“观察金属热传导”实验教学的教具改进

王朝君 范晓芸 叶超 浦明越 张旭梅

教学实践证明，实验教具的好坏直接关系到实验活动的成功与失败、实验教学的质量。小学科学教师可以结合教学需要，针对现有教具的不足，从实验教具方面进行积极探索改进，从而提升科学课堂实验教学的效率，帮助学生更加有效地掌握基础知识、基本方法和技能，发展科学素养。本文以“传热比赛”实验为研究对象，基于实验改进的原则，对教材中现有实验教具的不足进行分析，运用温度传感器示数可视化，直观反映金属热传导速率的特征，创新地改进“观察金属热传导”的教具，以期为小学科学教师的教学和相关学者的研究提供一些借鉴。

2017年国家颁布的《义务教育小学科学课程标准》（以下简称《课标》），规定了小学科学的主要宗旨和目标是培养学生的科学素养，而开展实验探究活动是学生学习科学的主要途径。科学概念及规律的形成离不开科学实验，它不仅能激发学生学习科学的兴趣，而且能够有效培养学生的观察能力、动手操作能力、探究能力以及创新能力。开展科学探究需要完备的探究器材，即教具。在本文中，笔者将在理解《课标》的基础上，以“观察金属热传导”实验为例，对现有实验教具的不足进行分析，并对其进行改进创新。

一、教学现状分析

（一）教材教具分析

“观察金属热传导”实验选自教科版科学五年级下册二单元“热”中的第七课《传热比赛》。教材中设计的实验是将火柴梗的一端用蜡或凡士林，按一定的间距依次粘在一根条形金属丝上，在金属丝的一端用酒精灯加热。观察现象：火柴从接近火焰的一端向远处依次跌落，從而得出“热可以沿着某些物体从温度较高的部分向温度较低的部分传递”的结论;比较不同金属条上相同位置的火柴跌落顺序，从而判断不同金属热传导速度的快慢。

此实验教具利用观察火柴掉落得到实验结论，可使实验现象更加明显，但该实验仍存在一些不足之处。

无关变量方面：让学生使用蜡或凡士林粘连火柴这一步骤，使用蜡或凡士林用量的公平性这个无关变量的影响难以控制，因而会对实验结果的准确性造成影响。

实验安全方面：在实验过程中，学生需要使用酒精灯供热，以加热金属丝的另一端，使用明火易对学生的安全造成威胁;而蜡熔化以后，掉到桌上，会污染课桌，掉到手上，也会造成安全隐患。

实验效率方面：实验过程中使用酒精灯加热，其加热速度慢，会降低实验效率;而观察到的实验现象只有几个点的变化，并不能完整地看清楚“几个点之外”的过程，实验只停留在定性研究上，无法转为定量研究，降低了实验效率。

（二）研究现状分析

针对此教具的不足，笔者查阅文献及相关资料发现，现已出现了一些经过改良后的教具。

1.材料方面的改进

中国专利公开的金属热传导演示教具（授权公告号CN201229687Y），创新运用了发光二极管、低电压加热器、蝉鸣器、音乐盒四种材料。学生在实验时可根据音乐的不同、二极管发光的先后顺序或是蜂鸣器叫声的先后，判断不同金属材料热传导的快慢;采用低电压加热器代替酒精灯供热，使金属导电棒迅速导热，安全可靠。该教具的优势在于，实验现象明显，实验效率有所提高;不足在于，教具结构复杂，制作成本高，会对学校造成较大的经济压力。

中国专利公开的一种金属热传导教具（授权公告号CN202473033U），创新应用了温变油墨，金属棒或者金属片的外表面涂覆有温变油墨，用发热源对其进行加热，温变油墨即会变色，从而体现金属的热传导。该教具的优势在于，教具结构简单，制作成本较低，方便移动;不足在于，无法避免使用酒精灯所带来的安全隐患及加热速度慢的问题，且无法将实验从定性研究转变为定量研究。

中国专利公开的一种用于观察热传导的实验教具（授权公告号CN203026018U），创新应用了热敏材料与导热丝。将导热丝固定于加热装置正上方，当导热丝受热温度出现变化后，热敏材料可通过感应温度变化来反映导热丝的温度变化，进而判断不同金属材料的热传导性能。该教具优势在于，安装简便且实验现象明显;不足在于，无法避免使用酒精灯所带来的安全隐患及加热速度慢的问题，也无法将实验从定性研究转变为定量研究。

2.原理方面的改进

中国专利公开的一种用于观察热传导的实验教具（授权公告号CN206649793U），该教具的金属棒表面包裹有蜡，当金属棒的一端被加热时，学生可观察到金属条上的蜡沿着加热点逐渐融化，从而得出“热是从温度较高的部分向温度较低的部分传递的”结论。金属条下方设置有滚筒，蜡融化后会滴落到滚筒上的记录纸上。在蜡沿着一个方向逐渐滴落时，滚筒匀速转动，从而记录纸上出现蜡滴形成的斜线，该斜线的斜率便是热传导速率。该教具优势在于，不仅能使学生定性地观察到热传导现象，还能定量地记录下热传导的速率;不足在于，小学生尚未掌握计算斜线斜率的数学知识，反而增加了实验的复杂性。

综上所述，可知“观察金属热传导”实验教具在现阶段实验教学应用中仍存在不足：譬如，对无关变量的控制、对实验安全的把控、对实验效率的控制等，而当下笔者研究的主要改进方面为严控实验安全，以及将抽象的实验“变热”现象转化为观察具体事物的变化。同时会兼顾小学时期的探究实验，应在考虑教学条件和学生现阶段接受能力的情况下，加以开展，以提高学生观察能力和实践探究能力，进一步启发学生的思维能力。因此，对教具的创新在材料和操作步骤上应是越简单越好。

二、实验装置改进

基于以上分析和教材原有实验教具的不足，笔者将实验装置进行了如下改进。

（一）改进思路

笔者设计的教具包括实验平台、加热装置、固定装置、金属棒、感温纸、温度传感器。通过运用提热速度快的PTC低电压加热片代替原来的明火加热源，既可提高实验效率，也可减少安全隐患;通过在固定装置上夹装金属棒，并在金属棒的外表面包裹一层自制的感温变色纸，在金属棒未加热的一端连接温度传感器，使得热传导可以通过颜色变化和数值变化来体现，使得实验结果较为直观，并且降低了实验制作成本;通过温度传感器的示数变化反映金属热传导的速率，记录相同时间内温度的变化，进而计算出不同金属的热传导速率，以达到将实验从定性研究转变为定量研究的目的。

（二）实验装置介绍及使用方法

笔者主要采用更换材料的方法完成整个装置的改进。改进后的实验教具结构如图1所示。

图中零部件、部位及编号：温度传感器1.金属棒（包裹一层感温变色纸）;2.金属棒固定件;3.PTC低电压加热片;4.固定装置;5.实验平台;6.电源适配器带开关7。

改进后的实验教具实物图如图2所示：

实验教具中所述固定装置安放于实验平台上，温度传感器安置于实验台后侧长方形挡板上，与金属棒的未加热一端连接，所述加热装置固定于固定装置中。

作为优选，其感温变色纸是感温变色粉末与甲胶油混合涂在纸上制作而成。市面上的感温变色纸价格普遍较高，这样可降低制作成本。

所述固定装置上固定有金属棒固定件，金属棒固定件上开有三个可以插入金属棒的固定孔。金属固定件下方固定加热装置，加热源加热后，多根金属棒上的包裹的感温变色纸可以一起变色。

所述加热装置选用加热速率快的PTC低电压加热片和电源适配器。将加热片与合适功率的带开关的电源适配器连接，接上电源，打开开关后加热装置开始工作，为金属棒一端加热。

温度传感器选用的是可显示数值的传感器，在加热时，可直观看到温度的变化，比较不同材料的热传导速率。

利用圖2的装置，可达到“观察金属热传导”的目的。具体操作步骤（可扫文末二维码观看演示视频）如下。

——读出温度传感器上的初始示数记录于记录单中（如表1）。

——打开电源开关，通过PTC低电压加热片给金属棒的一端加热，一段时间后，金属棒上的感温变色纸从加热端向未加热端开始变色，同时连接在金属棒未加热端的温度传感器的示数不断上升。

——等待6分钟，关闭电源。

——读出温度传感器上的示数并记录在记录单中（如表1）。

——计算传递速率、分析和比较数据的大小，比较不同材料金属的热传导性能。

——实验完毕后收好器材，以待下次使用。

利用图2的装置完成实验，可得到的实验结论如下：

热可以沿某些物体从温度较高的部分传向温度较低的部分。

铜、铁、铝三种材料的热传导性能各不相同，铜的热传导性能最好，其次是铝，最后是铁。

（三）注意事项

——应注意温度传感器与金属棒的连接是否有效，连接的位置是否相同。

——在打开电源开关前要读出初始温度。

——再次使用时要确保前次实验的余温已降下。

三、实验装置的创新点及优点

（一）提高实验效率

笔者采取更换加热源的方式，利用PTC低电压加热片代替原有的酒精灯，PTC低电压加热片具有提热速度快的特点，可在很大程度上减少加热时间，提高实验效率。

（二）消除安全隐患

笔者用感温变色纸反应金属热传导方向，以及运用PTC低电压加热板代替明火加热源，消除蜡与明火所带来的安全隐患。

（三）减少制作成本

笔者采用的感温变色纸是感温变色粉末与甲胶油混合涂在纸上制作而成，其成本远低于直接购买市面上的感温变色纸，可降低制作成本。整个实验装置的结构较为简单，相比于一些复杂的教具已在很大程度上减少了开支。

（四）将定性研究转变为定量研究

笔者采用温度传感器的示数变化反映金属热传导的速率，记录相同时间内温度的变化，进而计算出不同金属的热传导速率，以达到将实验从定性研究转变为定量研究的目的。

对于小学科学这门课来讲，在科学探究的过程中，教具是必不可少的一种工具。而教具创新的每个步骤都需要教师的全身心参与，包括选材、加工、制作、实验等，制作教具的过程就是教师应用科技知识与教学经验进行创造性活动的过程。由此可见，教师不仅能将改进教具作为优化科学课堂的途径之一，更能将其作为教学科研成果的形式之一。

【本文的课题支持：2021年四川省大学生创新创业课题“远山的呼唤：凉山州乡村振兴科学教育扶贫实践”，课题号S202110649143;2020年大学生创新创业课题“小学科学STEM课程的设计开发”，课题号2020XJ135;2020年乐山市科技局科技项目“基于体验学习的城市公园研学游的研究——以嘉州绿心公园为例”，课题号20RKX0015。】