依“史”探“計” 從“仿”到“創(chuàng)”——“溫度計的延伸”教學創(chuàng)新設計與思考

曹 堅

（浙江省慈溪陽光實驗學校，浙江 慈溪 315300）

當前，關于“科學技術史有機地融入科學課程”的教學研究正此起彼伏.滲透科學技術史的課堂才能更接地氣，學生獲得科學知識的同時也體驗到科學的本質.但在實施過程中普遍缺乏有效性，課堂中常出現(xiàn)“科學傳奇故事”、“科學家的生平和學術成就”，卻很少看到“技術設計”的發(fā)展歷程.

“技術設計”能力為21世紀提供技術創(chuàng)新型人才作支撐，《初中科學課程標準》指出：“注重從義務教育階段開始培養(yǎng)學生的技術設計能力”.［1］在倡導提升學生核心素養(yǎng)發(fā)展的大背景下，教師不僅只讓學生重視“科學知識”，更要培養(yǎng)學生具有初步的“技術設計”能力.

在課堂中將“科學知識”與“技術設計”交融并提升課堂的可行性該怎么做？本文以“溫度計的延伸”設計為例，談依“史”探“計”和從“仿”到“創(chuàng)”并舉開展科學本質的課堂教學實踐和思考.

1 依“史”探“計”的教學設計

1.1 技術設計視角下的教學目標

（1）知道氣體、液體溫度計的設計原理.

（2）追尋科學史，了解氣體溫度計和液體溫度計在設計上的異同點和優(yōu)缺點，根據(jù)不同液體溫度計中液體的性質初步掌握選擇合適的溫度計.

（3）在實驗和訊息交流的基礎上，依循科學家的足跡，思辨相關方案讓學生感受液體溫度計更新迭代的發(fā)展歷程.

1.2 追根溯源，逆向質疑，點撥釋疑的教學過程

（1）外界因素影響技術設計.

在課前，學生已經(jīng)知曉歷史上第一支溫度計是伽利略發(fā)明的，但并不清楚其設計原理和裝置特點，卻掌握液體溫度計的測溫原理和初步的讀法.歷史上舍棄氣體溫度計而使用液體溫度計其本質是一種技術改進，學生通過討論它們的技術設計，既能牢固掌握科學知識，又能提升技術素養(yǎng)，體現(xiàn)科學本質.

對于氣體、液體溫度計在設計上的異同點和優(yōu)缺點的討論，采用的是如下教學進程.

展示裝置1，教師介紹其組成.之后，教師把熱毛巾放上去，再把冷毛巾放上去.

師：看到哪些現(xiàn)象？知道為什么嗎？

生：熱毛巾放上去，細玻璃管內(nèi)水柱下降.冷毛巾放上去，細玻璃管內(nèi)水柱上升，這種現(xiàn)象是空氣熱脹冷縮引起的.

師：想一想，這套裝置可以用來做什么？

生：粗略地顯示溫度高低，可做溫度計.

師：那倒過來呢，還能不能做呢？

圖1 裝置1

圖2 裝置2

一瞬間，學生的腦海出現(xiàn)短暫的空白，臉上露出驚愕的表情，教師適時展示裝置2.學生的臉上又露出愉悅的表情，不假思索地回答“能”.在課堂中有那么一瞬間，如電路短路又恢復一般，顯得一絲魔幻又恰到好處.

師：怎么證明呢？

學生會小聲嘀咕“用熱毛巾和冷毛巾”，但水的比熱遠遠大于空氣，因此讓液體熱脹冷縮的效果明顯一些，一定需要吸收或放出大量的熱量.教師可把裝置倒過來，并浸沒到一盆熱水中，之后換成一盆冰水.學生通過演示實驗發(fā)現(xiàn)：當周圍溫度上升時細玻璃管內(nèi)水柱上升，當周圍溫度下降時玻璃管內(nèi)水柱下降的現(xiàn)象.

師：為什么會產(chǎn)生這些現(xiàn)象？

生：水熱脹冷縮.

科學史呈現(xiàn)：1593年，伽利略發(fā)明了世界上第一支氣體溫度計，裝置1就是根據(jù)它的原型做的.1632年，法國醫(yī)生讓萊伊倒轉了整套裝置，發(fā)明了以水為介質的液體溫度計，裝置2就是根據(jù)它的原型做的.

學生小組交流1：氣體（空氣）溫度計和液體（水）溫度計設計上的異同點？學生大致可以得到以下幾個觀點.

相同點：① 都是利用物質熱脹冷縮的原理制成的.② 都采用了轉換的科學思想，通過液面高低反應溫度的高低.

不同點：當溫度升高時氣體溫度計液面會下降，而液體溫度計液面會上升.

學生小組交流2：氣體（空氣）溫度計和液體（水）溫度計設計上的優(yōu)缺點？學生大致可以得到表1中幾個觀點.

表1

教師用洗耳球向裝置1的橡皮管中鼓氣和吸氣，細玻璃管水面會有上下波動的現(xiàn)象，趁此提出問題：“液面變化的過程中，環(huán)境溫度有變化嗎？”環(huán)境溫度不變而液面高低改變的事實讓學生一開始有些錯愕，但很快依據(jù)氣壓的知識找到了原因.既然氣體溫度計受大氣壓影響很大，那么溫度計的設計就需考慮外界因素的影響，實現(xiàn)了將“知識問題”向“技術問題”的轉化.

（2）不同介質體現(xiàn)多種技術設計思想.

自制溫度計不能測量體溫使學生明白不同的需求就有不同的技術設計.回顧科學史：從第1支氣體溫度計（1593年伽利略），第2支以水做介質的溫度計（1632年讓萊伊），第3支以酒精做介質的溫度計（1654年費迪南二世），第4支以水銀做介質的溫度計（1714年華倫海特），之后又出現(xiàn)了以煤油做介質的溫度計.教師除了讓要學生在溫度計更新迭代的歷程中深深感受科技的進步，更重要的是要讓學生知曉溫度計所裝液體不同背后所體現(xiàn)的技術設計思想，可采用如下教學進程.

教師提問：“以上液體溫度計中所裝的液體是不同的，不同液體介質在設計上受哪些因素影響呢？”學生因已有知識局限而導致所能想到的合理因素較少，一般會提到熔沸點，教師可給出一張熔沸點表，設置一個情景：我國黑龍江省漠河市的冬季溫度一直在－40℃，選擇哪種液體好呢？學生的思維從熔點遷移到凝固點，過低的溫度使水和水銀凝固，得出煤油、酒精比較適合的結論.

表2

教師繼續(xù)追問：“0～100℃范圍內(nèi)，在水和煤油兩種液體中選擇制作溫度計，你覺得哪種好？”此問無需考慮熔沸點而是指向考慮其他因素.學生勉強提到水有反膨脹現(xiàn)象而不適合在0～8℃指示溫度，教師要適時鼓勵，其他因素可以采用錦囊的形式給出一些必要的信息，讓學生明白技術設計往往跟實際需要相聯(lián)系.

錦囊1：相同體積的水和煤油，升高相同的溫度，煤油膨脹的體積約為水的5倍.

錦囊2：相同質量的水和煤油，升高相同的溫度，水需要吸收的熱量約為煤油的2倍.

學生小組交流得出結論：在其他條件相同的情況下制作溫度計，選擇煤油要比選擇水更精確更靈敏，生活中要根據(jù)需要選擇合適介質的溫度計.

2 從“仿”到“創(chuàng)”的教學設計

2.1 工程技術視角下的教學目標

（1）探究玻璃管粗細對溫度計設計的影響，并通過觀察液體演示溫度計，改進并仿制真正的水溫度計.

（2）根據(jù)溫度計設計原理，氣體、液體溫度計構造特點和雙金屬片受熱實驗來逐步引導學生創(chuàng)造固體溫度計.

2.2 探究模仿，激發(fā)創(chuàng)造，實踐反饋的教學過程

（1）利用液體熱脹冷縮的性質仿制液體溫度計.

學生在醫(yī)務室接觸過用水銀做的溫度計，在實驗室也使用過其他液體介質做的溫度計，所以對溫度計的構造有一定的了解.學生先觀察比較液體演示溫度計與雛形的水溫度計在結構上的不同，之后通過實驗探究、生生討論及師生交流得出其技術設計方面的改進，并和老師一起仿制水溫度計.一系列教學流程真正讓“技術”與產(chǎn)品“并舉”，并大大提升了學生的技術素養(yǎng)和鑒賞技術的能力.

教師提出問題：“對裝置2的液體溫度計還有何改進的想法？這是演示用的溫度計，對比一下還做了哪些改進？”教師通過精準地追問和師生互動得出結論：① 產(chǎn)品細小方便攜帶；② 上端封口，減少液體蒸發(fā)對測溫的影響；③ 上面有刻度，可準確讀數(shù)比較溫度等等.

關于玻璃管粗細對溫度計設計的影響，實驗探究流程可采用如下教學進程.

一、請你設計實驗裝置，畫在任務單上，并說說實驗的具體步驟.

二、學生活動的實驗步驟：

Ⅰ.用貼紙分別標記兩支玻璃管液面的初始位置.

注：① 統(tǒng)一以貼紙的上端與液面對齊（如圖3）.

圖3

② 注視液面時，視線與凹形液面中央最低處相平.

Ⅱ.往相同兩個杯中倒入相同溫度的熱水至杯子標記處.

Ⅲ.各組同時將兩裝置放入杯中.

Ⅳ.各組等待相同的時間（約1.5 min，先撕好標簽），再用貼紙標記液面的位置.

學生小組交流1：展示（如圖4），匯報現(xiàn)象：其他條件相同，管越細液面差越大.

圖4

教師追問：“實驗采用控制變量法，要求測溫泡大小相同，管的粗細不同.現(xiàn)有一個小組測溫泡的大小不同（展示圖5），管的粗細相同，液面差也很大，這說明什么？”師生共同得出結論：液面差還受測溫泡大小的影響.學生不難發(fā)現(xiàn)玻璃管液面差大小與溫度計精準度高低相關，玻璃管越細，測溫泡越大，溫度計精確度越高.

圖5

簡易溫度計怎么改進才能定量顯示溫度？回顧可知1標準大氣壓下，水沸騰溫度為100℃和冰水混合物溫度為0℃.把簡易溫度計放在兩種環(huán)境中，采用等分的思想將液面差分成100格，每格為1℃.玻璃管上不易標刻度怎么辦？在紙上畫刻度貼玻璃管上.自制溫度計準確度怎么樣？自制溫度計和實驗室多支溫度計分別測量室溫并進行比較.通過仿制溫度計這個過程，學生們深深體會到精巧的溫度計構造所包含的諸多技術設計思想.

（2）借用固體熱脹冷縮的性質創(chuàng)造固體溫度計.

學生對固體溫度計的認識極其有限，經(jīng)歷了氣體溫度計和液體溫度計在技術上的深度學習后，深深知曉溫度計是根據(jù)物質熱脹冷縮的性質來制造的.初中生利用固體熱脹冷縮的性質設計溫度計是一種創(chuàng)造力體現(xiàn)，同時將“知識”轉變成“發(fā)明”是一種質的飛躍，對其影響不言而喻.當然，對老師來說，也是一種前所未有的新嘗試.由于學生知識結構簡單，可采用以下教學過程.

學生活動：銅的膨脹系數(shù)為17.7×10－6m/℃，鐵的膨脹系數(shù)為9×10－6m/℃.算一算1 m的銅、鐵各升高100℃，分別伸長多少mm？在微小的改變中，學生對毫米的認識遠比米敏感，體會到銅和鐵形變很小，分別僅僅伸長1.77 mm、0.9 mm.

學生明白用銅或者鐵做溫度計材料，不能明顯將微小形變放大，此刻老師展示雙金屬片受熱實驗.教師準備的器材包括鐵架臺、雙金屬片（圖6）、酒精槽、展臺，將這些器材組合成裝置3后（圖7示意圖），往酒精槽中倒入酒精后引燃來加熱雙金屬條，讓學生觀察現(xiàn)象.自制的酒精槽不僅能使整條雙金屬片加熱時受熱均勻，而且長條形水平槽口能很好的作為金屬條受熱后形狀變化的參照物.加熱一段時間后看到雙金屬片明顯彎曲，立即用濕抹布蓋滅酒精槽火焰.教師介紹的這種叫“雙金屬片”的材料比單金屬片受熱后變化明顯，可以用來做溫度計，學生為之興奮，但還有很多工程技術上的困難需要攻克，怎么辦？

圖6

圖7 裝置3

師：雙金屬片彎曲了，形變更明顯一些會完全繞成圓，如何才能形變更明顯一些？

生1：繼續(xù)提升溫度.

生2：增加雙金屬片長度.

師：升高溫度，這樣的設計適用于測高溫的環(huán)境，材料再長一些不便于攜帶.怎樣對它改造，既方便攜帶，又能使形變明顯一些呢？

生：把雙金屬片纏繞起來.

師：纏繞后方便攜帶，相同條件下怎樣纏繞會小一些？

小組實驗，教師提供雙金屬片條，學生實際操作討論交流.

生：不借助其他器材使纏繞比較困難，同時纏繞后體積比較大，把它纏繞到筆桿上會小一些.

師：也就是要借助工具，最好纏繞到直徑比較小的物體上，試試用鑷子，并將做好的產(chǎn)品放到酒精燈上加熱，嘗試記錄現(xiàn)象.

教師指導學生纏繞雙金屬片，展示學生中較好的作品（圖8），學生在加熱（圖9）的過程中，發(fā)現(xiàn)纏繞后不僅體積大大減小，而且彎曲更加明顯.

圖8

圖9

教師追問：“如何在此基礎上讓雙金屬片彎曲現(xiàn)象更明顯一些并定量地表示出來呢？”學生沒有學習過杠桿知識，但在“聲音傳播”這節(jié)課中學習過利用懸掛的乒乓球放大音叉的振動效果，在日常生活中通過鐘表指針繞轉感受時間的流逝，各種定量的測量工具都有刻度，這些科學知識和生活經(jīng)驗為創(chuàng)造固體溫度計打下了扎實的基礎.

加上指針大大放大了彎曲現(xiàn)象（圖10教師用直噴火打火機加熱演示、圖11學生實驗），再加一個刻度表，就是固體溫度計的雛形.教師展示生活中最常見的固體溫度計（圖12），拆解內(nèi)部結構（圖13）與自創(chuàng)溫度計對比，發(fā)現(xiàn)無論是內(nèi)部結構還是外部構造都極其相似，這極大地鼓舞了學生的創(chuàng)造熱情.

圖10

圖11

圖12

圖13

3 教學反思

這是筆者在寧波大學STEM高級研修班教師培訓活動中的展示課，靜心沉思，為讓學生掌握知識發(fā)展能力，結合學生實際水平，作如下安排.

3.1 創(chuàng)設情景，滲透技術

縮影①：環(huán)境溫度不變的情況下，向裝置1的橡皮管中鼓氣和吸氣引起液面高低變化，說明溫度計的設計需考慮外界因素的影響.

縮影②：圖4、圖5發(fā)現(xiàn)玻璃管越細，測溫泡越大，液面差越大，而液面差越大直接反映溫度計精確度越高.

縮影③：比較水、煤油、酒精的物理性質，體現(xiàn)不同的技術設計理念.

縮影④：改進雛形水溫度計來定量表示溫度，解決玻璃管上標識刻度難題.

縮影⑤：固體溫度計中通過用雙金屬片、材料纏繞、加指針這3項措施增強固體微小形變，再加上刻度表完成固體溫度計定性到定量的設計.

通過這些情景，讓學生撥開“云霧”見“明月”，認識溫度計背后所包含的工程技術.

3.2 實驗探究，模仿研制

學生的學習過程應是主動探究，不斷發(fā)現(xiàn)，不斷創(chuàng)新的過程.與實驗室的演示溫度計對比，提出粗細對溫度計設計有影響這一猜想并積極探究.從畫實驗裝置到生生展示互動交流，提出合理實驗步驟并付諸實踐，最終從實驗證據(jù)獲得實驗結論.觀察對比演示溫度計與雛形水溫度計，學生在已有的雛形上不斷改進技術，嘗試制作真正意義的水溫度計，體驗“知識”向“產(chǎn)品”過渡的華麗轉變，讓學生真正提升技術能力.

3.3 問題引導，啟發(fā)創(chuàng)新

要突破初中生踐行創(chuàng)造發(fā)明這一難點，深入啟迪學生思維，體現(xiàn)教師引領作用，可設置如下階梯式問題：① 銅的膨脹系數(shù)為17.7×10－6m/℃，鐵的膨脹系數(shù)為9×10－6m/℃.1 m的銅、鐵各升高100℃，分別伸長多少mm？② 用這些材料做溫度計，現(xiàn)象不夠明顯，如何將微小形變放大？③ 實驗中雙金屬材料彎曲了，形變更明顯一些會怎樣？如何才能形變更明顯一些？④ 升溫的設計適于測高溫，材料加長不便攜帶.怎樣改造此材料，既方便攜帶又形變明顯呢？⑤ 纏繞后方便攜帶了，怎樣纏繞會小一些？⑥ 在此基礎上怎樣讓雙金屬片彎曲現(xiàn)象更明顯一些并定量地表示出來呢？四人小組圍繞這些問題開展面對面談話，組與組交流，生與師討論.學生在互動與合作中學習科學方法，激發(fā)創(chuàng)新能力.

4 結語

當下，許多科技發(fā)達的國家通過其自主技術創(chuàng)新，形成一些新興的產(chǎn)業(yè)來推動生產(chǎn).所以，“技術設計”教學要激發(fā)學生的創(chuàng)新設計意識，但技術設計能力的培養(yǎng)不是一蹴而就的，它需要我們在課堂上有意識地滲透，更需要有一定的實踐經(jīng)驗.在校教科室的帶領下，所在學校的科學組以“技術設計視角下的課堂教學”為主題開出了一系列的研討課，隨著研討的深入，我們越來越覺得技術設計能力與科學探究能力是同等重要的能力.