改良實驗裝置從定性走向定量

本文格式為Word版，下載可任意編輯——改良實驗裝置從定性走向定量錢舟奇

一、引言

定性研究和定量研究在小學(xué)科學(xué)課堂中被廣泛運用。本文以《液體的熱脹冷縮》一課為例，探討通過改良原有試驗器材把定性研究轉(zhuǎn)化為定量研究的實施路徑，以及在此過程中通過對話浮現(xiàn)學(xué)生思維過程，利用試驗器材與圖表提供思維支架促進高階思維發(fā)展的方法。

二、教學(xué)流程

《液體的熱脹冷縮》是教科版《科學(xué)》五下“熱〞單元第三課，在上一課的學(xué)習(xí)后學(xué)生已經(jīng)知道冷水在加熱后重量不變，體積略有變大的現(xiàn)象。

第一板塊：探討改進試驗裝置

師：上節(jié)課的這個裝置水在加熱后會略有凸起，怎么讓它變得更加明顯？

生1：給水加點顏料，有了顏色看起來就更加明了。

師：這個方法解決了一部分問題，如何讓這個凸起部分更加明顯？

生2：用溫度更高的熱水。

師：是個方法，也存在一定的安全隱患。

生3：可以換一個體積更大的瓶子，這樣體積變大也會更明顯。

生4：把瓶子的上端變成開口小一點的，最好用細(xì)細(xì)的管子。

師：你為什么要把它變成細(xì)細(xì)的管子？

生4：這樣做的話體積變大后它可以升得更高，也就更明顯了，直接觀測液柱高度變化就可以了。

其次板塊：試驗探究

教師出示改進后的試驗裝置，提問：“把它分別放進熱水和冷水，你們認(rèn)為會發(fā)生什么現(xiàn)象？〞

生：可能會出現(xiàn)液柱的高度不一樣。

師：那我們通過試驗來驗證一下吧。

以PPT出示試驗的相關(guān)步驟和考前須知。

學(xué)生試驗并匯報試驗結(jié)果。

教師總結(jié)：我們把這種水受熱時體積變大、受冷時體積縮小的現(xiàn)象稱為熱脹冷縮。

第三板塊：拓展延伸

師：除了水這種液體，其他液體會不會有這種現(xiàn)象？

生：估計有的。

師：怎么證明？

生：把試驗裝置里的水換成其他液體即可。

學(xué)生試驗部分其他液體的熱脹冷縮現(xiàn)象，得出試驗的這些液體都具有熱脹冷縮的現(xiàn)象。

師：有沒有明白好多啤酒、飲料瓶都不能裝滿？

生：明白了，防止熱脹冷縮。

三、教學(xué)思考

（一）定性研究可以轉(zhuǎn)為定量研究

在小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)中，定性研究和定量研究是常見的兩種研究方法。前者是指研究者運用歷史回想、文獻分析、訪問、觀測等方法獲得教育研究的資料，并用非量化的手段對其進行分析、獲得研究結(jié)論;后者尋常是指運用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法對有關(guān)數(shù)據(jù)資料進行加工處理，分析后得出有效解釋，它是定性研究的進一步深化，對于小學(xué)生而言這種研究更富有挑戰(zhàn)性和思維價值。

液體的熱脹冷縮都采用定性研究的方式進行，液柱的高度采取觀測液面的變化狀況，可以量高度（具體的數(shù)值），裝置內(nèi)液體溫度的變化也是個人主觀想法，可以用溫度計量取內(nèi)部液體的準(zhǔn)確溫度數(shù)值，從而把熱（冷）脹（縮）都用相應(yīng)數(shù)值表達(dá)出具體的變化，進而把定性研究推向定量研究。

（二）從低階思維走向高階思維

人的思維活動是一個繁雜的過程，不同的學(xué)者對其定義有著各自的理解，但也有一致之處：一致認(rèn)為高階思維是一種以高層次認(rèn)知水平為主的心智活動。安德森等專家團隊將思維活動由低到高分成記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價、創(chuàng)造六個層次，其中前三者為低階思維層次，后三者為高階思維層次，如圖1。

小學(xué)科學(xué)高階思維，是指在小學(xué)科學(xué)學(xué)科的探究式教學(xué)中，以分析、評價、創(chuàng)造等為主要形式的探究環(huán)節(jié)，具有挑戰(zhàn)性、開放性等特征。

在此課例中，整個教學(xué)過程以理解和應(yīng)用低階思維為主，分析、評價和創(chuàng)造高階思維活動偏少?？梢詮难b置著手，學(xué)生體驗后再次改進，發(fā)展學(xué)生的評價和創(chuàng)造能力，把試驗數(shù)字的體積變化與溫度變化相聯(lián)系，發(fā)展學(xué)生的分析能力。把思維活動推向高階思維，有助于提升學(xué)生思維品質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

轉(zhuǎn)變研究方式促進思維發(fā)展，以改進試驗器材為載體，以對話引發(fā)學(xué)生創(chuàng)造思維。

通過之前的教學(xué)活動，我們獲知學(xué)生可以一起參與改進試驗裝置，但是需要教師引領(lǐng)把具體的變化數(shù)值化，挖掘與學(xué)生對話內(nèi)容的思維亮點改進試驗裝置實現(xiàn)這一目標(biāo)，匯總得到了以下教學(xué)片段以及相應(yīng)的解決措施：

師：試驗裝置放入熱（冷）水后液柱的變化有同學(xué)說可以直接看，你們覺得可以改進嗎？

生1：可以在相應(yīng)的液面處用記號筆標(biāo)注，量出高度。

師：我們把這瓶水加熱后，除了體積會變大，還有什么會變？

生2：里面的水溫會變化。

師：怎么變？

生2：會升高。

師：如何獲得證據(jù)？

生2：可以用溫度計測量，有數(shù)字。

此教學(xué)片段反映出學(xué)生對于獲取體積和水溫變化證據(jù)的思考，很簡單就引出用尺子和溫度計來測量獲得相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)來佐證。

基于以上與學(xué)生的對話片段內(nèi)容，引發(fā)學(xué)生的深層思考，激發(fā)他們的創(chuàng)造性思維，得到了改進后的1.0版本，如圖2。

四、改良試驗器材，發(fā)展學(xué)生高階思維

（一）立“準(zhǔn)繩〞——設(shè)立試驗裝置評估標(biāo)準(zhǔn)

針對改進后的1.0版本的試驗裝置，挑揀了部分學(xué)生進行了試驗材料的評估，學(xué)生探討匯總了他們評估角度，如表1。

（二）診“結(jié)果〞——檢測試驗裝置效果

運用制定的評估表，學(xué)生對試驗裝置進行了首輪的實踐檢測活動，發(fā)現(xiàn)了一些存在的問題。

1.玻璃管易碎，且存在一定的安全隱患;

2.橡皮塞上端的兩個孔有一定漏水的現(xiàn)象;

3.把裝置放入熱水中后，發(fā)現(xiàn)后期液柱上升乏力，可能是水溫下降或者液柱高度變高造成，如表2和圖3。

（三）以評促改，試驗器材的二次優(yōu)化

根據(jù)首輪評估發(fā)現(xiàn)的問題，學(xué)生探討可以從以下幾個方面加以改進。

1.用亞克力材料的細(xì)管子替代玻璃管;

2.用橡皮泥塞住縫隙，防止漏水;

3.把細(xì)管子從“一〞字形變?yōu)椤癓〞形，減少液柱自身重力帶來的影響。

根據(jù)以上幾點，我們制作了2.0版本的試驗裝置，如圖4。

在此過程中，勉勵學(xué)生從多維度出發(fā)評估裝置效果，并通過實際檢測檢驗效果，二次改進試驗裝置，幫助學(xué)生發(fā)展數(shù)據(jù)分析能力、評估能力和創(chuàng)造力，促進學(xué)生高階思維發(fā)展。

五、以數(shù)據(jù)為依托，提高學(xué)生分析能力

學(xué)生通過使用2.0版的裝置再次進行了試驗，獲得了相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3。

（一）化平面數(shù)字為顯性折線圖，為學(xué)生分析提供支架

學(xué)生獲取的試驗數(shù)字是扁平的線性結(jié)構(gòu)，我們把它變成更加直觀的折線圖（圖5），延伸了數(shù)字的空間顯性范圍，為學(xué)生分析數(shù)字提供支架，助力學(xué)生分析能力發(fā)展。

（二）借坡下驢，巧問設(shè)伏

本節(jié)課學(xué)生通過試驗要把握“熱脹冷縮〞這個概念，部分學(xué)生經(jīng)常把這個概念當(dāng)作一個現(xiàn)象，不能區(qū)分“熱脹〞和“冷縮〞。為此，我們在學(xué)生分析數(shù)據(jù)時需要借用學(xué)生的話糾正錯誤的前概念，形成正確的概念。

師：大家來看折線圖，嘗試分析試驗數(shù)據(jù)。

生1：錐形瓶放入熱水后，液柱在變長，溫度也在上升。

師：液柱在變長說明什么？

生1：體積在變大。

師：體積變大和溫度上升有關(guān)系嗎？

生1：有關(guān)系的，它們是關(guān)聯(lián)的，隨著液柱變長體積變大，溫度也在變高。

師：我們把這種現(xiàn)象稱為“熱脹〞（板書：水受熱后體積變大，熱脹），那放到冷水中呢？

生2：液柱變短體積變小，溫度降低。

師：我們把這種現(xiàn)象稱為“冷縮〞（板書：水受冷后體積變小，冷縮）。兩種現(xiàn)象合起來稱為“熱脹冷縮〞。

在此過程中，教師勉勵學(xué)生積極思考，把數(shù)據(jù)通過線性圖表更加直觀地浮現(xiàn)出來，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，在發(fā)展分析能力的同時，加深對概念的深層理解。

六、因勢利導(dǎo)激發(fā)學(xué)生探究欲，促進高階思維發(fā)展

從課堂上的觀測狀況來看，學(xué)生不滿足于對水的探究，對其他液體同樣抱有好奇心和探究欲，且希望進行橫向?qū)Ρ?，即哪種液體的熱脹冷縮更加明顯。

學(xué)生自主探討得到以下兩種可以用來對比哪種液體熱脹更明顯的方法。

方法一：計算一致時間內(nèi)液柱的變化長度。

表達(dá)式=變化長度/時間長短

方法二：一致溫度變化范圍內(nèi)液柱的變化。

表達(dá)式=變化長度/溫度變化

方法二更加接近熱膨脹系數(shù)的計算方法，學(xué)生標(biāo)記瓶內(nèi)達(dá)到相應(yīng)溫度時液面所在位置，測量溫度變化區(qū)間內(nèi)液柱的變化長度（表4和圖6）。

學(xué)生分析數(shù)據(jù)后會發(fā)現(xiàn)，幾種液體在相應(yīng)的溫度變化區(qū)間內(nèi)液柱的增加長度各有不同，其中酒精的變化最為明顯，他們明白了常見的溫度計內(nèi)部的液體是酒精的原因，也借此過程發(fā)展學(xué)生的分析能力和創(chuàng)造力，促進高階思維發(fā)展。

七、結(jié)語

小學(xué)科學(xué)作為一門基礎(chǔ)性、實踐性和綜合性的課程，倡導(dǎo)探究式的學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生在探究過程中開展分析、評價、創(chuàng)造等高階思維活動，對于學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，形成科學(xué)思維與創(chuàng)新、探究精神等學(xué)科核心素養(yǎng)都具有重要的意義。本節(jié)課采取依托遞進式的試驗改進裝置，將定性研究轉(zhuǎn)為定量研究，有助于核心概念的建構(gòu)，學(xué)生對“