創(chuàng)新的“銅球的加熱和冷卻實驗”設(shè)計

雷鵬

小學(xué)科學(xué)課程的宗旨是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，而實驗是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要手段，因此如何設(shè)計具有實踐性及趣味性的實驗相當(dāng)重要。

只有對實驗教學(xué)不斷地進行改進和創(chuàng)新，實驗教學(xué)才會充滿生機和活力。筆者以蘇教版小學(xué)科學(xué)中的“銅球的加熱和冷卻實驗”為例，詳細闡述實驗創(chuàng)新的兩種主要方法——傳統(tǒng)意義上的創(chuàng)新和結(jié)合新技術(shù)的創(chuàng)新。

原裝置存在的問題：

僅根據(jù)銅球的加熱和冷卻實驗就推斷所有固體具有熱脹冷縮的性質(zhì)是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，銻、鉍、鎵就是典型的熱縮冷脹固體;

裝置對實驗的材料要求較高，不能簡單將銅球換成同樣規(guī)格的鋁球或者鐵球，因為經(jīng)查表得知，銅、鋁、鐵的線性膨脹系數(shù)分別為17.5，23.2和12.2;

實驗相對枯燥，缺乏趣味性，不能長時間吸引學(xué)生的注意力。

為了解決這一問題，一線教師及專家學(xué)者可謂是“八仙過海各顯神通”，他們從不同的角度對實驗進行了改良，在讓效果更明顯的同時注重趣味性。

一、傳統(tǒng)意義上的改進

在小學(xué)階段，實驗材料和教師是制約開展實驗操作的主要因素。

曾有一線教師使用游標(biāo)卡尺和螺旋測微器測量加熱后的銅球變化的大小，但由于銅球加熱后很燙，存在重大的安全隱患被拋棄。

曾有教師設(shè)計了如下的實驗裝置（如圖1）來驗證固體的熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)酒精燈加熱時，金屬絲膨脹延伸，帶動指針偏轉(zhuǎn)，膨脹越大偏轉(zhuǎn)越厲害。但是該裝置切換金屬絲比較困難，無法驗證多種固體材料。

廣東的董慧珊等另辟蹊徑，通過將熱力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為更直觀的光學(xué)信號，使得實驗效果更加明顯。但由于兩根金屬絲之間的間隙及高度很難控制，容易造成實驗成功率不高，因而沒有普及開來。

筆者為了解決該裝置存在的問題，設(shè)計了以下的實驗裝置，如圖2。

雖然該裝置有了一定的進步，但是間隙的控制仍是一個需要解決的問題。間隙過大，易導(dǎo)致加熱時間過長及實驗失敗;間隙過小，金屬冷縮的時候金屬片之間無法有效分離，也導(dǎo)致實驗失敗。

二、與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合

《教育信息化“十三五”規(guī)劃》和《教育信息化2.0行動計劃》明確指出，要建設(shè)教育信息化體系和“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的大平臺，提升師生的信息化水平。筆者認(rèn)為小學(xué)科學(xué)實驗也應(yīng)與現(xiàn)代化的信息手段相接軌。

由于金屬固體的熱脹冷縮現(xiàn)象極不明顯，除了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)化法之外，我們還可以借助放大法。武漢的李定海在其發(fā)表的論文中提到用一種光杠桿法來放大金屬的膨脹系數(shù)，也曾有教師利用紅外線投影偏移程度測定金屬的熱脹冷縮現(xiàn)象。但筆者并不需要借助該工具，而用希沃EN5電腦版和手機版。第一步確保手機和電腦處于同一Wi-Fi下，開啟移動授課，點擊右上方工具箱選擇攝像，固定手機后聚焦圖2裝置中的空隙部分。此時，希沃一體機上會呈現(xiàn)一個放大幾百倍的空隙的圖像，加熱冷卻均有很明顯的實驗現(xiàn)象。

筆者將壓力傳感器引入實驗（如圖3），固體受熱時體積膨脹，但因空間限制會擠壓傳感器，顯示屏上就會出現(xiàn)相應(yīng)的示數(shù)，體積變化越明顯，示數(shù)就越大。將微小的肉眼不可見的形變轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)字，直觀形象，操作簡便，并可根據(jù)固體的形狀調(diào)節(jié)底部的螺桿，旋轉(zhuǎn)到合適位置固定，確保待加熱的固體和壓力傳感器之間的間隙極小，壓力傳感器上的示數(shù)為0。

該裝置以事實為依據(jù)，建立在真實數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，增強了實驗的可視化程度，而且耗時短，速度快。切換待加熱材料也相當(dāng)方便，無論是金屬還是非金屬，只要是可以加熱的固體均可用來實驗，實驗材料和數(shù)據(jù)的增多使得實驗更具可靠性，避免了以偏概全的問題。

實驗創(chuàng)新源于對教材中實驗的思考，源于更好地突破實驗重難點，源于更好地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，源于提升課堂效率。俗語說得好，“世上無難事，只怕有心人”，只要我們做一個對實驗有心的人，創(chuàng)新的靈感就會時不時地迸發(fā)。