精準探究材料導熱性能

實驗原型及不足

教材中的“熱傳導”實驗方法是，在等徑同長的5種材料棒（木材、塑料、銅、鋁、鋼）的同一高度處用凡士林粘上塑料珠，將材料棒放入燒杯中，倒入開水觀察材料棒上的塑料珠是否掉落并記錄掉落時間（如圖1）。實驗中可以觀察到，3種金屬棒上的塑料珠先后掉落，2種非金屬棒上的塑料珠沒有脫落的現象，通過歸類建構“熱的良導體和不良導體”的概念。但是塑料珠在3種金屬棒上的掉落順序，偶爾會出現在鋁棒上的掉落時間接近甚至早于銅棒上的掉落時間。這一現象與銅導熱性能優于鋁這一常識是相矛盾的，一般地，室溫下純銅和純鋁的導熱系數分別為：401 W/（m·K）、228 W/（m·K）。

實驗分析

分析整個實驗過程，我認為出現這一現象的原因可能有：①實驗中，粘塑料珠的凡士林很難保持用量相同和涂抹一致；②各材料棒接觸熱水的時間有微小的先后差距；③以交叉方式放置在容器中的材料棒，由于角度的差別導致材料棒浸入熱水部分的長度并不相同，從而致使材料棒被加熱部分的大小有差別；④實驗中使用的金屬棒的純度對于其導熱性能影響比較大。

上述實驗中，生活中取材的金屬棒無法達到理想純度，在“凡士林數量”“加熱時長”“材料棒被加熱部分長度”三個因素的綜合作用下，出現了鋁棒上塑料珠脫落時間接近甚至快于銅棒上塑料珠的脫落時間。這樣的實驗現象雖然對于建構“熱的良導體和不良導體”的概念沒有干擾，但還是會給學生留下“鋁”的熱傳導性能優于“銅”的熱傳導性能的認識。

學生對物質的純度還沒有科學的認識，如果此時換用純度更高、現象更明顯的金屬材料重新進行探究，就會使他們剛建立起來的但尚不牢靠的認識變得更為脆弱。而且，這樣的改進相當于在一個對比實驗中又引入了一個學生不理解的新變量，使認知模式變得更復雜，造成學習的障礙。

在出現上述實驗現象后，教師不妨有效利用這一沖突，用新的方法和工具對實驗進行改進，有效控制無關變量，帶領學生再經歷一次金屬導熱性能的探究，讓他們模糊的認識逐漸變得清晰。五年級學生已經較熟練地掌握了多種測溫工具的使用方法，并基本習慣于用溫度描述物體的冷熱程度。基于此，我們對實驗進行了改進（如圖2）。

實驗器材

等徑同長的材料棒、500 mL大燒杯、探針式數顯溫度計、電子秒表、塑料吸管、泡沫塑料塊、熱水、干抹布等。

實驗改進

采用探針式數顯溫度計對金屬棒同一位置的溫度進行測量，用直接的數據替代間接的推測。

相對來說探針式數顯溫度計的尖端對溫度最敏感，實驗中要盡量保證尖端與被測量物體接觸。在材料棒的頂端套上一段合適的塑料吸管，能讓探針式數顯溫度計與材料棒有效接觸。此外，塑料吸管的使用能夠使探針式數顯溫度計處于直立狀態，有利于學生完成長時間的觀測任務；塑料管可以形成一個相對密閉的空間，使得材料棒頂端不易因周圍空氣流動而造成溫度擾動。

找一塊能夠覆蓋大燒杯口的泡沫塑料板，并在泡沫塑料板的中心等距地打上若干小孔，將實驗用的材料棒安裝進小孔中，并調整材料棒直至其底端平齊，保證所有材料棒幾乎同時接觸到熱水，從而做到材料被加熱的部分相同。實驗過程中手接觸的是泡沫塑料板，避免了因手觸摸材料棒造成對初始數據的干擾。另外，塑料泡沫作為燒杯的蓋子也能減小實驗過程中燒杯口冒出的熱氣對測溫點溫度的影響。

每隔30秒，學生進行一次溫度的觀測和記錄。借助圖表，對實驗中4分鐘內的數據進行加工、整理、分析。教師也可以利用自動化數據采集、記錄、處理等方式收集更多的數據并形成圖表（如圖3），便于學生從個別到一般地總結科學規律。

實驗優點

完成定性觀察到定量探究的轉變。利用數字化實驗手段，可促進探究活動由定性觀察向定量探究轉變，用數據代替現象提高了實驗的準確性，能夠使學生更好地認識物質及其變化規律。

形成認知資源的集約式投放。用材料棒頂端隨時間變化的溫度直接來比較材料的導熱性能，方法簡單直接，省略了借助現象推測材料上端溫度的轉換環節，降低探究活動中現象與結果之間關聯的復雜度。學生可以將更多的認知資源投入更有價值的數據加工、整理、分析等論證過程中。

實現隱性推理到顯性論證的轉換。將易受環境因素影響的實驗現象的觀察轉換成直接物理量的測量和描述，使原本現象與結果的隱性弱關聯，轉換成數據與結論的顯性強關聯。

增加了探究學習的延展性。因為熱傳導需要通過物質并經歷一定的時間才能顯著起效，所以對材料棒頂端的數據觀測采用的是單位時間內完成采樣次數的方法。采樣頻率的變化是否會帶來不同的結論呢？改變材料的長度對熱傳導的影響效率是怎樣的？能不能用這個裝置研究材料的散熱性能呢？這些問題都會由于這次探究學習的深入開展而產生。教師可以對實驗進行恰當的設計，合理分離研究的關鍵因素，設置合適的變量閾值，借助這套實驗器材及其相關組合進行這些真實問題的探究。

（作者單位：江蘇省無錫師范學校附屬小學）