創(chuàng)新的“銅球的加熱和冷卻實(shí)驗(yàn)”設(shè)計(jì)

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(shí)驗(yàn)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(jì)具有實(shí)踐性及趣味性的實(shí)驗(yàn)相當(dāng)重要。

只有對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不斷地進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)教學(xué)才會(huì)充滿生機(jī)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(shí)驗(yàn)”為例，詳細(xì)闡述實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)就推斷所有固體具有熱脹冷縮的性質(zhì)是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模R、鉍、鎵就是典型的熱縮冷脹固體;

裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)的材料要求較高，不能簡(jiǎn)單將銅球換成同樣規(guī)格的鋁球或者鐵球，因?yàn)榻?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(shí)驗(yàn)相對(duì)枯燥，缺乏趣味性，不能長(zhǎng)時(shí)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(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改良，在讓效果更明顯的同時(shí)注重趣味性。

一、傳統(tǒng)意義上的改進(jìn)

在小學(xué)階段，實(shí)驗(yàn)材料和教師是制約開展實(shí)驗(yàn)操作的主要因素。

曾有一線教師使用游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器測(cè)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(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)裝置（如圖1）來驗(yàn)證固體的熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)酒精燈加熱時(shí)，金屬絲膨脹延伸，帶動(dòng)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(yàn)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(hào)轉(zhuǎn)化為更直觀的光學(xué)信號(hào)，使得實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)了以下的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2。

雖然該裝置有了一定的進(jìn)步，但是間隙的控制仍是一個(gè)需要解決的問題。間隙過大，易導(dǎo)致加熱時(shí)間過長(zhǎng)及實(shí)驗(yàn)失敗;間隙過小，金屬冷縮的時(shí)候金屬片之間無法有效分離，也導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(dòng)計(jì)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(tái)，提升師生的信息化水平。筆者認(rèn)為小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jī)版。第一步確保手機(jī)和電腦處于同一Wi-Fi下，開啟移動(dòng)授課，點(diǎn)擊右上方工具箱選擇攝像，固定手機(jī)后聚焦圖2裝置中的空隙部分。此時(shí)，希沃一體機(jī)上會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)放大幾百倍的空隙的圖像，加熱冷卻均有很明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

筆者將壓力傳感器引入實(shí)驗(yàn)（如圖3），固體受熱時(shí)體積膨脹，但因空間限制會(huì)擠壓傳感器，顯示屏上就會(huì)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(jiǎn)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(shí)為依據(jù)，建立在真實(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可視化程度，而且耗時(shí)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(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)材料和數(shù)據(jù)的增多使得實(shí)驗(yàn)更具可靠性，避免了以偏概全的問題。

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新源于對(duì)教材中實(shí)驗(yàn)的思考，源于更好地突破實(shí)驗(yàn)重難點(diǎn)，源于更好地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)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(gè)對(duì)實(shí)驗(yàn)有心的人，創(chuàng)新的靈感就會(huì)時(shí)不時(shí)地迸發(fā)。