精准探究材料导热性能

实验原型及不足

教材中的“热传导”实验方法是，在等径同长的5种材料棒（木材、塑料、铜、铝、钢）的同一高度处用凡士林粘上塑料珠，将材料棒放入烧杯中，倒入开水观察材料棒上的塑料珠是否掉落并记录掉落时间（如图1）。实验中可以观察到，3种金属棒上的塑料珠先后掉落，2种非金属棒上的塑料珠没有脱落的现象，通过归类建构“热的良导体和不良导体”的概念。但是塑料珠在3种金属棒上的掉落顺序，偶尔会出现在铝棒上的掉落时间接近甚至早于铜棒上的掉落时间。这一现象与铜导热性能优于铝这一常识是相矛盾的，一般地，室温下纯铜和纯铝的导热系数分别为：401 W/（m·K）、228 W/（m·K）。

实验分析

分析整个实验过程，我认为出现这一现象的原因可能有：①实验中，粘塑料珠的凡士林很难保持用量相同和涂抹一致；②各材料棒接触热水的时间有微小的先后差距；③以交叉方式放置在容器中的材料棒，由于角度的差别导致材料棒浸入热水部分的长度并不相同，从而致使材料棒被加热部分的大小有差别；④实验中使用的金属棒的纯度对于其导热性能影响比较大。

上述实验中，生活中取材的金属棒无法达到理想纯度，在“凡士林数量”“加热时长”“材料棒被加热部分长度”三个因素的综合作用下，出现了铝棒上塑料珠脱落时间接近甚至快于铜棒上塑料珠的脱落时间。这样的实验现象虽然对于建构“热的良导体和不良导体”的概念没有干扰，但还是会给学生留下“铝”的热传导性能优于“铜”的热传导性能的认识。

学生对物质的纯度还没有科学的认识，如果此时换用纯度更高、现象更明显的金属材料重新进行探究，就会使他们刚建立起来的但尚不牢靠的认识变得更为脆弱。而且，这样的改进相当于在一个对比实验中又引入了一个学生不理解的新变量，使认知模式变得更复杂，造成学习的障碍。

在出现上述实验现象后，教师不妨有效利用这一冲突，用新的方法和工具对实验进行改进，有效控制无关变量，带领学生再经历一次金属导热性能的探究，让他们模糊的认识逐渐变得清晰。五年级学生已经较熟练地掌握了多种测温工具的使用方法，并基本习惯于用温度描述物体的冷热程度。基于此，我们对实验进行了改进（如图2）。

实验器材

等径同长的材料棒、500 mL大烧杯、探针式数显温度计、电子秒表、塑料吸管、泡沫塑料块、热水、干抹布等。

实验改进

采用探针式数显温度计对金属棒同一位置的温度进行测量，用直接的数据替代间接的推测。

相对来说探针式数显温度计的尖端对温度最敏感，实验中要尽量保证尖端与被测量物体接触。在材料棒的顶端套上一段合适的塑料吸管，能让探针式数显温度计与材料棒有效接触。此外，塑料吸管的使用能够使探针式数显温度计处于直立状态，有利于学生完成长时间的观测任务；塑料管可以形成一个相对密闭的空间，使得材料棒顶端不易因周围空气流动而造成温度扰动。

找一块能够覆盖大烧杯口的泡沫塑料板，并在泡沫塑料板的中心等距地打上若干小孔，将实验用的材料棒安装进小孔中，并调整材料棒直至其底端平齐，保证所有材料棒几乎同时接触到热水，从而做到材料被加热的部分相同。实验过程中手接触的是泡沫塑料板，避免了因手触摸材料棒造成对初始数据的干扰。另外，塑料泡沫作为烧杯的盖子也能减小实验过程中烧杯口冒出的热气对测温点温度的影响。

每隔30秒，学生进行一次温度的观测和记录。借助图表，对实验中4分钟内的数据进行加工、整理、分析。教师也可以利用自动化数据采集、记录、处理等方式收集更多的数据并形成图表（如图3），便于学生从个别到一般地总结科学规律。

实验优点

完成定性观察到定量探究的转变。利用数字化实验手段，可促进探究活动由定性观察向定量探究转变，用数据代替现象提高了实验的准确性，能够使学生更好地认识物质及其变化规律。

形成认知资源的集约式投放。用材料棒顶端随时间变化的温度直接来比较材料的导热性能，方法简单直接，省略了借助现象推测材料上端温度的转换环节，降低探究活动中现象与结果之间关联的复杂度。学生可以将更多的认知资源投入更有价值的数据加工、整理、分析等论证过程中。

实现隐性推理到显性论证的转换。将易受环境因素影响的实验现象的观察转换成直接物理量的测量和描述，使原本现象与结果的隐性弱关联，转换成数据与结论的显性强关联。

增加了探究学习的延展性。因为热传导需要通过物质并经历一定的时间才能显著起效，所以对材料棒顶端的数据观测采用的是单位时间内完成采样次数的方法。采样频率的变化是否会带来不同的结论呢？改变材料的长度对热传导的影响效率是怎样的？能不能用这个装置研究材料的散热性能呢？这些问题都会由于这次探究学习的深入开展而产生。教师可以对实验进行恰当的设计，合理分离研究的关键因素，设置合适的变量阈值，借助这套实验器材及其相关组合进行这些真实问题的探究。

（作者单位：江苏省无锡师范学校附属小学）