基于實驗器材改進與創新的小學科學實驗教學策略

【摘要】本文針對小學科學實驗教學中實驗器材不能滿足實際教學需求的問題，以“熱在金屬中的傳遞”教學為例，從創設問題情境啟動猜測、經歷探究實踐發現新的探究問題、借助新技術創新實驗裝置、知識遷移應用等方面探討基于實驗器材改進與創新的小學科學實驗教學策略。

【關鍵詞】小學科學 實驗器材 改進與創新?實驗教學 熱在金屬中的傳遞

【中圖分類號】G62 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）10-0076-03

小學科學是一門以實驗和活動為基礎的綜合性學科，以培養學生科學素質為宗旨。實驗教學是小學科學教學的重要組成部分，也是落實學生科學核心素養培養要求、提高學生科學探究能力的重要內容。教師要主動利用科學實驗這一有效載體，全面提高學生的動手操作能力和創新能力，進而促進學生科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任等方面核心素養的發展。新課程改革后，小學科學教材中所安排的實驗內容和要求發生了很大的變化。教師們在教學中發現，原先標配的實驗器材受多種因素制約，時常不能滿足實際教學需求，從而影響了科學實驗教學的有效開展。部分小學科學教師缺少專業的培訓和學習，對課標理念領悟不高、對課程內容理解不一，導致科學實驗教學效率低下。《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《2022年版科學課標》）要求教師根據教學具體情況選擇合適的實驗器材，滿足學生的實驗需求，培養學生的實驗操作能力和創新能力。然而，合適的實驗教學器材并不是隨時配好、隨時供應的，需要教師基于實驗教學過程中實際出現的問題，對實驗器材進行改進、創新。2019年11月，教育部發布的《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》提出，鼓勵各地各校積極開展教學儀器設備適用性評價和研究，開展優秀自制器材評選，鼓勵教師自制實驗器材。該意見對教師開展實驗教學提出了較高的要求，要求教師除了具備扎實的專業知識，還須具備創新意識、創新精神和創新能力。也就是說，小學科學教師只有具備對實驗器材進行改進、創新的能力，才能切實改進實驗教學現狀，促進學生科學核心素養的發展。下面，筆者以教科版科學五年級下冊第四單元第4課“熱在金屬中的傳遞”教學為例，探討基于實驗器材改進與創新的小學科學實驗教學策略。

“熱在金屬中的傳遞”一課實驗的教學目標是，通過引導學生設計單一變量的實驗方案并展開相關實驗，在觀察和探究實驗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驗結果，總結出熱傳遞過程中的共同特點。基于此，教材實驗設計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，據此推測熱在金屬中是怎樣傳遞的。教師按照教材設計的實驗方案引導學生進行實驗探究，大部分學生都能清楚且直觀地看到蠟或感溫油墨受熱后會慢慢地往一定方向變化，學生根據這樣的實驗結果能初步推測熱傳遞的方向。然而，由表象總結出來的科學概念，學生對其理解比較抽象，實驗缺乏準確的數據支撐，導致學生不能深刻理解熱傳遞的過程，從而影響了學生在實驗探究過程中對相關科學概念的獲得，且影響學生科學思維的發展和嚴謹科學態度的形成。為了讓學生更科學地觀察熱在金屬中的傳遞過程，使實驗過程更規范、效果更明顯、結果更精準，也為了讓不同層次的學生科學素養都能得到發展，筆者認為，教師可以借助新技術對實驗方法或實驗器材進行改進，并將其運用于實驗教學的過程當中，切實提高科學實驗探究效果。

一、創設問題情境，啟動探究猜測

創設問題情境指的是在教學過程中，通過創設符合學生認知水平或學生熟悉的生活化問題場景吸引學生注意力，激發學生的好奇心和求知欲，使學生產生學習興趣。在教師引導下，學生基于問題大膽猜測，主動參與到交流互動過程中，最終通過自主、合作、探究的學習方法獲得問題的正確答案。

在“熱在金屬中的傳遞”課堂教學中，教師先用微視頻方式呈現了一個廚房燒菜的生活化場景，成功吸引了學生的注意力，激發了學生的學習興趣。接著，教師用多媒體動畫方式，再現了生活中金屬勺浸在熱湯中勺柄逐漸發熱的現象，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生，激發了學生強烈的好奇心和求知欲，學生敢于大膽猜測。

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：請根據你的猜測，把熱傳遞的方向用箭頭畫出來。

學生在教師的引導下畫出了熱在金屬中傳遞的方向。但是，這個猜測是否正確呢？學生興致高漲，迫不及待想要找出問題的答案。教師順勢進入實驗教學準備環節，將學生分成幾個實驗探究小組，各小組學生結合課本內容展開交流討論，制訂探究熱在金屬中傳遞的實驗方案，合作學習能力從中得到了培養。

二、經歷探究實踐，初步形成科學概念，發現新的探究問題

探究實踐主要指在了解和探索自然、獲得科學知識、解決科學問題以及技術與工程實踐過程中，形成的科學探究能力、技術與工程實踐能力和自主學習能力。探究實踐是小學科學實驗教學非常重要的環節，而實驗器材是確保探究實踐有效性的基礎和保障。學生在探究實踐過程中，依據實驗方案操作實驗器材，運用實驗器材進行科學探究活動，在活動中體驗遇到困難時的困惑和解決問題的喜悅，形成科學觀念，發展科學思維，同時培養問題意識、質疑能力和創新精神。

具體教學中，教師可讓學生實驗探究小組依照設計好的實驗方案進行“熱在金屬條中傳遞”的實驗探究：在一根金屬條表面均勻地涂上感溫油墨（遇高溫會改變顏色），將金屬條固定在鐵架臺上，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。通過該實驗，大部分實驗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，進而得出熱會從物體的一部分（溫度較高的一端）向另一部分（溫度較低的一端）傳遞的實驗結論。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候。

生2：熱還可能從一個物體傳遞到另一個物體，比如熱從酒精燈燈芯傳遞到金屬條。

師：實驗探究中，你們有什么發現或困惑？

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。

……

通過以上實驗探究，學生初步形成了科學概念，但教師根據學生實驗后反饋的情況發現，由表象總結出來的概念，學生并不能深刻理解，思維卡點依然存在，還需要進一步探索解決。

三、借助新技術創新實驗裝置，突破教學重難點

《2022年版科學課標》強調，實驗裝置的設計，應著眼于幫助教師向學生清楚演示抽象、難懂的科學概念，提供課堂集體觀察和演示實驗的材料。因此，教師需要在科學探究教學活動中創新實驗裝置，將科學概念化繁為簡、化抽象為具象、化隱為顯，為學生認識科學核心概念搭建“腳手架”，從而提高實驗教學的效率。此外，若能以新技術助推科學實驗探究，使實驗數據更科學、精準，不僅能更好地突破教學重難點，還能增進實驗探究的深度。

針對“熱在金屬條中傳遞”探究實驗中學生的發現或困惑，教師應抓住契機與學生進行思維碰撞，引導學生思考：如何創新實驗才能得到精準的數據，使探究實驗更嚴謹、科學呢？通過這一問題引領學生開啟科學“頭腦風暴”，展開激烈的實驗改進與創新探討活動，各實驗小組交流討論、集思廣益，得出了如下頁圖1所示的新點子。

實驗裝置的改進與創新不是隨意和盲目的，而是從現實問題出發，基于問題而進行的改進與創新。在改進與創新實驗裝置的過程中，教師鼓勵學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探究，感受創新的樂趣。教師對學生的創新點子進行分析及評價，進而整理出能解決問題且簡單易操作的實驗裝置，制作了如圖2所示的“熱傳導變色探溫器”，用以更加直觀、科學、準確地展現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點加熱，通過油墨顏色的改變過程來觀察熱傳遞的方向，同時用探針式溫度計測量金屬圓片邊緣不同位置A點、B點、C點的溫度變化，觀察屏幕上顯示的溫度數據變化情況。實驗裝置中的探針式溫度計會自動記錄和生成溫度變化數據，并上傳到手機或電腦供學生進行精準分析。

在實驗操作過程中，學生需要多次測量熱源在D點時，探針式溫度計分別測得的金屬圓片邊緣不同位置A點、B點、C點的溫度隨時間變化的情況，實際測量的監控曲線如圖3所示。學生分析多組測量數據發現，熱源位置在D點時，同樣的3分鐘時間內，探針式溫度計測得探溫點A、B、C三點的溫度都是逐漸升溫，B點的溫度升高的時間較短，A、C兩點的溫度升高的時間較長且監控曲線變化大致相同。學生根據溫度數據分析，通過深入交流、討論和思考，認識到熱傳遞是從一個熱源中心向四周各個方向逐漸擴散的過程，并總結出熱傳遞過程中的共同特點：熱會從溫度較高的物體（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“熱量可以在物體內和物體間傳遞”的概念。

以新技術助推科學實驗探究，可以讓學生更直觀、科學、準確地感知熱在金屬中傳遞的方向，從而拓寬了學生的探索思路，培養了學生的動手實踐能力，使學生形成了對熱傳遞的變化和相關關系的新認識，從而有效突破了教學重難點。

四、融入生活實踐，促進知識遷移運用

科學來源于生活，又服務于生活。小學科學課程與現實生活是緊密聯系的，教師要激發學生在生活中探究科學知識的興趣，引導學生學會利用簡單的生活素材制作科學探究工具，并在生活中探究實踐，鍛煉動手操作能力，培養科學創新能力，樹立愛科學、學科學、用科學的科學態度。

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，拓展了學生對熱傳遞方式的認識：圖片上，爐子內因燃燒產生的熱量通過熱傳導至茶壺，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，教師要鼓勵學生帶著科學知識走出課堂，課后通過收集資料、網絡學習等方式，認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：尋找生活中熱傳遞的實例，寫成觀察日記；結合本課科學探究經驗，利用身邊簡單的生活素材制作科學探究工具，把科學探究方法及科學創新精神融入其中。

便捷、高效、符合實際教學的實驗器材是學生順利完成科學實驗探究的基本保證。小學科學課程借助實驗教學，培養學生的動手操作能力和創新能力，發展學生的科學核心素養。科學教師應該順應新課程改革要求，積極參與科學實驗器材的改進與創新，積極創設符合學生全面發展以及興趣愛好的科學實驗，創新課堂實驗教學模式，帶領學生參與高效的科學探究活動，進一步提高小學科學實驗教學的質量。

參考文獻

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注：本文系南寧市教育科學“十四五”規劃2021年度B類（自籌經費重點）課題“小學科學實驗器材改進與創新的實踐研究”（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，研究方向為小學科學教學。

（責編 韋榕峰）