巧用“自制DIY教具+傳感”創新實驗教學新路徑的實踐
——以水融化和冰溶化實驗改進與教學為例
江耀基1
（1.廣東省崇仁學校廣東九江）
諶保泉2
（2.吉安縣新塘中學東新學校浙江杭州）
摘要：針對教材實驗中存在的問題及緣由進行深入的分析，之后提出實驗改進方案，并巧用“自制DIY教具+傳感”創新實驗教學新路徑，能有效地突破實驗教學中的重、難點，本文以“水的融化和冰溶化實驗改進與教學為例”進行詳盡闡發。
關鍵詞：自制DIY教具；傳感；實驗教學；教學路徑
傳統的實驗教學就是借助實驗室中的器材或物品組織中學生進行實驗探究活動，但因為受實驗器材、材料和環境的影響，有時借助實驗室中的器材進行實驗難以達到理想的實驗要求，得不出實驗推論。但巧用“自制DIY教具+傳感”創新實驗教學新路徑，能有效地突破實驗教學中的重、難點，本文以“水的融化和冰溶化實驗改進與教學為例”進行詳盡闡釋。
1.教材中存在的問題及緣由剖析
1.1教材中存在的問題
晶體融化和融化是人教版8年級下冊化學《物態變化》第2節《熔化和融化》的重、難點。為了有效突破這個教學重、難點，教材設置了如圖1所示的海波融化探究實驗。課標對該知識點的要求：讓中學生經歷觀察固體融化的實驗探究過程，通過對氣溫的檢測和實驗數據剖析，讓中學生更深層次地理解晶體與非晶體在融化時的特性和區別，因而了解物態變化規律。但筆者在教學實踐中發覺借助海波來做融化實驗很難得到我們所須要的體溫保持不變的一段實驗數據。于是，有些版本（如蘇科版、教科版和滬科版）改用冰取代海波進行融化探究實驗，筆者在教學實踐中也發覺借助冰來做融化實驗很難得出00C以下的一段實驗數據，且實驗時間太長不利于教學等。
1.2緣由剖析
1.2.1海波融化實驗
用海波做融化實驗，最大的問題是很難得到一段水溫保持不變的實驗數據，究其緣由有三個：一是實驗室海波的含量不夠，富含其他雜質；二是海波是五水甲基氯化鈉，保存不當容易失水，且是熱的不良導體，實驗過程中導致融化時氣溫不穩定；三是水浴法加熱環境要求很嚴格，假如大燒杯中加的是熱水，則加熱時間太長（10min內中學生還不一定能看見實驗現象）；若果在大燒瓶加熱水，外加酒精燈加熱，則會造成燒瓶中溫度與海波的氣溫相差太大，海波融化時間大大減短（1分鐘內早已全部融化），所描出的圖像中晶體融化時氣溫保持不變這一特點顯得很不顯著。筆者實踐發覺要使海波融化時氣溫保持不變，大燒瓶中的溫度要求非常嚴格，沈陳老師強調“大量筒與小試管之間的溫差必須控制在50C以內[1]，實驗現象才比較顯著。其實，用實驗室中現有的實驗器材是很難達到的實驗要求，無疑當中也降低班主任的教學負擔。
1.2.2冰溶化實驗
用冰做溶化實驗，最大問題是很難得到00C以下的一段實驗數據。究其緣由有以下三點：一是班主任借助冰柜制成的一些小冰塊保存在保溫杯中，實驗時才取下來放進試管中進行實驗，還有部份班主任帶的是大冰塊，實驗時先弄碎成小冰塊再倒入試管中進行實驗。以上兩種情況都有個共性，那就是小冰塊在保溫瓶中或打碎的過程中早已部份融化。所以在實驗過程中冰的氣溫根本測不到00C以下部份；二是因為試管太小、小冰塊也有一定的容積，不利于攪拌，濕度計的玻璃泡未能與冷水充分接觸，造成測出的冰融化時的氣溫不能穩定在00C左右，更不是冰的體溫。
對比海波與冰融化實驗可以看出，冰融化實驗操作更簡單、現象更顯著、數據相對來說更穩定。所以在平常的教學中，大多數老師還是選擇冰做融化實驗。
2.水融化和冰融化實驗改進方案
2.1調整教學次序，建構完整的數學規律
在蘇科、教科和滬科三個版本中，都是只安排冰融化探究實驗，而沒有安排“水的融化實驗”，這樣的安排會使中學生對晶體的融化和融化缺少完整的認識，有點遺憾。針對上述不足，筆者嘗試調整教學次序，在一個課時內把水的融化和冰融化兩個實驗都做好，即先做水的融化實驗，接著就做冰的融化實驗，這樣安排能使中學生對晶體融化和融化規律有一個完整的建構過程。
2.2借助自制DIY制冰機，實現水的融化和冰融化全過程
方軍老師強調借助冰凍鹽水作為“冷源”可以實現水融化結冰過程[2]，并能測出結冰過程中00C以下的氣溫。但筆者發覺這些“冷源”的怎么儲備、能儲存多長時間也是一個大技術困局，雖然可行，實驗打算過程也比較冗長，一旦“冷源”儲藏不成功，會造成整個實驗失敗。為了解決水能隨時、快速融化結冰這個困局，筆者在天貓上自購的12V半導體制熱片（如圖2所示)、散熱器制做成一個高溫冷源——制冰機，制冰機的結構如圖3所示。
2.2.1水槽的做法
水槽是用厚為1cm的PVC發泡板（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4cm，寬1.發泡板各兩塊，用美工刀將四塊發泡板裁下，再用704硅膠把4塊發泡板粘成一個外徑約4cm的正方體（制熱片的周長為4cm）待干，最后用硅膠將半導體制熱片和散熱器以及長圓形黏合在一起熔化和凝固教學反思，組成如圖3所示的制冰機。
2.2.2散熱片的作用
水在水槽中融化時，因為水和冰都是熱的不良導體，加上水結冰后又不能攪拌，會造成水中和海面的氣溫不均勻，在實驗過程中會發覺融化從水下的接觸半導體制熱片地方開始的，在海面未融化時，水下的冰氣溫就已降到0℃以下了，這樣測出水融化時的氣溫也就不穩定，也達不到理想的實驗療效。為了降低水的散熱性和導熱性，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體，降低冰內外溫差，能使溫度均勻，這樣就可以使水融化和冰融化的氣溫較長時間保持不變。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，無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能“均溫”，測下來的氣溫才愈發穩定、準確。
3.借助自制DIY制冰機+傳感進行創新實驗教學
3.1水融化和冰融化創新實驗教學
3.1.1實驗步驟
（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）將體溫傳感數據線的另一頭插入筆記本的USB中，打開筆記本中“temp.exe”溫度軟件，設置好水溫軟件中參數（如時間顯示為：檢查時間，氣溫區間：-100C～200C，刻度為10C；時間刻度為5s；刻度顏色、時間顏色、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）接上中學生電源或教學電源，讓制冰機開始工作，讓氣溫達到200C以內，清空上面的數據，點擊“實時記錄”，開始實驗；
（4）觀察水槽中水融化過程的現象，當氣溫大于00C時,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。為了減短冰融化過程所用的時間，我們可以借助大功率電吹風對著散熱鋁管和制熱片頂部加熱，可實驗總時間也可以控制在12min之內。
（6）待水槽中的冰完全融化后，點擊氣溫軟件中“保存圖像”和“停止記錄”，實驗結束。
3.1.2實驗數據與圖象
如表1～2是氣溫傳感采集到的水融化和冰融化過程中的一些實時實驗數據.
其中系統偏差ΔT=0.340C
由氣溫軟件按照實時實驗數據手動生成的水融化和冰融化時氣溫隨時間的變化圖像如圖7所示。
3.3實驗結果
剖析上述實驗數據和圖像可知，在水的融化和冰融化過程中，氣溫有均保持不變這個特性，實驗過程完整，實驗數據穩定、準確、真實、有效，借助氣溫軟件勾畫的水融化和冰融化實驗圖像也十分理想。
4.教學反省
在本次實驗教學活動中，因為創新改變了教材中的融化和融化的實驗，讓中學生完整經歷了水融化和冰溶化實驗的全過程，中學生在實驗除了觀察到了水的融化和冰溶化實驗現象，并且還在實驗中自主地建構了融化和融化的相關數學概念和數學規律。有效地突破教學的重難點，達到理想的教學療效。更重要的是借助“自制DIY教具+傳感”創新了實驗教學新路徑。
4.1用“自制DIY教具+傳感”提高了實驗教學療效
用該套創新實驗器材在探究融化與融化實驗時，只須要將制冰機、傳感器、電腦聯接好接上電源即可，具有操作便捷的特性；使用該裝置時無需在課前花大量的時間去打算實驗材料（碎冰或冷源），大大增加了班主任的勞動硬度，但是該裝置具有隨時可用、重復循環使用的特性；借助吹風機輔助控制實驗時間，能起到節省實驗時間，為其他教學活動有效舉辦提供更多的時間與空間，保證了實驗教學的高效。
4.2用體溫傳感創新實驗教學數據采集新手段
室溫傳感與普通體溫計相比，有著十分優越的特性。因為傳感十分靈敏，在實驗過程中，任意時刻的氣溫都可以通過傳感測出，之后通過水溫軟件在筆記本上動態地呈現下來，筆記本也可以同時記錄下那些數據點，并同時動態地生成氣溫隨時間的變化圖像[3]，中學生通過圖像就可以直觀得看出水融化和冰融化時氣溫的變化規律，彰顯現代信息技術在數學教學應用中的方便作用。
4.3用“自制DIY教具+傳感”創新實驗方案
我們使用的教材是面向全體中學生這個群體，并非為我們的中學生量身定制的，教材中提供的實驗方案不一定是最佳實驗方案。教材只是教學的輔助資料之一，而非教學的全部，班主任作為課程的建設者，要在教材的基礎上再創造，也就是用教科書，而非教教科書。班主任也應該具備評價教材，獨立處理教材的能力[4]。所以，在我們舉辦實驗教學時，應依據實驗內容和知識聯系情況，結合中學生的年紀特性和現代科學技術的發展，對用傳統實驗器材未能完成的實驗要創新實驗方案，巧妙借助新材料、新技術、新手段對傳統的實驗進行改進與創新，開拓出一條新的實驗教學路徑，而不是只做教材的搬運工和奴隸。
參考文獻：
1.沈陳，探究晶體與非晶體融化特性的實驗改進[J].小學數學，2013（7）：33-34。
2.方軍，水的融化和融化實驗的探究[J].數學教學闡述，2007（2）：37-38.
3.湯金波，用傳感研究融化和融化現象[J].小學數學教學參考，2014（1-2）：100-101.
4.王燕紅，讓實驗說話，我不說話[J]，小學數學，2012（2）：61:62
【基金項目】本文系浙江省教研室課題《“三管齊下”助力提升中學數學實驗教學質量的實踐研究》（課題編號-889）研究成果。
作者簡介：江耀基（1976-），男，湖南茶陵人，學院?？?strong>熔化和凝固教學反思，學校中級班主任，研究方向：數學教學和實驗教學。
諶保泉（1976-）男，四川成都人，學院專科，學校中級班主任，研究方向：自制教具，實驗創新。