探究不同材質勺子的導熱性能

教學背景

《義務教育科學課程標準（2022年版）》要求，五、六年級學生應能舉例說出生活中常見的熱傳遞現(xiàn)象，知道熱量是從溫度高的物體向溫度低的物體或者從物體溫度高的部分向溫度低的部分傳遞；能舉例說明影響熱傳遞的主要因素，列舉熱能在日常生產生活中的應用。

勺子是學生生活中常見和常用的物品，隨著人們生活的改善，家中勺子的種類也逐漸多了起來。大部分學生應該有過“被勺子燙到”的經歷，本案例將創(chuàng)設這種讓學生產生深刻印象的生活情境，讓學生回歸生活，并在熟悉的生活場景中發(fā)現(xiàn)并思考問題：哪種材質的勺子容易燙手？哪些材質的勺子不容易燙手？燙手的原因是什么？學生基于問題出發(fā)，通過實驗找到問題的答案。

本案例中，教師將組織學生借助行空板、非接觸式紅外溫度傳感器等開源硬件，探究不同材質勺子的導熱性能，從而讓學生知道生活中的熱傳遞現(xiàn)象，能夠描述出不同材質勺子的導熱性能。

教學目標

科學觀念：通過探究不同材質勺子的導熱性能，知道生活中存在熱傳遞現(xiàn)象。

科學思維：能在教師的指導下，以“加熱勺子一端后，另一端溫度逐漸變熱”的實驗現(xiàn)象為依據，說明熱量是從物體溫度高的部分向溫度低的部分傳遞的實驗結論。

探究實踐：能夠借助跨學科器材，如非接觸式紅外溫度傳感器等，描述不同材質的導熱性能。

態(tài)度責任：鍛煉良好的動手能力，并能根據不同材質導熱性能不同的結論，在生活中正確使用不同材質的勺子；學會在生活中發(fā)現(xiàn)問題、探究問題。

教學重點與難點

教學重點：能夠借助跨學科器材，如非接觸式紅外溫度傳感器等，描述不同材質勺子的導熱性能。

教學難點：能結合實驗說明熱量是從溫度高的物體向溫度低的物體或從物體溫度高的部分向溫度低的部分傳遞。

教學準備

一、材料準備

不同材質的勺子若干、酒精燈1個、鐵架臺1個、行空板1塊、非接觸式紅外溫度傳感器1個。

二、制作實驗裝置

實驗裝置的搭建比較簡單，需要使用鐵架臺固定勺子，便于我們對勺子的一端進行加熱，勺子離桌面的高度要根據酒精燈的高度進行調整。在實驗中，我們讓勺子處于酒精燈的外焰，從而保證加熱過程中有足夠的溫度，使實驗結果更直觀。

我們需要把非接觸式紅外溫度傳感器連接到行空板上，并使探頭對準勺子未加熱的一端，以便測量勺子未加熱一端的溫度。由于不同材質的勺子長度不完全一樣，為了減少變量的影響，在實驗中，我們把非接觸式紅外溫度傳感器對準每個勺子的中部，以確保每次測量溫度的距離與被加熱端的距離一致。實驗裝置搭建如圖1所示。

三、編寫硬件程序

本案例程序的設計主要包含界面設計和功能設計兩部分。在界面設計上，我們采用相對簡潔的設計，只動態(tài)顯示加熱用時、當前溫度、目標溫度等參數(shù)，并設置“開始計時”按鈕與多個溫度調節(jié)按鈕，分別用于計時和目標溫度的快速設定。界面設計如圖2所示。

該程序的作用是展示不同材質勺子的導熱性能，為了直觀地呈現(xiàn)實驗結果，我們設定一個目標溫度，然后使用酒精燈加熱勺子，記錄并計算不同材質勺子達到同一目標溫度所用的時間，通過對比這個時間，就能從一定程度上比較不同材質勺子的導熱性能。考慮到計時與溫度測試需要實時同步進行，在程序設計過程中，我們利用行空板的多線程執(zhí)行能力，讓計時和溫度測試分別在兩個不同的線程中同時進行，從而達到實驗要求。部分主程序如圖3所示。

教學過程

一、情境導入

教師通過視頻、圖片等形式，引導學生回顧生活中的經歷：是否曾經喝熱湯或者喝熱粥時被湯勺燙到過？如果有，你還記得當時用的是什么材質的勺子嗎？

教師通過視頻、圖片創(chuàng)設情境，讓學生回憶真實的生活場景，并在師生交流討論中發(fā)現(xiàn)問題、探究問題，從而激發(fā)本次探究性學習的興趣。

二、小組討論

結合課堂創(chuàng)設的情境，教師進一步引導學生：為什么放在熱湯或者熱粥中的勺子會發(fā)燙？發(fā)燙的過程是怎樣的？為什么有些勺子不會發(fā)燙？

學生回顧生活中使用不同材質勺子的經歷，以小組為單位展開討論，提出小組的猜想。在這個環(huán)節(jié)中，教師可以引導學生結合生活經歷仔細分析，大膽提出假設。

三、實驗探究

1.教師講解實驗裝置的使用

在實驗過程中，學生需要先在行空板界面中設定實驗要達到的目標溫度。為了控制變量，該溫度值設定后不再變動，直至完成所有材質勺子的實驗。每次放置勺子時需要用鐵架臺做好固定，然后正確放置并固定非接觸式紅外溫度傳感器于勺子的中部位置。

為了確保測得的溫度準確無誤，學生需要注意不能將非接觸式紅外溫度傳感器放置在離酒精燈火焰較近的地方，否則測得的溫度容易受到酒精燈的影響，從而不能精準記錄勺子的溫度。酒精燈開始加熱勺子后，學生立即點擊“開始計時”按鈕。當溫度達到目標溫度后，系統(tǒng)自動停止計時并記錄下當時的準確時間。最后，學生便可得到不同材質勺子達到相同溫度所需要的時間。

2.學生自主探究實驗

學生以小組為單位，搭建實驗裝置并進行實驗。在實驗過程中，教師巡堂指導，特別留意學生是否能把勺子固定在正確位置，以及非接觸式紅外溫度傳感器是否放置準確。此外，教師還應提醒學生正確設置目標溫度。因為如果目標溫度過高，會導致實驗完成效率低；如果目標溫度過低，則會導致不同材質勺子之間的導熱性能差異無法明顯地呈現(xiàn)，從而影響實驗結論。在實驗過程中，學生將相關數(shù)據記錄在下表中。

四、分享總結

學生各小組分享實驗數(shù)據，并嘗試得出實驗結論。教師可以從問題出發(fā)引導學生總結實驗結論：為什么勺子一端一開始被加熱時，未被加熱的一端的溫度沒有馬上產生變化？經過長時間加熱后，勺子未被加熱的一端溫度上升了，是什么原因導致的？不同材質的勺子未被加熱的一端達到目標溫度所花費的時間一樣嗎？說明了什么問題？

學生通過教師的引導，結合實驗結果，能夠簡單地描述不同材質勺子的導熱性能以及熱量在勺子內部的傳遞過程。

實驗結束后，教師還應引導學生把實驗結論應用到生活場景中。例如，在日常生活中，我們使用勺子吃較熱的食物時，需要選擇導熱性能較差的勺子；不應把湯勺放在鍋里長時間跟食物一起蒸煮，否則拿起來的時候也會被燙手。

教學反思

本案例以生活中常見的情景——勺子燙手引入課題，讓學生結合開源硬件進行實驗探究，并對比不同材質勺子未被加熱的一端達到相同溫度所需要的時間，從而引導學生理解并描述不同材質勺子的導熱性能差異，了解熱量是從物體溫度高的部分向溫度低的部分傳遞。

后續(xù)的拓展學習中，教師還可以讓學生利用本裝置研究熱量在勺子中的傳遞方向，測試并多次記錄同一個勺子在受到加熱后，不同位置在同一時刻的溫度，從而通過勺子溫度變化的方向，確定熱量在勺子上傳遞的方向。

徐敬洪

廣東省佛山市順德區(qū)李介甫小學信息科技教師，順德區(qū)創(chuàng)客教育聯(lián)盟講師團成員，“玩轉信息技術”公眾號創(chuàng)辦人，致力于創(chuàng)客教育和人工智能的研究，曾多次輔導學生在省、市、區(qū)級創(chuàng)客競賽中獲獎。