，可按如下流程展開教學。

課始，教師給學生播放了一個有趣的科學小視頻：給一個養了小金魚的燒瓶的瓶口加熱。并提問：“你猜猜燒瓶底部的小金魚會如何？”以此引入教學，調動學生主動探究熱在水中的傳遞方式的積極性。在教師的引導下，學生躍躍欲試，積極對實驗結果進行預測，并用畫箭頭的方式表示出自己的猜測。隨后，教師陸續開展多次實驗探究活動（如表1），引導學生驗證自己的猜測，并在探究過程中理順沖突，達成共識，完成思維的進階。

教師首先帶領學生實踐教材中的實驗①，通過在水中加入感溫粉末，然后加熱試管中的水，讓學生觀察水的流動及感溫粉末的顏色變化，完成第一層級的實驗。在實踐過程中，由于感溫粉末的顏色變化很快，不同學生對粉末顏色變化和運動軌跡的描述會產生沖突。于是，教師適時地利用學生的這種認知沖突提問：“如何改進這個實驗，既能讓我們看到熱在水中傳遞的現象，又能讓我們對這一現象進行反復觀察？”以此激發學生的求知欲望，促使學生主動探究第二層級和第三層級的實驗。在第二層級的實驗中，教師將實驗材料改為PA12黃色尼龍小顆粒，然后把學生分成兩個大組，一組在燒杯底部的中間加熱，一組在燒杯底部的一側加熱，讓學生通過觀察現象，用箭頭畫出本組實驗中尼龍顆粒的運動軌跡。接著，在第三層級的實驗中，讓兩組交換觀察，并展開小組交流研討和課堂研討，通過對比兩組所畫的尼龍顆粒的運動軌跡，找出它們的共同之處。然而，受第一層級實驗的影響，學生腦海中對實驗現象的認知依舊是模糊的。據此，教師展開第四層級的實驗，播放PA12黃色尼龍小顆粒在試管中加熱的視頻，引導學生將其實驗現象與在第二、三層級的實驗中觀察到的現象展開對比，從中找出規律，推斷出熱在水中的傳遞方式——熱對流，解決本課的核心知識。由此，通過多層級的任務驅動，使學生從被動接受轉變為主動思考和解決問題。同時，利用師生對實驗的研討和改進，提升學生思維的主動性和建構知識的系統性。

整個教學過程，教師利用多種實驗和教學手段，引導學生探究熱在水中的傳遞方式。先根據學生在實驗過程中遇到的各種問題，如實驗現象過快、同學間的認知沖突、無法長時間反復觀察等，明確實驗的改進方向——優化實驗材料。然后引導學生基于此尋找資料，思考解決辦法。在這樣的探究過程中，學生親身經歷“動腦想辦法，動手求真知”的過程，直觀感受到科學現象背后的奧秘，從而將抽象的理論知識轉化為具體可感的經驗，深入理解了熱對流的基本原理。由此，學生不僅養成了以目標為導向的行為習慣，還學會了提問、假設、實驗、分析和結論等探究方法，提高了觀察力和探究能力，全面錘煉了科學核心素養。

參考文獻：

［1］喻伯軍.義務教育課程標準（2022年版）課例式解讀：科學［M］.北京：教育科學出版社，2022.

［2］楊潔.趣味實驗策略探討［J］.小學科學，2024（4）：61-63.

［3］王家友，竇玉滿.小學科學實驗教與學［M］.南京：東南大學出版社，2024.