改良實(shí)驗(yàn)裝置從定性走向定量

錢(qián)舟奇

一、引言

定性研究和定量研究在小學(xué)科學(xué)課堂中被廣泛運(yùn)用。本文以《液體的熱脹冷縮》一課為例，探討通過(guò)改良原有實(shí)驗(yàn)器材把定性研究轉(zhuǎn)化為定量研究的實(shí)施路徑，以及在此過(guò)程中通過(guò)對(duì)話呈現(xiàn)學(xué)生思維過(guò)程，利用實(shí)驗(yàn)器材與圖表提供思維支架促進(jìn)高階思維發(fā)展的方法。

二、教學(xué)流程

《液體的熱脹冷縮》是教科版《科學(xué)》五下“熱”單元第三課，在上一課的學(xué)習(xí)后學(xué)生已經(jīng)知道冷水在加熱后重量不變，體積略有變大的現(xiàn)象。

第一板塊：討論改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置

師：上節(jié)課的這個(gè)裝置水在加熱后會(huì)略有凸起，怎么讓它變得更加明顯？

生1：給水加點(diǎn)顏料，有了顏色看起來(lái)就更加清楚。

師：這個(gè)辦法解決了一部分問(wèn)題，如何讓這個(gè)凸起部分更加明顯？

生2：用溫度更高的熱水。

師：是個(gè)辦法，也存在一定的安全隱患。

生3：可以換一個(gè)體積更大的瓶子，這樣體積變大也會(huì)更明顯。

生4：把瓶子的上端變成開(kāi)口小一點(diǎn)的，最好用細(xì)細(xì)的管子。

師：你為什么要把它變成細(xì)細(xì)的管子？

生4：這樣做的話體積變大后它可以升得更高，也就更明顯了，直接觀察液柱高度變化就可以了。

第二板塊：實(shí)驗(yàn)探究

教師出示改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，提問(wèn)：“把它分別放進(jìn)熱水和冷水，你們認(rèn)為會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？”

生：可能會(huì)出現(xiàn)液柱的高度不一樣。

師：那我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證一下吧。

以PPT出示實(shí)驗(yàn)的相關(guān)步驟和注意事項(xiàng)。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)并匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

教師總結(jié)：我們把這種水受熱時(shí)體積變大、受冷時(shí)體積縮小的現(xiàn)象稱(chēng)為熱脹冷縮。

第三板塊：拓展延伸

師：除了水這種液體，其他液體會(huì)不會(huì)有這種現(xiàn)象？

生：估計(jì)有的。

師：怎么證明？

生：把實(shí)驗(yàn)裝置里的水換成其他液體即可。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)部分其他液體的熱脹冷縮現(xiàn)象，得出實(shí)驗(yàn)的這些液體都具有熱脹冷縮的現(xiàn)象。

師：有沒(méi)有明白很多啤酒、飲料瓶都不能裝滿(mǎn)？

生：明白了，防止熱脹冷縮。

三、教學(xué)思考

（一）定性研究可以轉(zhuǎn)為定量研究

在小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)中，定性研究和定量研究是常見(jiàn)的兩種研究方法。前者是指研究者運(yùn)用歷史回顧、文獻(xiàn)分析、訪問(wèn)、觀察等方法獲得教育研究的資料，并用非量化的手段對(duì)其進(jìn)行分析、獲得研究結(jié)論;后者通常是指運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行加工處理，分析后得出有效解釋?zhuān)嵌ㄐ匝芯康倪M(jìn)一步深化，對(duì)于小學(xué)生而言這種研究更富有挑戰(zhàn)性和思維價(jià)值。

液體的熱脹冷縮都采用定性研究的方式進(jìn)行，液柱的高度采取觀察液面的變化情況，可以量高度（具體的數(shù)值），裝置內(nèi)液體溫度的變化也是個(gè)人主觀想法，可以用溫度計(jì)量取內(nèi)部液體的精確溫度數(shù)值，從而把熱（冷）脹（縮）都用相應(yīng)數(shù)值體現(xiàn)出具體的變化，進(jìn)而把定性研究推向定量研究。

（二）從低階思維走向高階思維

人的思維活動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不同的學(xué)者對(duì)其定義有著各自的理解，但也有相同之處：一致認(rèn)為高階思維是一種以高層次認(rèn)知水平為主的心智活動(dòng)。安德森等專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)將思維活動(dòng)由低到高分成記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造六個(gè)層次，其中前三者為低階思維層次，后三者為高階思維層次，如圖1。

小學(xué)科學(xué)高階思維，是指在小學(xué)科學(xué)學(xué)科的探究式教學(xué)中，以分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造等為主要形式的探究環(huán)節(jié)，具有挑戰(zhàn)性、開(kāi)放性等特征。

在此課例中，整個(gè)教學(xué)過(guò)程以理解和應(yīng)用低階思維為主，分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造高階思維活動(dòng)偏少?？梢詮难b置著手，學(xué)生體驗(yàn)后再次改進(jìn)，發(fā)展學(xué)生的評(píng)價(jià)和創(chuàng)造能力，把實(shí)驗(yàn)數(shù)字的體積變化與溫度變化相聯(lián)系，發(fā)展學(xué)生的分析能力。把思維活動(dòng)推向高階思維，有助于提升學(xué)生思維品質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

轉(zhuǎn)變研究方式促進(jìn)思維發(fā)展，以改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材為載體，以對(duì)話引發(fā)學(xué)生創(chuàng)造思維。

通過(guò)之前的教學(xué)活動(dòng)，我們獲知學(xué)生可以一起參與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，但是需要教師引領(lǐng)把具體的變化數(shù)值化，挖掘與學(xué)生對(duì)話內(nèi)容的思維亮點(diǎn)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，匯總得到了以下教學(xué)片段以及相應(yīng)的解決措施：

師：實(shí)驗(yàn)裝置放入熱（冷）水后液柱的變化有同學(xué)說(shuō)可以直接看，你們覺(jué)得可以改進(jìn)嗎？

生1：可以在相應(yīng)的液面處用記號(hào)筆標(biāo)注，量出高度。

師：我們把這瓶水加熱后，除了體積會(huì)變大，還有什么會(huì)變？

生2：里面的水溫會(huì)變化。

師：怎么變？

生2：會(huì)升高。

師：如何獲得證據(jù)？

生2：可以用溫度計(jì)測(cè)量，有數(shù)字。

此教學(xué)片段反映出學(xué)生對(duì)于獲取體積和水溫變化證據(jù)的思考，很容易就引出用尺子和溫度計(jì)來(lái)測(cè)量獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)佐證。

基于以上與學(xué)生的對(duì)話片段內(nèi)容，引發(fā)學(xué)生的深層思考，激發(fā)他們的創(chuàng)造性思維，得到了改進(jìn)后的1.0版本，如圖2。

四、改良實(shí)驗(yàn)器材，發(fā)展學(xué)生高階思維

（一）立“準(zhǔn)繩”——設(shè)立實(shí)驗(yàn)裝置評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)改進(jìn)后的1.0版本的實(shí)驗(yàn)裝置，挑選了部分學(xué)生進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)材料的評(píng)估，學(xué)生討論匯總了他們?cè)u(píng)估角度，如表1。

（二）診“結(jié)果”——檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置效果

運(yùn)用制定的評(píng)估表，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了首輪的實(shí)踐檢測(cè)活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了一些存在的問(wèn)題。

1.玻璃管易碎，且存在一定的安全隱患;

2.橡皮塞上端的兩個(gè)孔有一定漏水的現(xiàn)象;

3.把裝置放入熱水中后，發(fā)現(xiàn)后期液柱上升乏力，可能是水溫下降或者液柱高度變高造成，如表2和圖3。

（三）以評(píng)促改，實(shí)驗(yàn)器材的二次優(yōu)化

根據(jù)首輪評(píng)估發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，學(xué)生討論可以從以下幾個(gè)方面加以改進(jìn)。

1.用亞克力材料的細(xì)管子替代玻璃管;

2.用橡皮泥塞住縫隙，防止漏水;

3.把細(xì)管子從“一”字形變?yōu)椤癓”形，減少液柱自身重力帶來(lái)的影響。

根據(jù)以上幾點(diǎn)，我們制作了2.0版本的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖4。

在此過(guò)程中，鼓勵(lì)學(xué)生從多維度出發(fā)評(píng)估裝置效果，并通過(guò)實(shí)際檢測(cè)檢驗(yàn)效果，二次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，幫助學(xué)生發(fā)展數(shù)據(jù)分析能力、評(píng)估能力和創(chuàng)造力，促進(jìn)學(xué)生高階思維發(fā)展。

五、以數(shù)據(jù)為依托，提高學(xué)生分析能力

學(xué)生通過(guò)使用2.0版的裝置再次進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，獲得了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3。

（一）化平面數(shù)字為顯性折線圖，為學(xué)生分析提供支架

學(xué)生獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)字是扁平的線性結(jié)構(gòu)，我們把它變成更加直觀的折線圖（圖5），延伸了數(shù)字的空間顯性范圍，為學(xué)生分析數(shù)字提供支架，助力學(xué)生分析能力發(fā)展。

（二）借坡下驢，巧問(wèn)設(shè)伏

本節(jié)課學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)要掌握“熱脹冷縮”這個(gè)概念，部分學(xué)生經(jīng)常把這個(gè)概念當(dāng)作一個(gè)現(xiàn)象，不能區(qū)分“熱脹”和“冷縮”。為此，我們?cè)趯W(xué)生分析數(shù)據(jù)時(shí)需要借用學(xué)生的話糾正錯(cuò)誤的前概念，形成正確的概念。

師：大家來(lái)看折線圖，嘗試分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

生1：錐形瓶放入熱水后，液柱在變長(zhǎng)，溫度也在上升。

師：液柱在變長(zhǎng)說(shuō)明什么？

生1：體積在變大。

師：體積變大和溫度上升有關(guān)系嗎？

生1：有關(guān)系的，它們是關(guān)聯(lián)的，隨著液柱變長(zhǎng)體積變大，溫度也在變高。

師：我們把這種現(xiàn)象稱(chēng)為“熱脹”（板書(shū)：水受熱后體積變大，熱脹），那放到冷水中呢？

生2：液柱變短體積變小，溫度降低。

師：我們把這種現(xiàn)象稱(chēng)為“冷縮”（板書(shū)：水受冷后體積變小，冷縮）。兩種現(xiàn)象合起來(lái)稱(chēng)為“熱脹冷縮”。

在此過(guò)程中，教師鼓勵(lì)學(xué)生積極思考，把數(shù)據(jù)通過(guò)線性圖表更加直觀地呈現(xiàn)出來(lái)，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，在發(fā)展分析能力的同時(shí)，加深對(duì)概念的深層理解。

六、因勢(shì)利導(dǎo)激發(fā)學(xué)生探究欲，促進(jìn)高階思維發(fā)展

從課堂上的觀察情況來(lái)看，學(xué)生不滿(mǎn)足于對(duì)水的探究，對(duì)其他液體同樣抱有好奇心和探究欲，且希望進(jìn)行橫向比較，即哪種液體的熱脹冷縮更加明顯。

學(xué)生自主討論得到以下兩種可以用來(lái)比較哪種液體熱脹更明顯的方法。

方法一：計(jì)算相同時(shí)間內(nèi)液柱的變化長(zhǎng)度。

表達(dá)式=變化長(zhǎng)度/時(shí)間長(zhǎng)短

方法二：相同溫度變化范圍內(nèi)液柱的變化。

表達(dá)式=變化長(zhǎng)度/溫度變化

方法二更加接近熱膨脹系數(shù)的計(jì)算方法，學(xué)生標(biāo)記瓶?jī)?nèi)達(dá)到相應(yīng)溫度時(shí)液面所在位置，測(cè)量溫度變化區(qū)間內(nèi)液柱的變化長(zhǎng)度（表4和圖6）。

學(xué)生分析數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)現(xiàn)，幾種液體在相應(yīng)的溫度變化區(qū)間內(nèi)液柱的增加長(zhǎng)度各有不同，其中酒精的變化最為明顯，他們明白了常見(jiàn)的溫度計(jì)內(nèi)部的液體是酒精的原因，也借此過(guò)程發(fā)展學(xué)生的分析能力和創(chuàng)造力，促進(jìn)高階思維發(fā)展。

七、結(jié)語(yǔ)

小學(xué)科學(xué)作為一門(mén)基礎(chǔ)性、實(shí)踐性和綜合性的課程，倡導(dǎo)探究式的學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生在探究過(guò)程中開(kāi)展分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造等高階思維活動(dòng)，對(duì)于學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，形成科學(xué)思維與創(chuàng)新、探究精神等學(xué)科核心素養(yǎng)都具有重要的意義。本節(jié)課采取依托遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置，將定性研究轉(zhuǎn)為定量研究，有助于核心概念的建構(gòu)，學(xué)生對(duì)“熱脹冷縮”有了更深層次的理解。這樣，有助于深入探究和科學(xué)思維方式的培養(yǎng)，增加分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造等高階思維活動(dòng)，幫助學(xué)生深度理解，利于學(xué)生形成科學(xué)的思維方式和思維習(xí)慣。長(zhǎng)此以往，學(xué)生的分析性思維、批判性思維、創(chuàng)造性思維會(huì)逐漸形成。

我們?cè)诔Ｒ?guī)教學(xué)中可以開(kāi)展更多的高階思維活動(dòng)，有助于學(xué)生培養(yǎng)求實(shí)、求真、創(chuàng)新等科學(xué)精神，在分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論之間建立起證據(jù)意識(shí)，實(shí)事求是，培養(yǎng)實(shí)證意識(shí)。