“热对流”教具创新与教学实践

在《热在水中的传递》教学中，为进一步提高实验现象的直观性，强化学生对“热对流"概念建构，我利用文献研究法，从流体的流速、相变、物理性质、运动空间几何学提取出二维平面对层流与湍流的影响，设计新的教具，将教学难点转化为相应的实验功能模块。教具让复杂的现象得以简化、直观化，便于定量分析不同层面的温度数据，帮助学生建构热在水中的传递模型。

一、研究背景

《热在水中的传递》的教学涉及核心概念“能的转化与能量守恒”，是在学生已经认识“热量的变化是导致温度的变化、热可以在温度不同的物体间传递、热可以在同一物体中由温度高的一端传递到温度低的一端等”概念的基础上展开的。根据教材开展实验，容易遇到四个难点。

1.学生错误的前概念

前一课学生已经建构金属的热传递概念，大部分人认为热在水中的传递方式也是呈扩散状散开的，或是"底部一中部一上部"的传递路径。

2.热对流现象难观察

试管体积小、可观察范围小，感温粉末变色速度快，有色颜料在水中极易溶解扩散影响观察，学生难以掌握滴取的量和滴下的位置，无法保证各小组实验结果的一致性和准确性。学生不易通过原教材实验准确地描述水具体是如何流动的，不易直接想象、猜想无法表达，因此难以直观获得结论。

3.热量本身不可见

课程标准要求的必做探究实践活动（热对流回形管）能看到一次单循环对流路径，但水受热的流动与温度变化未真正建立联系，缺少温度数据，学生认

为实验现象只能证明是水流动的方向，并不是热传递的方向。

4.空气对流体验不深

拓展环节，学生根据热在水中的传递来猜测热在空气中的传递，这个模型与风的成因模拟实验相似，原教材实验现象有限、易受干扰，且未对冷空气流向给出具体的活动任务，学生表达空气的热对流现象缺乏直观的认识，无法解释冬天开着暖气片屋内的空气流动情况。

二、教具创新

通过文献研究法、实验法、观察法，将上述教学难点与相关理论知识分解为各个功能模块加以改进，最后将各个功能模块整合为二维流体装置（如图1）。

1.介质模块的改进

有色颜料、高锰酸钾颗粒、木屑等传统介质不利于现象的观察，挑选新的介质要求是悬浮、可见、不溶于水。云母粉具有悬浮时间长、不溶于水、在光照下具有反射光的效果，使水的流动持续可视化。对比不同颜色、颗粒径云母粉的悬浮时间、可视化效果，选定颗粒径 60um 的黑色云母粉（可视化效果好）。

2.容器模块的改进

流道截面的几何因素（尺寸和形状）也会影响层流和湍流，新介质颗粒径 60um 的云母粉也无法避免圆柱体烧杯湍流扰动明显的问题。由于无法让整个烧杯底部均匀受热，使得实验现象不清晰（如图2左）。长方形高硼硅玻璃缸可直接加热、湍流扰动现象少、层流明显，对流路径稳定（如图2右）

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铁架台结构模块（如图4左）采用棉线固定三根长度 300mm 的温度计于容器不同水层合适位置，学生操作困难，玻璃棒式温度计（ 0～100^qC ，精度 1^qC ）易碎、精度低、读取温度数据困难，同时整个结构存在稳定性问题。

自制亚克力结构模块（如图4中）采用数显温度计（检测敏度 ​ ），测量精度高，实时显示水温变化，易于读取记录温度数据，通过数据分析热量在水中的传递，实验现象数字化，便于将受热后水的流动现象与温度变化建立联系，让对流现象不止于表面，同时支撑结构更加稳固、便携且易于学生操作。

液体受热沸腾发生相变产生气泡会增加液体内部的扰动作用，湍流现象更明显；流体流速越快越容易出现湍流，反之亦越容易出现层流；酒精灯直接加热（流速过快、容易产生气泡），湍流明显。采用恒温陶瓷PTC模块（如图4右），发热板工作时温度低（流速慢、不易产生气泡），层流现象明显。

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