讓實驗數據更真實

《水結冰了》一課希望學生通過觀察水結冰的實驗過程，知道當環境溫度低于零攝氏度，水的溫度下降到零攝氏度時，開始結冰，從液體狀態變成固體狀態，水在結冰過程中，要向周圍放出熱量。要想讓學生建構這樣的科學概念，必須引導他們通過嚴謹的科學實驗，采集、統計、分析實驗數據才能達成。

在教學中，我按照教材上的方法與步驟，指導學生展開實驗，采集到如下數據：

以上數據表明，大多數數據不能說明“純凈水在一個標準大氣壓，溫度在零攝氏度時開始結冰，結冰時的冰水混合物溫度保持在零攝氏度”。為什么會出現這樣的現象？

帶著這樣的疑問，我到網上尋找答案，發現許多老師在上此課時，都出現了這樣的現象，看來“如何讓水在零攝氏度結冰”還真是個普遍的問題。我們區的科學教師QQ群，以及武漢市科學教師QQ群對此問題展開了討論，很多老師分析了原因，提出了許多有價值的觀點，但這些觀點需要通過實驗來驗證。

我首先將懷疑的對象鎖定在溫度計上。現在小學實驗室采用的溫度計主要是煤油溫度計和水銀溫度計，我從實驗室各挑選三只看上去質量好點的溫度計，將它們放置在同一水槽中，測量水槽中的水溫，待溫度穩定后讀數，煤油溫度計的正負誤差有2～3攝氏度，水銀溫度計測量的效果稍好，但是由于水銀顏色較淺，易造成認讀誤差。通過實驗，我認為這兩種溫度計達不到測量水結冰溫度的精度要求。

于是，我到網上去尋找精度更高的溫度計。我找到一種探針式電子溫度計（見圖1），正負誤差為1攝氏度，而且認讀方便，不會因認讀錯誤造成二次誤差，但缺點是不太靈敏，不能反映即時溫度，只能基本達到實驗要求。后來，在其他老師的推薦下，我采用了精度更高、反應速度能即時顯示水溫細微變化的溫度傳感器（見圖2），完全能達到實驗要求。

另外，我將教材中的實驗裝置做了修改，用一個塑料量杯套住裹有毛巾的燒杯，做成一個簡易保溫杯（見圖3）。

然后，對于很多小組探測到溫度總是在零攝氏度以下水才結冰這種情況，經過反復實驗、分析以及查閱資料后，我首先排除了觀察誤差的問題。我認為出現這種情況有兩個原因：

1.在試管這樣一個小環境中，靠近試管底或壁的水和試管中間的水，受冷情況是不一樣的，而且水是熱的不良導體，又不能流動，所以試管中不同部位的水溫度是有細微差別的，溫度計的探測部位不同顯示的溫度不同，再加上其他因素的影響（如水質、水的一些固有特性），所以才會出現水總是在零攝氏度以下才結冰的情況。

2.在實驗過程中出現試管里的水已經零下7攝氏度了，仍然不結冰的情況，這時可以把試管拿出來，晃動一下，在極快的時間里水就會迅速結冰。我通過查閱資料知道，原來這是一種過冷水現象，是因為純凈水中缺少凝結核或其他原因，水在零攝氏度以下還保持著液態，這樣的水叫過冷水。

于是，我再次改進實驗，在水溫接近冰點時，不停攪動試管里的水，這樣可以使試管里的水流動起來，使試管里各個部分的水溫度達到一致，盡量避免出現過冷水現象。

經過這樣的實驗改動后，我又反復多次實驗，取得了滿意的實驗效果，實驗數據如下

但是，令人困惑的是，許多時候會出現這樣的現象：水的溫度下降到零攝氏度時仍然不結冰，直到溫度降到零下2攝氏度左右時，溫度突然迅速回升并且長時間穩定在零攝氏度（誤差0.1）時結冰，直到絕大部分水結冰，溫度才會緩慢下降。

這顯然與我們熟知的水溫下降到零攝氏度開始結冰還是有出入的，為什么會這樣呢？我是這樣思考的：此時純凈水還未形成結晶體，也就是凝結核，水仍然在向外釋放能量，所以溫度還會下降，一旦攪動水產生了結晶體（形成冰水混合物），水分子之間的結構會重組，結構重組時釋放與吸收能量會形成動態平衡，溫度會迅速回到零攝氏度，并且穩定在這個溫度上不變，直到完全結冰后才會下降。

所以，我認為“純凈水水溫下降到零攝氏度開始結冰”這種說法是有問題的，水結冰會有一個下降再回升到零攝氏度的過程，會稍稍滯后，所以應該去掉“開始”兩字，而“冰水混合物的溫度是零攝氏度”這個概念在實驗驗中得到印證。

通過投入大量的時間精力進行以上探究活動，使我對科學本質和科學課教學有了更多的認識：

1.在引導學生開展科學探究時，數據的采集應當盡可能使用精密的科學儀器，否則可能會對學生形成正確的科學概念產生不利影響。

2.實驗結果的可靠性應經得起重復檢驗，需要反復驗證。科學不是想當然，是建立在事實基礎上的，想當然的科學是偽科學。

3.水結冰的過程非常復雜，三年級學生完成這樣的探究活動有點勉為其難。

湖北省武漢市硚口區星火小學（430030）