運用創新教具教學《霜》

實驗教學是培養學生科學核心素養的重要途徑，創新教具的恰當使用，更能激發學生的興趣，促進他們觀察能力和思維能力的提升。在開展“霜”的形成教學中，教師結合課堂出現的問題，創新設計了“霜”的形成模擬實驗教具，真實還原自然現象，解釋了霜的本質，使學生養成善于觀察、善于探索的科學態度，促使其深度學習。

一、解讀教材明需求

在開展教學活動之前，教師要依據課程標準，精心制訂課程教學目標。正確的教學目標不僅為教學設計提供了方向，確保教學活動的科學性和有效性，促進對學生學科核心素養和關鍵能力的培養，而且是評價教學效果的基本標準和重要依據。創新教具的使用應以與教學目標相契合為基礎，而非單純地追求新穎性和獨特性。其根本目的是服務于教學目標，確保能夠有效支持學生的學習和科學素養的提升。教師基于課程標準學習、教材解讀及學情分析，制訂了教學目標（見表1）。

二、試用原型找問題

教師要善于從教材的原型實驗中發現問題，利用教材中的原型實驗進行教學，及時關注課堂，了解學生的課堂反饋，基于教學目標來評價他們的學習效果。當課堂實驗教學中出現教學目標未達成的情況時，教師要及時反思，找出真正原因。若是由實驗教具導致的，應先用原型教具進行多次實驗，找出原型教具存在的問題，分析弊端。

該課由自然界中的霜現象導入，研究問題為霜是如何形成的。學生調動前概念做出兩種推測：霜的形成是水蒸氣在溫度降低后先變成水，再結成冰的過程；霜的形成是水蒸氣在0 ℃以下的環境中直接變成冰的過程。隨后學生嘗試設計實驗來證明，經探討，他們明確實驗需要制造一個冷的環境（0 ℃以下）。

教學片段

師：你們怎么尋找證據來證明自己的猜測？

生：拿一片葉子，把葉子放到空調房里，看葉子上會不會出現霜。

生：空調的溫度能到零度以下嗎？

生：可以把葉子直接放到冰箱冷凍區，這樣溫度就能到零度以下了。

生：還可以把葉子放在冰塊上面。

師：你們想用空調、冰箱和冰塊的目的是什么？

生：讓溫度降下來。

（教師出示教材中“霜”的實驗操作方法：將杯子墊在一塊濕抹布上，杯子里面放入碎冰和冷水，在冰水中加鹽，用溫度計測量冰水的溫度，并觀察杯子外壁的現象。實驗要求：小組合作觀察，記錄并分析實驗現象，總結霜的成因。）

師：根據實驗，你們觀察到了什么？

生：我看到杯子外壁上慢慢出現了白色的冰。

生：杯子的上面還有水珠。

師：誰抓到了杯子上出現冰時的溫度？

生：好像是在零度以下。

師：確定嗎？

生：我不確定，當時只顧著看杯壁了。

師：根據你們觀察的現象，你們能總結出霜是怎樣形成的嗎？

生：我覺得霜是空氣中的水蒸氣碰到了冷的杯子，然后變成了水，再結成了冰。

師：你為什么這么解釋？

生：之前學過水蒸氣遇冷會變成小水珠，而杯子上也出現了水珠，下面的冰也是像水珠一樣的球形，所以我認為霜是水蒸氣先變成水珠，再結成冰的。

課后對學生進行學習效果調查和分析，依據常規實驗教學現象及教學效果反饋，教師發現了以下問題。

概念本質未達成。從對霜的形成概念總結可以看出，學生仍然認為霜是水蒸氣先變成水珠，再變成小冰晶的。通過實驗教學未能成功糾正他們的錯誤概念，即概念本質未達成。

實驗數據不嚴謹。溫度區間以及下降速度是霜形成的關鍵條件。首先，原型實驗中溫度計測量的是杯中冰水的溫度，而霜卻是在杯子外壁上形成的，測量的對象變了，因此溫度值不夠嚴謹。其次，冰水中加鹽后，溫度下降的速度是非常快的，學生在忙于觀察杯壁上是否有霜出現時，很容易就忽略剛開始結霜的溫度值，這對總結霜的形成溫度區間也有影響。

現象不夠明顯。在教師預演實驗和課堂實驗中都出現了這樣的現象：在杯內水平線以上部分，由于杯壁上的溫度不夠低，出現了水珠，因此對學生分析現象產生了干擾，讓他們將此作為依據總結出錯誤的概念。

三、初創教具試使用

針對所發現的問題，教師可聯系生活中的物品并采用新科學技術等，嘗試設計一些新的方案。根據教具安全性、實用性、可持續、適應性、互動性和可拓展性等原則，教師自主篩選合適的材料制作教具，選擇合適的方案建構模型將模型實物化。在使用創新教具教學前，教師仍需進行實驗預演，分析其投入教學研究的可行性。再用可行的創新教具嘗試教學，依據教學目標和學生的學習成果反饋，繼續測評創新教具的可行性。觀察學生在課堂上使用該教具時的互動和參與度，評估其吸引力和實用價值。

根據該課教學中出現的三個問題，教師初步進行霜的教具創新。原型教具容易出現水珠是因為冰水加鹽后降溫的情況不夠穩定，那么新教具應該選擇能持續且均勻降溫的材料。學生的實驗設計方案中提到使用冰箱降低溫度，沿著這個思路需要了解冰箱的制冷原理，通過對小型冰箱制冷原理的研究發現：半導體制冷片是一種由半導體組成的冷卻裝置，當電流通過由N型半導體材料和P型半導體材料組成的熱電偶對時，兩端之間就會產生熱量轉移，熱量就會從一端轉移到另一端，從而產生溫差形成冷熱端。教師可以利用這個材料嘗試營造降溫環境，但能不能降低到0 ℃以下還未知。因此教師先初步建構教具1.0版本（如圖1左），通過風扇對制冷片散熱，使接觸冷端的金屬塊降溫，發現金屬塊上只能出現小水珠，說明溫度降低得還不夠。教師繼續研究，發現風扇散熱原理是利用空氣循環，而空氣的比熱較低，散熱效果不佳，相比之下，水的比熱就大得多，改用水對制冷片進行散熱，實驗成功了，空氣中的水蒸氣能夠直接凝華成“霜”（如圖1右）。教師隨后使用2.0版本的教具進行教學。

教學片段

師：同學們，請描述你觀察到的實驗現象。

生：打開開關后，我的眼睛一直盯著這個銀色的金屬塊，過了一會后，我看到在它的表面出現了一些白色的、毛茸茸的碎冰，時間越久，上面的冰也越來越多。

師：在這個過程中，你們有看到水珠出現嗎？

生：我沒有看到水珠。因為水珠是透明的，金屬塊上沒有出現透明的小水珠，直接出現的就是白色的冰。

師：現在你能解釋霜是怎么形成的嗎？

生：霜是空氣中的水蒸氣直接變成冰的。

使用教具2.0版本進行初步教學，仍然出現了問題：雖然多數學生根據現象能總結出霜是由水蒸氣直接變成小冰晶的，但是凝華的溫度并未解決，實驗裝置仍需調整改進。

四、不斷迭代尋優化

如果創新教具在課堂教學中仍不能達成教學目標，教師則需要根據測評結果，對不合理的結構或材料再次進行調整改進，直至教具能夠憑借簡單的操作、直觀的現象和準確的數據來幫助學生達成教學目標。針對課堂中出現的問題，教師再次對教具進行了改進。

第一次改進：引入溫度傳感器。實驗室中的非接觸式溫度傳感器利用紅外線測量金屬塊溫度，電腦程序實時顯示數據。用這樣的裝置預演實驗，發現結果并不理想：由于探頭定位不穩定，測量的數據反而更不準確。

第二次改進：將溫度傳感器更換成接觸式電子溫度計（如圖2左），探頭與金屬塊接觸，直接測量溫度，最終出現了正確的數據。

使用現階段的教具再次進行教學發現：學生根據實驗現象能夠總結“水蒸氣直接變成冰晶”的結論，但由于霜的顏色和金屬塊的顏色太接近，他們難以捕捉到剛出現霜時的溫度，仍然無法總結出結霜的溫度區間。

第三次改進：用黑色的金屬塊替換銀色金屬塊，與霜的顏色形成反差，加強觀察效果，最終優化并完善了教具（如圖2右），使用時還可以借助平板拍攝整個過程形成視頻，再逐幀回放幫助觀察。

霜的形成模擬教具4.0版本操作流程如下：

第一步，在盒子內倒入冰水（幫助制冷片散熱，增強制冷效果），將平板電腦打開視頻模式，調整畫面以便拍攝到完整的黑色金屬塊和電子溫度計；

第二步，打開教具下側的開關，耐心觀察黑色金屬塊上的現象及變化過程，兩分鐘后，先用平板電腦拍攝金屬塊上的特寫照片，再關閉電源；

第三步，結合視頻回放記錄剛出現“霜”時的溫度、時間以及畫出“霜”所在的位置，思考：是否結“霜”？結“霜”的溫度是多少？結“霜”前是否會出現水珠？

圖3左是教具上最終形成“霜”的狀態，與圖3右自然界中的霜對比可以看出，創新后的教具實驗現象更貼合自然狀態，學生能用“毛茸茸的、刺刺的、尖尖的”來描述。表2是各小組觀察記錄的金屬塊上剛出現“霜”時的溫度、時間以及金屬塊的初始溫度。

綜合全班的數據可以看出，每組剛出現“霜”的溫度都在0 ℃以下，因此可以總結出結霜的溫度區間是0 ℃以下。再看時間，各組金屬塊上的溫度從室溫（23.6 ℃）下降到零度左右所用的時間都在50 s內，可以總結出溫度急劇下降的條件。學生將獲得的所有證據進行分析，深入思考后歸納出了霜的形成過程是：氣溫急劇下降到0 ℃以下后，水蒸氣在物體表面直接變成冰晶。

數據顯示，利用原型實驗教具教學后全班沒有學生能根據觀察的現象完整總結霜的形成概念，而使用創新實驗教具教學后，學生對霜的形成解釋正確率明顯提高，大多數學生都能完整地解釋，只有極小部分的學生存在困難。由此可見，使用創新教具能夠完成教學目標，突破教學重難點，發展科學思維，提高教學效果。

[課題1：全國教育科學規劃2021年度一般課題“基于中國農業科技史的中小學科學課程開發研究——教育重演論再認識”，編號：BHA210154。課題2：南京市教育科學“十四五”規劃2022年度課題“城鄉結合部支持教師持續性專業發展的‘項目化學習’研訓實踐研究”，編號：L/2022/029]

（作者單位：彭容莉，江蘇省南京市棲霞區中電頤和家園小學；高偉，江蘇省南京市棲霞區教師發展中心）

參考文獻

[1]江海榮.工程視域下的科學實驗改進——以“聲音在不同介質中的傳播”自制演示裝置為例[J].實驗教學與儀器，2024（02）.

[2]盛佳穎.擇點而思：小學科學思維能力的培養策略[J].教學月刊小學版（綜合），2024（Z2）.