自制實驗器材 優化實驗設計

田明勇

〔摘? ? 要〕? 對于傳統的教學設計，從教學效果反饋看，大部分學生課后對熱傳導實驗仍停留在“記住結論”的層面，無法對熱傳導的過程有較深入的思考與理解。對此，利用溫變油墨、智能溫度傳感器等材料自制創新實驗器材，優化實驗設計并用于教學，能夠激發學生的主動探究意識，提高其科學思維能力，更高效地促進教學目標的實現。

〔關鍵詞〕? 小學科學；自制實驗器材；優化實驗；可視化；數據分析；熱傳導

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 10? ? 064-066

《熱傳導》是青島版科學四年級下冊“熱的傳遞”單元中第一課時的教學內容。為了使學生理解“熱是怎樣在固體中傳遞的”，教材中預設的探究實驗一是：先把銅棒固定到鐵架臺上，調節至適當高度，然后取四根火柴，在火柴頭上抹少許凡士林，依次粘到銅棒的四個凹痕處（如圖1所示）。最后用酒精燈加熱銅棒的外端，觀察火柴落下的順序，以此分析熱在銅棒中是怎樣傳遞的。

預設的探究實驗二是：加熱涂有蠟油的圓鐵片或者方鐵片不同位置，觀察蠟油的融化情況，以此分析熱在圓鐵片或者方鐵片中是怎樣傳遞的（如圖2）。

一、教材預設實驗有瑕疵

在多年的教學實踐中，筆者發現其不足之處主要表現在以下幾方面。

實驗不直觀。學生只能看到火柴棒一根根掉落，無法完整地觀察到熱沿著物體從溫度高的部分傳到溫度低的部分的整個過程。缺少趣味性、無法實現定量探究，導致學生不能完全理解熱傳導的概念。

操作難度大。實驗前，用凡士林把火柴粘在銅棒上以及把蠟油均勻地涂在圓鐵片或者方鐵片上，這些操作對小學生來說有一定的難度。導致實驗準備時間長，實驗耗時也長。

實驗效率低。第一次實驗結束后，由于銅棒短時間內不能馬上冷卻，導致凡士林一接觸銅棒就會處于半融化狀態，很難將火柴再次粘到銅棒上，兩次實驗間隔所需時間較長，影響學生小組探究實驗的效率。

實驗成功率低。受火柴重量、凡士林用量及學生操作的穩定性等因素影響，實驗時往往出現四根火柴不能按照預定的順序（從離加熱點近處向離加熱點遠處）依次落下的現象，實驗成功率低，不能完美地體現探究實驗的科學性和嚴謹性。

實驗層次性不合理。熱既可以在同一個物體中傳遞，也可以在互相接觸的不同物體間傳遞。而教材中預設的兩個實驗都是探究熱在同一個固體中是怎樣傳遞的，這樣會使學生誤認為熱只在同一個物體中傳遞，從溫度高的部分傳到溫度低的部分，在兩個或者兩個以上互相接觸的物體中則無法傳遞。

結論不科學。對于實驗結論，學生只能從火柴掉落的順序以及蠟油融化上感受到熱傳導的方向，缺少數據支撐，無法在實驗中進行定量分析，嚴重阻礙了科學思維的發展。

二、實驗創新改進

針對原實驗存在的不足，我做了如下改進。

（一）改進一：探究熱在同一個固體中是怎樣傳遞的

1.制作材料

16×16厘米的白鐵板一塊、溫變油墨、三個智能溫度傳感器、數據采集器、三腳架、燕尾夾等。

2.制作過程

截取16×16厘米的白鐵板一塊，并在其上面距離中心點不同位置焊接三個金屬棒（如圖3）。

用燕尾夾將智能溫度傳感器的金屬探頭固定到白鐵板不同位置的三個金屬棒上（如圖4）。

用智能溫度傳感器的另一端連接電腦的數據采集器。

3.實驗操作

為了保證探究實驗的科學性和準確性，應反復多做幾次實驗，同時做好實驗記錄。

打開測溫軟件，設定每隔10秒鐘自動記錄一次溫度。

點燃酒精燈，加熱涂有溫變油墨的白鐵板中間部位，觀察溫變油墨變色的現象；

觀察三個智能溫度傳感器上的數值變化情況，并做好記錄。

關閉測溫軟件，熄滅酒精燈。

4.實驗結論

觀察溫變油墨變色的現象，可看到顏色從加熱點向四周慢慢消失。同時結合記錄數據進行對比、分析，可以得出以下結論：在同一固體中，熱可以沿著物體從溫度高的部分傳到溫度低的部分。

（二）改進二：探究熱在兩個不同固體間是怎樣傳遞的

1.制作材料

一塊生態板、一根細鐵棒、三根不銹鋼方管、紫銅管、鋁管、溫變油墨、二個智能溫度傳感器、數據采集器、燕尾夾等。

2.制作過程

截取60×25厘米的生態板一塊作為演示器的底座，并在其左右兩端距離邊線5厘米的中線位置各鉆一個小孔，分別固定一個不銹鋼方管作為演示器的支架。

在演示器兩端的支架上按照距離底座16厘米的高度分別打一個小孔，用來固定細鐵棒；將涂有溫變油墨的紫銅管和鋁管連接到一起，并套裝在細鐵棒上（如圖5）。

用燕尾夾在紫銅管和鋁管上分別固定一個溫度傳感器的金屬探頭（如圖6）。

用智能溫度傳感器的另一端連接電腦的數據采集器。

3.實驗操作

為了保證探究實驗的科學性和準確性，應反復多做幾次實驗，同時做好實驗記錄。

打開測溫軟件，設定每隔10秒鐘自動記錄一次溫度。

點燃酒精燈，加熱涂有溫變油墨的紫銅管的外端，觀察溫變油墨變色的現象（如圖7）。

觀察兩個智能溫度傳感器上的數值變化情況，并做好記錄。

關閉測溫軟件，熄滅酒精燈。

4.實驗結論

觀察溫變油墨變色的現象，可看到顏色從紫銅管加熱的一端向鋁管一端慢慢消失。同時結合記錄數據進行對比、分析，可以得出以下結論：互相接觸的兩個固體，熱可以從溫度高的物體傳向溫度低的物體。

然后，根據上述兩個探究實驗進行課堂小結：熱可以沿著物體從溫度高的部分傳向溫度低的部分，從溫度高的物體傳向溫度低的物體，這種傳遞熱的方式叫作熱傳導。

三、實驗創新點

優化實驗材料。紫銅管和鋁管的導熱性能比普通銅棒和鋁棒好得多，受熱時，溫度上升快。

化抽象為具象的可視化效果。巧妙使用新材料溫變油墨，借助溫變油墨達到預定溫度會變色的特性，將抽象的熱傳導“可視化”，使學生可以觀察到熱傳遞的動態過程。涂有溫變油墨的實驗材料也可以做到快速反復使用。

精準數據，定量分析。利用智能溫度傳感器測量得出的數據具有實時性強、精確度高等特點，將抽象的實驗現象轉換成具體的實驗數據，可使實驗探究過程數字化。這樣可以鍛煉學生分析數據歸納結論的思維能力。

數據圖表，簡明易懂。經過信息化實驗系統處理后生成的數據圖表簡明易懂，學生能更輕松、直觀地對比、分析不同位置傳感器探頭的溫度變化情況。

數字化實驗系統。安裝智能溫度傳感器采集實驗數據，通過接口將其轉換為計算機可識別的數字輸入計算機，并通過軟件對數據進行處理，從而形成“數字化實驗系統”。

四、實驗效果和評價

利用創新型器材開展探究實驗，讓學生經歷了從單一固體到兩個固體間熱是怎樣傳遞的探究過程，學生的思維也經歷了從具象到表象再到抽象的發展過程，從而促進了自身科學素養的發展。

溫變油墨、智能溫度傳感器和信息化軟件的應用，讓學生體驗到新材料、新技術的運用對于科學研究的作用，為學生的創新提供了示范。

實踐證明，學生通過使用制作的創新實驗器材以及優化后的實驗設計進行探究學習，實驗現象非常明顯，既做到了實驗現象的直觀性，又保證了實驗探究過程的科學性和嚴謹性。這樣，學生對熱傳導概念理解得更深入、更透徹，從而更高效地促進教學目標的實現。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]中華人民共和國教育部.關于加強和改進中小學實驗教學的意見[S].北京：教基〔2019〕16號，2019：11.