創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng) 發(fā)展科學(xué)思維

【摘" "要】在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，通過創(chuàng)新科學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加可視，從而幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維的進(jìn)階，發(fā)展科學(xué)核心素養(yǎng)。在教科版《科學(xué)》五年級下冊《熱在水中的傳遞》一課的教學(xué)中，若采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，會(huì)由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化過快而無法長時(shí)間反復(fù)地進(jìn)行觀察。為此，可對實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行改進(jìn)，并基于此優(yōu)化實(shí)驗(yàn)流程，讓學(xué)生精準(zhǔn)施策、仔細(xì)觀察，順利從水流動(dòng)的軌跡上推斷出熱在水中的傳遞方式，從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，達(dá)成育人目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新；熱對流

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為小學(xué)科學(xué)教學(xué)的重要組成部分，是學(xué)生建構(gòu)科學(xué)概念、發(fā)展核心素養(yǎng)的重要載體，直接影響學(xué)生對科學(xué)的認(rèn)知以及對學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。在小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)中，通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新，可以讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加可視，從而推動(dòng)學(xué)生的思維向更深處發(fā)展，實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維的進(jìn)階。教科版《科學(xué)》五年級下冊《熱在水中的傳遞》一課主要讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)操作觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而推斷出熱在水中的傳遞方式。試以這一課為例，探討如何通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，培育科學(xué)核心素養(yǎng)。

一、結(jié)合教學(xué)現(xiàn)狀，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

熱傳遞主要有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種方式。在前一課《熱在金屬中的傳遞》中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了熱傳導(dǎo)概念。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生需要通過《熱在水中的傳遞》一課的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步建立熱對流概念，并明晰無論哪種傳熱方式，熱量都是從溫度高的地方傳向溫度低的地方。只是熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在固體中，只要物體內(nèi)部或物體之間存在溫度差即可，而熱對流只能發(fā)生在流體（液體和氣體）中，其產(chǎn)生的前提是流體各部分之間由于冷熱不均而在宏觀上發(fā)生了相對位移。

《熱在水中的傳遞》一課的核心問題是“熱在水中是如何傳遞的”。圍繞這一問題，教材設(shè)置了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)①是加熱試管中的水，水中加入了感溫粉末，據(jù)此觀察水的流動(dòng)及顏色變化。實(shí)驗(yàn)②是加熱燒杯中的水，水中加入了紅墨水，據(jù)此觀察水的流動(dòng)及顏色變化。但通過教學(xué)實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)存在兩個(gè)較為突出的問題。

其一，感溫粉末顏色變化快，學(xué)生難以建構(gòu)成像。實(shí)驗(yàn)①中，在用酒精燈給試管加熱時(shí)，融入感溫粉末的水會(huì)因?yàn)槭軣嶙儞Q顏色。隨著熱量在水中的傳遞，試管中水的顏色也處于動(dòng)態(tài)變化之中，直到整個(gè)試管中的水都變了顏色。這一過程持續(xù)的時(shí)間不足10秒。由于變化太快，學(xué)生來不及仔細(xì)思考和觀察，未能在腦海中對水的運(yùn)動(dòng)軌跡形成準(zhǔn)確的形象記憶，因而在用箭頭表示熱傳遞的方向時(shí)，出現(xiàn)試管內(nèi)外側(cè)箭頭畫反的情況，當(dāng)然也就無法準(zhǔn)確描述出熱量在試管中是如何傳遞的，甚至在小組之間還存在記憶描述的沖突。

其二，現(xiàn)象不可逆，無法形成閉環(huán)。實(shí)驗(yàn)①中，變了顏色的感溫粉末短時(shí)間內(nèi)不可再用。實(shí)驗(yàn)②中，紅墨水本身就易于在水中擴(kuò)散，即使實(shí)驗(yàn)操作準(zhǔn)確，加熱后，整杯水也很快就會(huì)變成紅色溶液，學(xué)生觀察時(shí)很難做到面面俱到。再者，不同學(xué)生思考和觀察的方式也存在差異，一旦思維發(fā)生碰撞，短時(shí)間內(nèi)無法通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)或者反復(fù)觀察來解惑，從而導(dǎo)致科學(xué)概念的建構(gòu)無法形成閉環(huán)。

針對上述問題，教師可從提高實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視度入手改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，使學(xué)生能通過探究實(shí)踐自主感知熱對流，進(jìn)而建構(gòu)科學(xué)概念，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

二、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)

實(shí)驗(yàn)材料是學(xué)生開展探究實(shí)踐活動(dòng)的基礎(chǔ)，是保障科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)有效性的根本。針對教材中兩個(gè)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)存在的問題，教師在設(shè)計(jì)本課的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)時(shí)，選擇保留實(shí)驗(yàn)①，用以引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，讓學(xué)生明白優(yōu)化實(shí)驗(yàn)材料的重要性。同時(shí)，在充分利用已有實(shí)驗(yàn)器材的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)②的材料作了一定的改進(jìn)，從而幫助學(xué)生扎實(shí)地落實(shí)實(shí)驗(yàn)操作的流程和方法，在實(shí)踐探究中解決科學(xué)問題，獲得知識(shí)，提高探究能力。具體而言，教師主要從以下兩個(gè)方面對實(shí)驗(yàn)②的材料進(jìn)行改進(jìn)。

（一）讓觀察時(shí)間可持續(xù)，顏色變化可循環(huán)

為了讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加可視，教師將原實(shí)驗(yàn)中的色素材料改為PA12黃色尼龍小顆粒。PA12黃色尼龍小顆粒不溶于水，且密度為1.02 g/cm3，與水接近。實(shí)驗(yàn)前，教師先往水中加入一些稀釋過的洗手液，破壞水的張力，使PA12黃色尼龍小顆?？梢栽谒袘腋?，并均勻分布。這樣操作之后，透明的水就變得可視，水加熱之后的對流現(xiàn)象也非常明顯。學(xué)生得以長時(shí)間地反復(fù)觀察，且能在與同伴探討規(guī)律出現(xiàn)思維碰撞時(shí)，及時(shí)地再次進(jìn)行觀察、討論，直至在腦海中建構(gòu)成像。這很好地解決了感溫粉末顏色變化快以及紅墨水容易在水中擴(kuò)散的不足。

教學(xué)時(shí)，教師可以把學(xué)生分成兩組。一組學(xué)生在燒杯底部的中間加熱，他們能直觀地看到加熱點(diǎn)處的尼龍顆粒受熱之后馬上向上方運(yùn)動(dòng)，上方的尼龍顆粒則向兩側(cè)的下方運(yùn)動(dòng)，循環(huán)往復(fù)，形成兩個(gè)大的循環(huán)圈。另一組學(xué)生在燒杯底部的一側(cè)加熱，他們能看到尼龍顆粒受熱之后向上方運(yùn)動(dòng)，同時(shí)上方的尼龍顆粒也向下方運(yùn)動(dòng)，由此形成一個(gè)大的循環(huán)圈。通過直觀的現(xiàn)象，學(xué)生很容易用畫箭頭的方式畫出尼龍顆粒受熱后的運(yùn)動(dòng)軌跡。兩組學(xué)生也可通過互相觀察和研討，發(fā)現(xiàn)雖然加熱點(diǎn)不同，但尼龍顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡是相似的，即加熱時(shí)，底部熱水上升，上方冷水下降，冷熱水相對流動(dòng)，循環(huán)往復(fù)，完成了熱量的傳遞。

（二）讓酒精燈外焰不受空氣流動(dòng)影響，加熱點(diǎn)更加精準(zhǔn)

在用酒精燈加熱燒杯中的水時(shí)，若加熱點(diǎn)不準(zhǔn)確，會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)效果。為此，教師先在燒杯底部中間的位置畫一個(gè)圈，讓學(xué)生對準(zhǔn)此位置擺放酒精燈，幫助他們準(zhǔn)確定位加熱點(diǎn)。再設(shè)計(jì)一個(gè)透明的圍欄，將其放到酒精燈的周圍，避免因?qū)W生說話或者走動(dòng)引起空氣流動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致酒精燈火焰出現(xiàn)閃動(dòng)，加熱點(diǎn)位置發(fā)生偏移。如此操作，能夠使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲，為解決核心問題提供更有利、更直接的證據(jù)。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)材料更易于操作，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯、實(shí)驗(yàn)記錄更加簡單，時(shí)刻提醒學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。總的來說，PA12黃色尼龍小顆粒給學(xué)生帶來視覺的沖擊，讓學(xué)生可以長時(shí)間反復(fù)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為學(xué)生的科學(xué)推斷提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。圍欄則使實(shí)驗(yàn)操作更加精準(zhǔn)，助力實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的成功展現(xiàn)，進(jìn)而提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

三、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)流程，開展教學(xué)實(shí)踐

教學(xué)中，教師應(yīng)為學(xué)生指明解決問題的方向，幫助學(xué)生找到解決問題合適的方法，并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)流程，通過一系列實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的好奇心、想象力和探求欲，讓他們在參與實(shí)驗(yàn)探究的過程中獲得科學(xué)知識(shí)、掌握科學(xué)方法、解決科學(xué)問題，從而在知識(shí)上形成閉環(huán)，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)。具體而言，可按如下流程展開教學(xué)。

課始，教師給學(xué)生播放了一個(gè)有趣的科學(xué)小視頻：給一個(gè)養(yǎng)了小金魚的燒瓶的瓶口加熱。并提問：“你猜猜燒瓶底部的小金魚會(huì)如何？”以此引入教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)探究熱在水中的傳遞方式的積極性。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生躍躍欲試，積極對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，并用畫箭頭的方式表示出自己的猜測。隨后，教師陸續(xù)開展多次實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)（如表1），引導(dǎo)學(xué)生驗(yàn)證自己的猜測，并在探究過程中理順沖突，達(dá)成共識(shí)，完成思維的進(jìn)階。

教師首先帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)踐教材中的實(shí)驗(yàn)①，通過在水中加入感溫粉末，然后加熱試管中的水，讓學(xué)生觀察水的流動(dòng)及感溫粉末的顏色變化，完成第一層級的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)踐過程中，由于感溫粉末的顏色變化很快，不同學(xué)生對粉末顏色變化和運(yùn)動(dòng)軌跡的描述會(huì)產(chǎn)生沖突。于是，教師適時(shí)地利用學(xué)生的這種認(rèn)知沖突提問：“如何改進(jìn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，既能讓我們看到熱在水中傳遞的現(xiàn)象，又能讓我們對這一現(xiàn)象進(jìn)行反復(fù)觀察？”以此激發(fā)學(xué)生的求知欲望，促使學(xué)生主動(dòng)探究第二層級和第三層級的實(shí)驗(yàn)。在第二層級的實(shí)驗(yàn)中，教師將實(shí)驗(yàn)材料改為PA12黃色尼龍小顆粒，然后把學(xué)生分成兩個(gè)大組，一組在燒杯底部的中間加熱，一組在燒杯底部的一側(cè)加熱，讓學(xué)生通過觀察現(xiàn)象，用箭頭畫出本組實(shí)驗(yàn)中尼龍顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。接著，在第三層級的實(shí)驗(yàn)中，讓兩組交換觀察，并展開小組交流研討和課堂研討，通過對比兩組所畫的尼龍顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，找出它們的共同之處。然而，受第一層級實(shí)驗(yàn)的影響，學(xué)生腦海中對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的認(rèn)知依舊是模糊的。據(jù)此，教師展開第四層級的實(shí)驗(yàn)，播放PA12黃色尼龍小顆粒在試管中加熱的視頻，引導(dǎo)學(xué)生將其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與在第二、三層級的實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象展開對比，從中找出規(guī)律，推斷出熱在水中的傳遞方式——熱對流，解決本課的核心知識(shí)。由此，通過多層級的任務(wù)驅(qū)動(dòng)，使學(xué)生從被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)思考和解決問題。同時(shí)，利用師生對實(shí)驗(yàn)的研討和改進(jìn)，提升學(xué)生思維的主動(dòng)性和建構(gòu)知識(shí)的系統(tǒng)性。

整個(gè)教學(xué)過程，教師利用多種實(shí)驗(yàn)和教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生探究熱在水中的傳遞方式。先根據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的各種問題，如實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象過快、同學(xué)間的認(rèn)知沖突、無法長時(shí)間反復(fù)觀察等，明確實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方向——優(yōu)化實(shí)驗(yàn)材料。然后引導(dǎo)學(xué)生基于此尋找資料，思考解決辦法。在這樣的探究過程中，學(xué)生親身經(jīng)歷“動(dòng)腦想辦法，動(dòng)手求真知”的過程，直觀感受到科學(xué)現(xiàn)象背后的奧秘，從而將抽象的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體可感的經(jīng)驗(yàn)，深入理解了熱對流的基本原理。由此，學(xué)生不僅養(yǎng)成了以目標(biāo)為導(dǎo)向的行為習(xí)慣，還學(xué)會(huì)了提問、假設(shè)、實(shí)驗(yàn)、分析和結(jié)論等探究方法，提高了觀察力和探究能力，全面錘煉了科學(xué)核心素養(yǎng)。

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