基于實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)與創(chuàng)新的小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略

【摘要】本文針對小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)器材不能滿足實(shí)際教學(xué)需求的問題，以“熱在金屬中的傳遞”教學(xué)為例，從創(chuàng)設(shè)問題情境啟動(dòng)猜測、經(jīng)歷探究實(shí)踐發(fā)現(xiàn)新的探究問題、借助新技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置、知識遷移應(yīng)用等方面探討基于實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)與創(chuàng)新的小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略。

【關(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué) 實(shí)驗(yàn)器材 改進(jìn)與創(chuàng)新?實(shí)驗(yàn)教學(xué) 熱在金屬中的傳遞

【中圖分類號】G62 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）10-0076-03

小學(xué)科學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)和活動(dòng)為基礎(chǔ)的綜合性學(xué)科，以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)為宗旨。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是小學(xué)科學(xué)教學(xué)的重要組成部分，也是落實(shí)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)要求、提高學(xué)生科學(xué)探究能力的重要內(nèi)容。教師要主動(dòng)利用科學(xué)實(shí)驗(yàn)這一有效載體，全面提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任等方面核心素養(yǎng)的發(fā)展。新課程改革后，小學(xué)科學(xué)教材中所安排的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求發(fā)生了很大的變化。教師們在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，原先標(biāo)配的實(shí)驗(yàn)器材受多種因素制約，時(shí)常不能滿足實(shí)際教學(xué)需求，從而影響了科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效開展。部分小學(xué)科學(xué)教師缺少專業(yè)的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，對課標(biāo)理念領(lǐng)悟不高、對課程內(nèi)容理解不一，導(dǎo)致科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率低下?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《2022年版科學(xué)課標(biāo)》）要求教師根據(jù)教學(xué)具體情況選擇合適的實(shí)驗(yàn)器材，滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和創(chuàng)新能力。然而，合適的實(shí)驗(yàn)教學(xué)器材并不是隨時(shí)配好、隨時(shí)供應(yīng)的，需要教師基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中實(shí)際出現(xiàn)的問題，對實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)新。2019年11月，教育部發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》提出，鼓勵(lì)各地各校積極開展教學(xué)儀器設(shè)備適用性評價(jià)和研究，開展優(yōu)秀自制器材評選，鼓勵(lì)教師自制實(shí)驗(yàn)器材。該意見對教師開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了較高的要求，要求教師除了具備扎實(shí)的專業(yè)知識，還須具備創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。也就是說，小學(xué)科學(xué)教師只有具備對實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)新的能力，才能切實(shí)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。下面，筆者以教科版科學(xué)五年級下冊第四單元第4課“熱在金屬中的傳遞”教學(xué)為例，探討基于實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)與創(chuàng)新的小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略。

“熱在金屬中的傳遞”一課實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)是，通過引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)單一變量的實(shí)驗(yàn)方案并展開相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在觀察和探究實(shí)驗(yàn)的過程中感悟熱在金屬中的傳遞過程和方向，通過綜合觀察和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出熱傳遞過程中的共同特點(diǎn)?；诖?，教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是在金屬條和金屬片表面涂上蠟或感溫油墨并固定在支架上，然后給金屬的某一固定位置加熱來觀察蠟或感溫油墨的變化，據(jù)此推測熱在金屬中是怎樣傳遞的。教師按照教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，大部分學(xué)生都能清楚且直觀地看到蠟或感溫油墨受熱后會(huì)慢慢地往一定方向變化，學(xué)生根據(jù)這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能初步推測熱傳遞的方向。然而，由表象總結(jié)出來的科學(xué)概念，學(xué)生對其理解比較抽象，實(shí)驗(yàn)缺乏準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，導(dǎo)致學(xué)生不能深刻理解熱傳遞的過程，從而影響了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過程中對相關(guān)科學(xué)概念的獲得，且影響學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展和嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度的形成。為了讓學(xué)生更科學(xué)地觀察熱在金屬中的傳遞過程，使實(shí)驗(yàn)過程更規(guī)范、效果更明顯、結(jié)果更精準(zhǔn)，也為了讓不同層次的學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)都能得到發(fā)展，筆者認(rèn)為，教師可以借助新技術(shù)對實(shí)驗(yàn)方法或?qū)嶒?yàn)器材進(jìn)行改進(jìn)，并將其運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程當(dāng)中，切實(shí)提高科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究效果。

一、創(chuàng)設(shè)問題情境，啟動(dòng)探究猜測

創(chuàng)設(shè)問題情境指的是在教學(xué)過程中，通過創(chuàng)設(shè)符合學(xué)生認(rèn)知水平或?qū)W生熟悉的生活化問題場景吸引學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生基于問題大膽猜測，主動(dòng)參與到交流互動(dòng)過程中，最終通過自主、合作、探究的學(xué)習(xí)方法獲得問題的正確答案。

在“熱在金屬中的傳遞”課堂教學(xué)中，教師先用微視頻方式呈現(xiàn)了一個(gè)廚房燒菜的生活化場景，成功吸引了學(xué)生的注意力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。接著，教師用多媒體動(dòng)畫方式，再現(xiàn)了生活中金屬勺浸在熱湯中勺柄逐漸發(fā)熱的現(xiàn)象，引出了本課問題。由熟悉的生活場景引出的問題能有效吸引學(xué)生，激發(fā)了學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，學(xué)生敢于大膽猜測。

師：熱在金屬勺中是怎樣傳遞的？

生1：熱從金屬勺浸在湯里的部位逐漸傳遞到勺柄。

生2：熱從熱湯傳遞到金屬勺，再從金屬勺熱的一端傳遞到勺柄。

師：請根據(jù)你的猜測，把熱傳遞的方向用箭頭畫出來。

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下畫出了熱在金屬中傳遞的方向。但是，這個(gè)猜測是否正確呢？學(xué)生興致高漲，迫不及待想要找出問題的答案。教師順勢進(jìn)入實(shí)驗(yàn)教學(xué)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，將學(xué)生分成幾個(gè)實(shí)驗(yàn)探究小組，各小組學(xué)生結(jié)合課本內(nèi)容展開交流討論，制訂探究熱在金屬中傳遞的實(shí)驗(yàn)方案，合作學(xué)習(xí)能力從中得到了培養(yǎng)。

二、經(jīng)歷探究實(shí)踐，初步形成科學(xué)概念，發(fā)現(xiàn)新的探究問題

探究實(shí)踐主要指在了解和探索自然、獲得科學(xué)知識、解決科學(xué)問題以及技術(shù)與工程實(shí)踐過程中，形成的科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力。探究實(shí)踐是小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常重要的環(huán)節(jié)，而實(shí)驗(yàn)器材是確保探究實(shí)踐有效性的基礎(chǔ)和保障。學(xué)生在探究實(shí)踐過程中，依據(jù)實(shí)驗(yàn)方案操作實(shí)驗(yàn)器材，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行科學(xué)探究活動(dòng)，在活動(dòng)中體驗(yàn)遇到困難時(shí)的困惑和解決問題的喜悅，形成科學(xué)觀念，發(fā)展科學(xué)思維，同時(shí)培養(yǎng)問題意識、質(zhì)疑能力和創(chuàng)新精神。

具體教學(xué)中，教師可讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究小組依照設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行“熱在金屬條中傳遞”的實(shí)驗(yàn)探究：在一根金屬條表面均勻地涂上感溫油墨（遇高溫會(huì)改變顏色），將金屬條固定在鐵架臺(tái)上，然后用酒精燈加熱金屬條的中間位置，觀察金屬條上感溫油墨的變化。通過該實(shí)驗(yàn)，大部分實(shí)驗(yàn)探究小組都能觀察到感溫油墨的顏色從金屬條的中間位置受熱部分開始變化，然后向兩端逐漸變化，進(jìn)而得出熱會(huì)從物體的一部分（溫度較高的一端）向另一部分（溫度較低的一端）傳遞的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。感溫油墨顏色的變化說明了溫度的變化是有先后的，也間接說明了熱的傳遞方向。教師順勢提出新的探究問題。

師：熱傳遞是在一條直線沿著一個(gè)方向傳遞的嗎？你們還有怎樣的猜測？

生1：熱還可能向四周傳遞，比如加熱湯鍋底部的時(shí)候。

生2：熱還可能從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，比如熱從酒精燈燈芯傳遞到金屬條。

師：實(shí)驗(yàn)探究中，你們有什么發(fā)現(xiàn)或困惑？

生3：感溫油墨顏色的變化與熱傳遞的方向之間的關(guān)系不好理解。

生4：若能把金屬條的溫度變化測量出來，更能直接說明熱的傳遞方向。

師：你們有什么好辦法嗎？

生5：用溫度計(jì)測量金屬不同部位的溫度。

生6：將金屬條改為金屬圓片。

……

通過以上實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生初步形成了科學(xué)概念，但教師根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)后反饋的情況發(fā)現(xiàn)，由表象總結(jié)出來的概念，學(xué)生并不能深刻理解，思維卡點(diǎn)依然存在，還需要進(jìn)一步探索解決。

三、借助新技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，突破教學(xué)重難點(diǎn)

《2022年版科學(xué)課標(biāo)》強(qiáng)調(diào)，實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，應(yīng)著眼于幫助教師向?qū)W生清楚演示抽象、難懂的科學(xué)概念，提供課堂集體觀察和演示實(shí)驗(yàn)的材料。因此，教師需要在科學(xué)探究教學(xué)活動(dòng)中創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，將科學(xué)概念化繁為簡、化抽象為具象、化隱為顯，為學(xué)生認(rèn)識科學(xué)核心概念搭建“腳手架”，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。此外，若能以新技術(shù)助推科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更科學(xué)、精準(zhǔn)，不僅能更好地突破教學(xué)重難點(diǎn)，還能增進(jìn)實(shí)驗(yàn)探究的深度。

針對“熱在金屬條中傳遞”探究實(shí)驗(yàn)中學(xué)生的發(fā)現(xiàn)或困惑，教師應(yīng)抓住契機(jī)與學(xué)生進(jìn)行思維碰撞，引導(dǎo)學(xué)生思考：如何創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)才能得到精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，使探究實(shí)驗(yàn)更嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)呢？通過這一問題引領(lǐng)學(xué)生開啟科學(xué)“頭腦風(fēng)暴”，展開激烈的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新探討活動(dòng)，各實(shí)驗(yàn)小組交流討論、集思廣益，得出了如下頁圖1所示的新點(diǎn)子。

實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)與創(chuàng)新不是隨意和盲目的，而是從現(xiàn)實(shí)問題出發(fā)，基于問題而進(jìn)行的改進(jìn)與創(chuàng)新。在改進(jìn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置的過程中，教師鼓勵(lì)學(xué)生大膽說出自己的看法和意見，使用多種方法、思路和材料展開科學(xué)探究，感受創(chuàng)新的樂趣。教師對學(xué)生的創(chuàng)新點(diǎn)子進(jìn)行分析及評價(jià)，進(jìn)而整理出能解決問題且簡單易操作的實(shí)驗(yàn)裝置，制作了如圖2所示的“熱傳導(dǎo)變色探溫器”，用以更加直觀、科學(xué)、準(zhǔn)確地展現(xiàn)熱在金屬中傳遞的方向：將金屬圓片固定在鐵架上，在金屬圓片的表面涂上感溫油墨，用酒精燈在金屬圓片的中心位置D點(diǎn)加熱，通過油墨顏色的改變過程來觀察熱傳遞的方向，同時(shí)用探針式溫度計(jì)測量金屬圓片邊緣不同位置A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)的溫度變化，觀察屏幕上顯示的溫度數(shù)據(jù)變化情況。實(shí)驗(yàn)裝置中的探針式溫度計(jì)會(huì)自動(dòng)記錄和生成溫度變化數(shù)據(jù)，并上傳到手機(jī)或電腦供學(xué)生進(jìn)行精準(zhǔn)分析。

在實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生需要多次測量熱源在D點(diǎn)時(shí)，探針式溫度計(jì)分別測得的金屬圓片邊緣不同位置A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的情況，實(shí)際測量的監(jiān)控曲線如圖3所示。學(xué)生分析多組測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，熱源位置在D點(diǎn)時(shí)，同樣的3分鐘時(shí)間內(nèi)，探針式溫度計(jì)測得探溫點(diǎn)A、B、C三點(diǎn)的溫度都是逐漸升溫，B點(diǎn)的溫度升高的時(shí)間較短，A、C兩點(diǎn)的溫度升高的時(shí)間較長且監(jiān)控曲線變化大致相同。學(xué)生根據(jù)溫度數(shù)據(jù)分析，通過深入交流、討論和思考，認(rèn)識到熱傳遞是從一個(gè)熱源中心向四周各個(gè)方向逐漸擴(kuò)散的過程，并總結(jié)出熱傳遞過程中的共同特點(diǎn)：熱會(huì)從溫度較高的物體（或物體的一部分）傳遞到溫度較低的物體（或物體的另一部分），從而深刻理解了“熱量可以在物體內(nèi)和物體間傳遞”的概念。

以新技術(shù)助推科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究，可以讓學(xué)生更直觀、科學(xué)、準(zhǔn)確地感知熱在金屬中傳遞的方向，從而拓寬了學(xué)生的探索思路，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，使學(xué)生形成了對熱傳遞的變化和相關(guān)關(guān)系的新認(rèn)識，從而有效突破了教學(xué)重難點(diǎn)。

四、融入生活實(shí)踐，促進(jìn)知識遷移運(yùn)用

科學(xué)來源于生活，又服務(wù)于生活。小學(xué)科學(xué)課程與現(xiàn)實(shí)生活是緊密聯(lián)系的，教師要激發(fā)學(xué)生在生活中探究科學(xué)知識的興趣，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)利用簡單的生活素材制作科學(xué)探究工具，并在生活中探究實(shí)踐，鍛煉動(dòng)手操作能力，培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新能力，樹立愛科學(xué)、學(xué)科學(xué)、用科學(xué)的科學(xué)態(tài)度。

在“熱在金屬中的傳遞”的拓展部分，課本用一幅形象的手繪圖，拓展了學(xué)生對熱傳遞方式的認(rèn)識：圖片上，爐子內(nèi)因燃燒產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)至茶壺，通過熱輻射至男孩，通過熱對流至貓，充分詮釋了熱的三種傳遞方式。將課堂知識延伸到課后，教師要鼓勵(lì)學(xué)生帶著科學(xué)知識走出課堂，課后通過收集資料、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)等方式，認(rèn)識并熟悉生活中的熱傳遞方式。為此，教師可布置這樣的課外探究任務(wù)：尋找生活中熱傳遞的實(shí)例，寫成觀察日記；結(jié)合本課科學(xué)探究經(jīng)驗(yàn)，利用身邊簡單的生活素材制作科學(xué)探究工具，把科學(xué)探究方法及科學(xué)創(chuàng)新精神融入其中。

便捷、高效、符合實(shí)際教學(xué)的實(shí)驗(yàn)器材是學(xué)生順利完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的基本保證。小學(xué)科學(xué)課程借助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。科學(xué)教師應(yīng)該順應(yīng)新課程改革要求，積極參與科學(xué)實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)與創(chuàng)新，積極創(chuàng)設(shè)符合學(xué)生全面發(fā)展以及興趣愛好的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，帶領(lǐng)學(xué)生參與高效的科學(xué)探究活動(dòng)，進(jìn)一步提高小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

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注：本文系南寧市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度B類（自籌經(jīng)費(fèi)重點(diǎn)）課題“小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)與創(chuàng)新的實(shí)踐研究”（2021B068）的階段研究成果。

作者簡介：黃素飛（1986— ），廣西馬山人，一級教師，研究方向?yàn)樾W(xué)科學(xué)教學(xué)。

（責(zé)編 韋榕峰）