自制实验器材 优化实验设计

田明勇

〔摘    要〕  对于传统的教学设计，从教学效果反馈看，大部分学生课后对热传导实验仍停留在“记住结论”的层面，无法对热传导的过程有较深入的思考与理解。对此，利用温变油墨、智能温度传感器等材料自制创新实验器材，优化实验设计并用于教学，能够激发学生的主动探究意识，提高其科学思维能力，更高效地促进教学目标的实现。

〔关键词〕  小学科学；自制实验器材；优化实验；可视化；数据分析；热传导

〔中图分类号〕  G424                〔文献标识码〕  A         〔文章编号〕  1674-6317    （2024）  10    064-066

《热传导》是青岛版科学四年级下册“热的传递”单元中第一课时的教学内容。为了使学生理解“热是怎样在固体中传递的”，教材中预设的探究实验一是：先把铜棒固定到铁架台上，调节至适当高度，然后取四根火柴，在火柴头上抹少许凡士林，依次粘到铜棒的四个凹痕处（如图1所示）。最后用酒精灯加热铜棒的外端，观察火柴落下的顺序，以此分析热在铜棒中是怎样传递的。

预设的探究实验二是：加热涂有蜡油的圆铁片或者方铁片不同位置，观察蜡油的融化情况，以此分析热在圆铁片或者方铁片中是怎样传递的（如图2）。

一、教材预设实验有瑕疵

在多年的教学实践中，笔者发现其不足之处主要表现在以下几方面。

实验不直观。学生只能看到火柴棒一根根掉落，无法完整地观察到热沿着物体从温度高的部分传到温度低的部分的整个过程。缺少趣味性、无法实现定量探究，导致学生不能完全理解热传导的概念。

操作难度大。实验前，用凡士林把火柴粘在铜棒上以及把蜡油均匀地涂在圆铁片或者方铁片上，这些操作对小学生来说有一定的难度。导致实验准备时间长，实验耗时也长。

实验效率低。第一次实验结束后，由于铜棒短时间内不能马上冷却，导致凡士林一接触铜棒就会处于半融化状态，很难将火柴再次粘到铜棒上，两次实验间隔所需时间较长，影响学生小组探究实验的效率。

实验成功率低。受火柴重量、凡士林用量及学生操作的稳定性等因素影响，实验时往往出现四根火柴不能按照预定的顺序（从离加热点近处向离加热点远处）依次落下的现象，实验成功率低，不能完美地体现探究实验的科学性和严谨性。

实验层次性不合理。热既可以在同一个物体中传递，也可以在互相接触的不同物体间传递。而教材中预设的两个实验都是探究热在同一个固体中是怎样传递的，这样会使学生误认为热只在同一个物体中传递，从温度高的部分传到温度低的部分，在两个或者两个以上互相接触的物体中则无法传递。

结论不科学。对于实验结论，学生只能从火柴掉落的顺序以及蜡油融化上感受到热传导的方向，缺少数据支撑，无法在實验中进行定量分析，严重阻碍了科学思维的发展。

二、实验创新改进

针对原实验存在的不足，我做了如下改进。

（一）改进一：探究热在同一个固体中是怎样传递的

1.制作材料

16×16厘米的白铁板一块、温变油墨、三个智能温度传感器、数据采集器、三脚架、燕尾夹等。

2.制作过程

截取16×16厘米的白铁板一块，并在其上面距离中心点不同位置焊接三个金属棒（如图3）。

用燕尾夹将智能温度传感器的金属探头固定到白铁板不同位置的三个金属棒上（如图4）。

用智能温度传感器的另一端连接电脑的数据采集器。

3.实验操作

为了保证探究实验的科学性和准确性，应反复多做几次实验，同时做好实验记录。

打开测温软件，设定每隔10秒钟自动记录一次温度。

点燃酒精灯，加热涂有温变油墨的白铁板中间部位，观察温变油墨变色的现象；

观察三个智能温度传感器上的数值变化情况，并做好记录。

关闭测温软件，熄灭酒精灯。

4.实验结论

观察温变油墨变色的现象，可看到颜色从加热点向四周慢慢消失。同时结合记录数据进行对比、分析，可以得出以下结论：在同一固体中，热可以沿着物体从温度高的部分传到温度低的部分。

（二）改进二：探究热在两个不同固体间是怎样传递的

1.制作材料

一块生态板、一根细铁棒、三根不锈钢方管、紫铜管、铝管、温变油墨、二个智能温度传感器、数据采集器、燕尾夹等。

2.制作过程

截取60×25厘米的生态板一块作为演示器的底座，并在其左右两端距离边线5厘米的中线位置各钻一个小孔，分别固定一个不锈钢方管作为演示器的支架。

在演示器两端的支架上按照距离底座16厘米的高度分别打一个小孔，用来固定细铁棒；将涂有温变油墨的紫铜管和铝管连接到一起，并套装在细铁棒上（如图5）。

用燕尾夹在紫铜管和铝管上分别固定一个温度传感器的金属探头（如图6）。

用智能温度传感器的另一端连接电脑的数据采集器。

3.实验操作

为了保证探究实验的科学性和准确性，应反复多做几次实验，同时做好实验记录。

打开测温软件，设定每隔10秒钟自动记录一次温度。

点燃酒精灯，加热涂有温变油墨的紫铜管的外端，观察温变油墨变色的现象（如图7）。

观察两个智能温度传感器上的数值变化情况，并做好记录。

关闭测温软件，熄灭酒精灯。

4.实验结论

观察温变油墨变色的现象，可看到颜色从紫铜管加热的一端向铝管一端慢慢消失。同时结合记录数据进行对比、分析，可以得出以下结论：互相接触的两个固体，热可以从温度高的物体传向温度低的物体。

然后，根据上述两个探究实验进行课堂小结：热可以沿着物体从温度高的部分传向温度低的部分，从温度高的物体传向温度低的物体，这种传递热的方式叫作热传导。

三、实验创新点

优化实验材料。紫铜管和铝管的导热性能比普通铜棒和铝棒好得多，受热时，温度上升快。

化抽象为具象的可视化效果。巧妙使用新材料温变油墨，借助温变油墨达到预定温度会变色的特性，将抽象的热传导“可视化”，使学生可以观察到热传递的动态过程。涂有温变油墨的实验材料也可以做到快速反复使用。

精准数据，定量分析。利用智能温度传感器测量得出的数据具有实时性强、精确度高等特点，将抽象的实验现象转换成具体的实验数据，可使实验探究过程数字化。这样可以锻炼学生分析数据归纳结论的思维能力。

数据图表，简明易懂。经过信息化实验系统处理后生成的数据图表简明易懂，学生能更轻松、直观地对比、分析不同位置传感器探头的温度变化情况。

数字化实验系统。安装智能温度传感器采集實验数据，通过接口将其转换为计算机可识别的数字输入计算机，并通过软件对数据进行处理，从而形成“数字化实验系统”。

四、实验效果和评价

利用创新型器材开展探究实验，让学生经历了从单一固体到两个固体间热是怎样传递的探究过程，学生的思维也经历了从具象到表象再到抽象的发展过程，从而促进了自身科学素养的发展。

温变油墨、智能温度传感器和信息化软件的应用，让学生体验到新材料、新技术的运用对于科学研究的作用，为学生的创新提供了示范。

实践证明，学生通过使用制作的创新实验器材以及优化后的实验设计进行探究学习，实验现象非常明显，既做到了实验现象的直观性，又保证了实验探究过程的科学性和严谨性。这样，学生对热传导概念理解得更深入、更透彻，从而更高效地促进教学目标的实现。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]中华人民共和国教育部.关于加强和改进中小学实验教学的意见[S].北京：教基〔2019〕16号，2019：11.