【一等奖小学科学实验教学】手持技术支持下的小学科学实验教学实践研究——以“热在金属中的传递”为例

【摘要】：本文围绕小学科学教科版五年级下册“热在金属中的传递”展开课例研究。本文利用手持技术—温度传感器，将不易观察的热量传递现象可视化、数字化，解决传统实验教学中观察现象零散、实验数据记录模糊等问题。手持技术可以促进学生从简单的定性观察向更高层次的定量分析转变，发展学生构建动态模型的能力，从而增强学生的科学探究能力以及证据意识。手持技术是将现代化科学技术应用于小学科学学科实验教学的重要方式之一。这一结合既能拓展实验教学的形式及内容，激发学生的学习兴趣，又能实现及时评价和信息处理功能，为因材施教、发展科学素养提供保障，助力教育教学创新在小学阶段落地。

【关键词】：手持技术；实验教学；热传递现象；可视化

数字化实验设备逐步走进小学科学课堂，手持技术凭借便携、可实时采集数据的优势，为破解传统科学实验现象难观测、数据难捕捉的教学痛点提供新路径。本文结合教科版五年级下册“热在金属中的传递”课例，梳理相关研究概况，从理论、教学设计、教学实效等方面探究手持技术赋能小学科学实验教学的实践路径。

小学科学实验教学中常会出现现象观察零散、数据记录模糊不清等教学难点。在研究“热在金属中的传递”时，实验存在无法使用温度计精准测量、难以观察传递过程中温度变化等问题。《义务教育科学课程标准(2022年版)》中提到，教师可利用信息技术辅助手段，如虚拟仿真实验、数字化实验等，让学生直观便捷地学习相关知识。手持技术(如智能手机、平板电脑以及各类便携式传感器设备），凭借高度的便携性、互动性和数据采集功能，为数智技术与小学科学实验教学的有机结合提供了可行的解决方案。但国内对手持技术的研究主要聚焦于中学，很少结合小学生学习特点设计教学活动。

在理论研究方面，本文构建适配小学儿童思维模式的视觉学习策略，同时深入探讨如何依托科学教育理念开展教学实践。教师可结合传统的实验室设备与新兴科技手段，为学生理解抽象概念提供实证基础。使用手持技术可以提升实验精确度与趣味性，同时还能引导学生从现象观察走向数据分析，发展学生的逻辑思维能力。“情境驱动数据分析模型构建”是推动教学改进的有效途径之一。

建构主义教学理论认为，学生是主动、有内在动机的知识意义建构主体。教师可利用手持技术即时采集数据并可视化呈现，为学生提供“做中学”的机会，使学生在真实情境中自主建构科学知识。

具身认知理论认为，身体经验对认知过程至关重要，而手持技术“实用化”“情境化”的特点恰好契合这一观点。

1.数据可视化

在传统热传递教学中，学生对“热”的认识停留在抽象符号层面。教师利用温度传感器采集不同时间单位下的温度变化，生成图像以及Excel表格，让原本看不见、摸不着的热量传递转化为可视、可读的数字轨迹。学生能够沿着“数据分析链”，实现从“文字表达”到“数据分析”的能力迁移。

2.过程动态化

热传递是一个持续的过程。传统实验方法无法完整、精准地追踪随时间推移发生的热量转移。而手持技术可即时采集数据，捕捉每一秒的温度变化细节。学生通过图像观察热量流动模式，有助于理解热传导的速率和路径，进而发展逻辑思维与模型思维。

3.探究自主化

手持技术具备携带方便、操作简易的特点，测温探头可以放置在金属棒的任意位置。学生能够自主开展实验探究，亲身感受科学探究的魅力。

1.教材与课标分析

本课内容源自教科版五年级下册第四单元，隶属于“物质科学”领域，借助控制变量的实验设计方法探究热在金属中的传递。教材设计“金属棒加热”与“金属圆片加热”两项实验。旨在引导学生观察感温油墨的变色现象，归纳热传递方向性的相关规律。在此基础上引入温度传感器，将以往的定性观测转变为精准的定量研究。该设计契合课程标准对“证据意识”的培育要求，同时拓展了实验探索的深度与广度。

2.学情分析

五年级学生具备热量由高温传向低温的生活经验，但对热传递的具体过程缺少科学层面的理解。主要表现在三个方面：分不清温度和热量两个概念；对热传递动态过程缺乏直观认知；开展实验设计时，无法准确控制变量。温度传感器的实时数据呈现，可帮助学生建立“温度变化与热量传递”的关联认知。可视化的数据分析工具，能够降低抽象思维门槛，契合小学生从具体形象思维逐步向抽象逻辑思维过渡的认知特征。

1.教学目标重构(如下表)

2.实验器材创新

原有实验器材：金属棒、金属圆片、凡士林及牙签。

创新组合方案:将高精度温度传感器(固定于金属棒不同位置)与数据采集器联用，整套装置可同步显示温度随时间的变化图像并自动记录;搭配感温油墨，借助温度变化引发色彩变化，实现热传递过程可视化。

3.教学流程设计

环节一:情境驱动—从生活问题到科学猜想(5分钟)

创设真实情境：“怎样才能让肉又快又熟呢？”出示不同烤肉方式的图片，引导学生认识热沿金属发生传递。学生结合生活经验与已有认知作出合理猜想，标注模型中的热传递路线。教师借助“金属棒”“金属圆片”等模型呈现学生猜想，制造认知冲突：“实验结果会和你们的设想一致吗？”激发学生深入探究的欲望。

环节二:实验探究—从科学现象分析到规律提炼(20分钟）

方案设计阶段，学生分组讨论、设计实验方案。教师提供由金属棒、金属圆片、感温油墨等器材组成的“工具店”，学生按需选取器材完成方案设计。

实验论证阶段，学生依据设计方案搭建实验装置，利用感温油墨遇热变色的特点，通过观察颜色变化，归纳热传递的规律。

环节三:思维进阶—推动逻辑思维向深度思维发展(10分钟）

动态建模方面，温度传感器APP呈现温度变化曲线图，学生思考：“开始或停止传热时，热传递的方向会不会发生变化？”通过分析得出结论：加热点位置最先升温，远离加热点的位置升温慢；熄灭热源后，靠近加热点的位置温度下降快，距离较远的位置降温较慢。

数据意识方面，依托实验数据，学生尝试用数学符号表述热传递的基本规律，最终归纳结论:热传递的方向始终是从温度较高的物体传向温度较低的物体。学生基于真实数据，探究抽象科学规律。

迷思澄清方面，学生存在典型迷思概念—认为停止加热后，热传递方向会发生改变。教师展示熄灭蜡烛之后的温度变化曲线图进行证伪。图像依旧呈现高温区降温快、低温区降温慢的特征，说明热传递并未发生逆转，只是热量随时间逐步耗散。依托实时数据直观呈现该现象，比传统口头讲解更加清晰易懂。

环节四:应用迁移—从课堂探究到生活实践(5分钟)