巧用“自制DIY教具+傳感”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)新路徑的實(shí)踐
——以水融化和冰溶化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與教學(xué)為例
江耀基1
（1.廣東省崇仁學(xué)校廣東九江）
諶保泉2
（2.吉安縣新塘中學(xué)東新學(xué)校浙江杭州）
摘要：針對(duì)教材實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題及緣由進(jìn)行深入的分析，之后提出實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案，并巧用“自制DIY教具+傳感”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)新路徑，能有效地突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重、難點(diǎn)，本文以“水的融化和冰溶化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與教學(xué)為例”進(jìn)行詳盡闡發(fā)。
關(guān)鍵詞：自制DIY教具；傳感；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)路徑
傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是借助實(shí)驗(yàn)室中的器材或物品組織中學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，但因?yàn)槭軐?shí)驗(yàn)器材、材料和環(huán)境的影響，有時(shí)借助實(shí)驗(yàn)室中的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)要求，得不出實(shí)驗(yàn)推論。但巧用“自制DIY教具+傳感”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)新路徑，能有效地突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重、難點(diǎn)，本文以“水的融化和冰溶化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與教學(xué)為例”進(jìn)行詳盡闡釋。
1.教材中存在的問(wèn)題及緣由剖析
1.1教材中存在的問(wèn)題
晶體融化和融化是人教版8年級(jí)下冊(cè)化學(xué)《物態(tài)變化》第2節(jié)《熔化和融化》的重、難點(diǎn)。為了有效突破這個(gè)教學(xué)重、難點(diǎn)，教材設(shè)置了如圖1所示的海波融化探究實(shí)驗(yàn)。課標(biāo)對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的要求：讓中學(xué)生經(jīng)歷觀察固體融化的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，通過(guò)對(duì)氣溫的檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)剖析，讓中學(xué)生更深層次地理解晶體與非晶體在融化時(shí)的特性和區(qū)別，因而了解物態(tài)變化規(guī)律。但筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)覺(jué)借助海波來(lái)做融化實(shí)驗(yàn)很難得到我們所須要的體溫保持不變的一段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。于是，有些版本（如蘇科版、教科版和滬科版）改用冰取代海波進(jìn)行融化探究實(shí)驗(yàn)，筆者在教學(xué)實(shí)踐中也發(fā)覺(jué)借助冰來(lái)做融化實(shí)驗(yàn)很難得出00C以下的一段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，且實(shí)驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)不利于教學(xué)等。
1.2緣由剖析
1.2.1海波融化實(shí)驗(yàn)
用海波做融化實(shí)驗(yàn)，最大的問(wèn)題是很難得到一段水溫保持不變的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，究其緣由有三個(gè)：一是實(shí)驗(yàn)室海波的含量不夠，富含其他雜質(zhì)；二是海波是五水甲基氯化鈉，保存不當(dāng)容易失水，且是熱的不良導(dǎo)體，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中導(dǎo)致融化時(shí)氣溫不穩(wěn)定；三是水浴法加熱環(huán)境要求很嚴(yán)格，假如大燒杯中加的是熱水，則加熱時(shí)間太長(zhǎng)（10min內(nèi)中學(xué)生還不一定能看見(jiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）；若果在大燒瓶加熱水，外加酒精燈加熱，則會(huì)造成燒瓶中溫度與海波的氣溫相差太大，海波融化時(shí)間大大減短（1分鐘內(nèi)早已全部融化），所描出的圖像中晶體融化時(shí)氣溫保持不變這一特點(diǎn)顯得很不顯著。筆者實(shí)踐發(fā)覺(jué)要使海波融化時(shí)氣溫保持不變，大燒瓶中的溫度要求非常嚴(yán)格，沈陳老師強(qiáng)調(diào)“大量筒與小試管之間的溫差必須控制在50C以內(nèi)[1]，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象才比較顯著。其實(shí)，用實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材是很難達(dá)到的實(shí)驗(yàn)要求，無(wú)疑當(dāng)中也降低班主任的教學(xué)負(fù)擔(dān)。
1.2.2冰溶化實(shí)驗(yàn)
用冰做溶化實(shí)驗(yàn)，最大問(wèn)題是很難得到00C以下的一段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。究其緣由有以下三點(diǎn)：一是班主任借助冰柜制成的一些小冰塊保存在保溫杯中，實(shí)驗(yàn)時(shí)才取下來(lái)放進(jìn)試管中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還有部份班主任帶的是大冰塊，實(shí)驗(yàn)時(shí)先弄碎成小冰塊再倒入試管中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以上兩種情況都有個(gè)共性，那就是小冰塊在保溫瓶中或打碎的過(guò)程中早已部份融化。所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中冰的氣溫根本測(cè)不到00C以下部份；二是因?yàn)樵嚬芴 ⑿”鶋K也有一定的容積，不利于攪拌，濕度計(jì)的玻璃泡未能與冷水充分接觸，造成測(cè)出的冰融化時(shí)的氣溫不能穩(wěn)定在00C左右，更不是冰的體溫。
對(duì)比海波與冰融化實(shí)驗(yàn)可以看出，冰融化實(shí)驗(yàn)操作更簡(jiǎn)單、現(xiàn)象更顯著、數(shù)據(jù)相對(duì)來(lái)說(shuō)更穩(wěn)定。所以在平常的教學(xué)中，大多數(shù)老師還是選擇冰做融化實(shí)驗(yàn)。
2.水融化和冰融化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案
2.1調(diào)整教學(xué)次序，建構(gòu)完整的數(shù)學(xué)規(guī)律
在蘇科、教科和滬科三個(gè)版本中，都是只安排冰融化探究實(shí)驗(yàn)，而沒(méi)有安排“水的融化實(shí)驗(yàn)”，這樣的安排會(huì)使中學(xué)生對(duì)晶體的融化和融化缺少完整的認(rèn)識(shí)，有點(diǎn)遺憾。針對(duì)上述不足，筆者嘗試調(diào)整教學(xué)次序，在一個(gè)課時(shí)內(nèi)把水的融化和冰融化兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都做好，即先做水的融化實(shí)驗(yàn)，接著就做冰的融化實(shí)驗(yàn)，這樣安排能使中學(xué)生對(duì)晶體融化和融化規(guī)律有一個(gè)完整的建構(gòu)過(guò)程。
2.2借助自制DIY制冰機(jī)，實(shí)現(xiàn)水的融化和冰融化全過(guò)程
方軍老師強(qiáng)調(diào)借助冰凍鹽水作為“冷源”可以實(shí)現(xiàn)水融化結(jié)冰過(guò)程[2]，并能測(cè)出結(jié)冰過(guò)程中00C以下的氣溫。但筆者發(fā)覺(jué)這些“冷源”的怎么儲(chǔ)備、能儲(chǔ)存多長(zhǎng)時(shí)間也是一個(gè)大技術(shù)困局，雖然可行，實(shí)驗(yàn)打算過(guò)程也比較冗長(zhǎng)，一旦“冷源”儲(chǔ)藏不成功，會(huì)造成整個(gè)實(shí)驗(yàn)失敗。為了解決水能隨時(shí)、快速融化結(jié)冰這個(gè)困局，筆者在天貓上自購(gòu)的12V半導(dǎo)體制熱片（如圖2所示)、散熱器制做成一個(gè)高溫冷源——制冰機(jī)，制冰機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2.2.1水槽的做法
水槽是用厚為1cm的PVC發(fā)泡板（廣告店有）弄成的。具體做法：用刻度尺分別量厚度為6cm，寬1.5cm和長(zhǎng)4cm，寬1.發(fā)泡板各兩塊，用美工刀將四塊發(fā)泡板裁下，再用704硅膠把4塊發(fā)泡板粘成一個(gè)外徑約4cm的正方體（制熱片的周長(zhǎng)為4cm）待干，最后用硅膠將半導(dǎo)體制熱片和散熱器以及長(zhǎng)圓形黏合在一起熔化和凝固教學(xué)反思，組成如圖3所示的制冰機(jī)。
2.2.2散熱片的作用
水在水槽中融化時(shí)，因?yàn)樗捅际菬岬牟涣紝?dǎo)體，加上水結(jié)冰后又不能攪拌，會(huì)造成水中和海面的氣溫不均勻，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)發(fā)覺(jué)融化從水下的接觸半導(dǎo)體制熱片地方開(kāi)始的，在海面未融化時(shí)，水下的冰氣溫就已降到0℃以下了，這樣測(cè)出水融化時(shí)的氣溫也就不穩(wěn)定，也達(dá)不到理想的實(shí)驗(yàn)療效。為了降低水的散熱性和導(dǎo)熱性，可在水槽中放置如圖4所示的散熱片，由于散熱片是熱的良導(dǎo)體，降低冰內(nèi)外溫差，能使溫度均勻，這樣就可以使水融化和冰融化的氣溫較長(zhǎng)時(shí)間保持不變。為了讓氣溫傳感的探頭能置于散熱片中，用老虎鉗把散熱片中間的兩排散熱片掰掉。同樣為了避免傳感探頭受冷或受熱不均，可在傳感探頭上纏繞一些銅線，并用銅線將傳感探頭固定在散熱片上。其實(shí)，無(wú)論在水槽中放置散熱片，還是在傳感探頭上纏上銅線，其目的都是為了讓水融化或冰融化時(shí)能“均溫”，測(cè)下來(lái)的氣溫才愈發(fā)穩(wěn)定、準(zhǔn)確。
3.借助自制DIY制冰機(jī)+傳感進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)
3.1水融化和冰融化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)
3.1.1實(shí)驗(yàn)步驟
（1）將散熱片和氣溫傳感的探頭裝入水槽中，并在水槽中放入適量的水，讓水正好浸入傳感探頭為止；
（2）將體溫傳感數(shù)據(jù)線的另一頭插入筆記本的USB中，打開(kāi)筆記本中“temp.exe”溫度軟件，設(shè)置好水溫軟件中參數(shù)（如時(shí)間顯示為：檢查時(shí)間，氣溫區(qū)間：-100C～200C，刻度為10C；時(shí)間刻度為5s；刻度顏色、時(shí)間顏色、文字顏色、曲線顏色均為黃色；背景顏色：紅色），如圖5所示，使掃描間隔為5s）。
（3）接上中學(xué)生電源或教學(xué)電源，讓制冰機(jī)開(kāi)始工作，讓氣溫達(dá)到200C以內(nèi)，清空上面的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)記錄”，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)；
（4）觀察水槽中水融化過(guò)程的現(xiàn)象，當(dāng)氣溫大于00C時(shí),水全部融化成冰，如圖6所示；
（5）斷掉電源，停止制熱，讓冰塊從空氣中放熱溶化。為了減短冰融化過(guò)程所用的時(shí)間，我們可以借助大功率電吹風(fēng)對(duì)著散熱鋁管和制熱片頂部加熱，可實(shí)驗(yàn)總時(shí)間也可以控制在12min之內(nèi)。
（6）待水槽中的冰完全融化后，點(diǎn)擊氣溫軟件中“保存圖像”和“停止記錄”，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
3.1.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與圖象
如表1～2是氣溫傳感采集到的水融化和冰融化過(guò)程中的一些實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).
其中系統(tǒng)偏差ΔT=0.340C
由氣溫軟件按照實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)手動(dòng)生成的水融化和冰融化時(shí)氣溫隨時(shí)間的變化圖像如圖7所示。
3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
剖析上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像可知，在水的融化和冰融化過(guò)程中，氣溫有均保持不變這個(gè)特性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程完整，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、真實(shí)、有效，借助氣溫軟件勾畫的水融化和冰融化實(shí)驗(yàn)圖像也十分理想。
4.教學(xué)反省
在本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，因?yàn)閯?chuàng)新改變了教材中的融化和融化的實(shí)驗(yàn)，讓中學(xué)生完整經(jīng)歷了水融化和冰溶化實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，中學(xué)生在實(shí)驗(yàn)除了觀察到了水的融化和冰溶化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并且還在實(shí)驗(yàn)中自主地建構(gòu)了融化和融化的相關(guān)數(shù)學(xué)概念和數(shù)學(xué)規(guī)律。有效地突破教學(xué)的重難點(diǎn)，達(dá)到理想的教學(xué)療效。更重要的是借助“自制DIY教具+傳感”創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)教學(xué)新路徑。
4.1用“自制DIY教具+傳感”提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)療效
用該套創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材在探究融化與融化實(shí)驗(yàn)時(shí)，只須要將制冰機(jī)、傳感器、電腦聯(lián)接好接上電源即可，具有操作便捷的特性；使用該裝置時(shí)無(wú)需在課前花大量的時(shí)間去打算實(shí)驗(yàn)材料（碎冰或冷源），大大增加了班主任的勞動(dòng)硬度，但是該裝置具有隨時(shí)可用、重復(fù)循環(huán)使用的特性；借助吹風(fēng)機(jī)輔助控制實(shí)驗(yàn)時(shí)間，能起到節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，為其他教學(xué)活動(dòng)有效舉辦提供更多的時(shí)間與空間，保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高效。
4.2用體溫傳感創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)采集新手段
室溫傳感與普通體溫計(jì)相比，有著十分優(yōu)越的特性。因?yàn)閭鞲惺朱`敏，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，任意時(shí)刻的氣溫都可以通過(guò)傳感測(cè)出，之后通過(guò)水溫軟件在筆記本上動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)下來(lái)，筆記本也可以同時(shí)記錄下那些數(shù)據(jù)點(diǎn)，并同時(shí)動(dòng)態(tài)地生成氣溫隨時(shí)間的變化圖像[3]，中學(xué)生通過(guò)圖像就可以直觀得看出水融化和冰融化時(shí)氣溫的變化規(guī)律，彰顯現(xiàn)代信息技術(shù)在數(shù)學(xué)教學(xué)應(yīng)用中的方便作用。
4.3用“自制DIY教具+傳感”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案
我們使用的教材是面向全體中學(xué)生這個(gè)群體，并非為我們的中學(xué)生量身定制的，教材中提供的實(shí)驗(yàn)方案不一定是最佳實(shí)驗(yàn)方案。教材只是教學(xué)的輔助資料之一，而非教學(xué)的全部，班主任作為課程的建設(shè)者，要在教材的基礎(chǔ)上再創(chuàng)造，也就是用教科書，而非教教科書。班主任也應(yīng)該具備評(píng)價(jià)教材，獨(dú)立處理教材的能力[4]。所以，在我們舉辦實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，應(yīng)依據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和知識(shí)聯(lián)系情況，結(jié)合中學(xué)生的年紀(jì)特性和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材未能完成的實(shí)驗(yàn)要?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，巧妙借助新材料、新技術(shù)、新手段對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，開(kāi)拓出一條新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑，而不是只做教材的搬運(yùn)工和奴隸。
參考文獻(xiàn)：
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4.王燕紅，讓實(shí)驗(yàn)說(shuō)話，我不說(shuō)話[J]，小學(xué)數(shù)學(xué)，2012（2）：61:62
【基金項(xiàng)目】本文系浙江省教研室課題《“三管齊下”助力提升中學(xué)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的實(shí)踐研究》（課題編號(hào)-889）研究成果。
作者簡(jiǎn)介：江耀基（1976-），男，湖南茶陵人，學(xué)院?？?strong>熔化和凝固教學(xué)反思，學(xué)校中級(jí)班主任，研究方向：數(shù)學(xué)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
諶保泉（1976-）男，四川成都人，學(xué)院?？疲瑢W(xué)校中級(jí)班主任，研究方向：自制教具，實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。