巧用“自制DIY教具+传感”创新实验教学新路径的实践
——以水融化和冰溶化实验改进与教学为例
江耀基1
（1.广东省崇仁学校广东九江）
谌保泉2
（2.吉安县新塘中学东新学校浙江杭州）
摘要：针对教材实验中存在的问题及缘由进行深入的分析，之后提出实验改进方案，并巧用“自制DIY教具+传感”创新实验教学新路径，能有效地突破实验教学中的重、难点，本文以“水的融化和冰溶化实验改进与教学为例”进行详尽阐发。
关键词：自制DIY教具；传感；实验教学；教学路径
传统的实验教学就是借助实验室中的器材或物品组织中学生进行实验探究活动，但因为受实验器材、材料和环境的影响，有时借助实验室中的器材进行实验难以达到理想的实验要求，得不出实验推论。但巧用“自制DIY教具+传感”创新实验教学新路径，能有效地突破实验教学中的重、难点，本文以“水的融化和冰溶化实验改进与教学为例”进行详尽阐释。
1.教材中存在的问题及缘由剖析
1.1教材中存在的问题
晶体融化和融化是人教版8年级下册化学《物态变化》第2节《熔化和融化》的重、难点。为了有效突破这个教学重、难点，教材设置了如图1所示的海波融化探究实验。课标对该知识点的要求：让中学生经历观察固体融化的实验探究过程，通过对气温的检测和实验数据剖析，让中学生更深层次地理解晶体与非晶体在融化时的特性和区别，因而了解物态变化规律。但笔者在教学实践中发觉借助海波来做融化实验很难得到我们所须要的体温保持不变的一段实验数据。于是，有些版本（如苏科版、教科版和沪科版）改用冰取代海波进行融化探究实验，笔者在教学实践中也发觉借助冰来做融化实验很难得出00C以下的一段实验数据，且实验时间太长不利于教学等。
1.2缘由剖析
1.2.1海波融化实验
用海波做融化实验，最大的问题是很难得到一段水温保持不变的实验数据，究其缘由有三个：一是实验室海波的含量不够，富含其他杂质；二是海波是五水甲基氯化钠，保存不当容易失水，且是热的不良导体，实验过程中导致融化时气温不稳定；三是水浴法加热环境要求很严格，假如大烧杯中加的是热水，则加热时间太长（10min内中学生还不一定能看见实验现象）；若果在大烧瓶加热水，外加酒精灯加热，则会造成烧瓶中温度与海波的气温相差太大，海波融化时间大大减短（1分钟内早已全部融化），所描出的图像中晶体融化时气温保持不变这一特点显得很不显著。笔者实践发觉要使海波融化时气温保持不变，大烧瓶中的温度要求非常严格，沈陈老师强调“大量筒与小试管之间的温差必须控制在50C以内[1]，实验现象才比较显著。其实，用实验室中现有的实验器材是很难达到的实验要求，无疑当中也降低班主任的教学负担。
1.2.2冰溶化实验
用冰做溶化实验，最大问题是很难得到00C以下的一段实验数据。究其缘由有以下三点：一是班主任借助冰柜制成的一些小冰块保存在保温杯中，实验时才取下来放进试管中进行实验，还有部份班主任带的是大冰块，实验时先弄碎成小冰块再倒入试管中进行实验。以上两种情况都有个共性，那就是小冰块在保温瓶中或打碎的过程中早已部份融化。所以在实验过程中冰的气温根本测不到00C以下部份；二是因为试管太小、小冰块也有一定的容积，不利于搅拌，湿度计的玻璃泡未能与冷水充分接触，造成测出的冰融化时的气温不能稳定在00C左右，更不是冰的体温。
对比海波与冰融化实验可以看出，冰融化实验操作更简单、现象更显著、数据相对来说更稳定。所以在平常的教学中，大多数老师还是选择冰做融化实验。
2.水融化和冰融化实验改进方案
2.1调整教学次序，建构完整的数学规律
在苏科、教科和沪科三个版本中，都是只安排冰融化探究实验，而没有安排“水的融化实验”，这样的安排会使中学生对晶体的融化和融化缺少完整的认识，有点遗憾。针对上述不足，笔者尝试调整教学次序，在一个课时内把水的融化和冰融化两个实验都做好，即先做水的融化实验，接着就做冰的融化实验，这样安排能使中学生对晶体融化和融化规律有一个完整的建构过程。
2.2借助自制DIY制冰机，实现水的融化和冰融化全过程
方军老师强调借助冰冻盐水作为“冷源”可以实现水融化结冰过程[2]，并能测出结冰过程中00C以下的气温。但笔者发觉这些“冷源”的怎么储备、能储存多长时间也是一个大技术困局，虽然可行，实验打算过程也比较冗长，一旦“冷源”储藏不成功，会造成整个实验失败。为了解决水能随时、快速融化结冰这个困局，笔者在天猫上自购的12V半导体制热片（如图2所示)、散热器制做成一个高温冷源——制冰机，制冰机的结构如图3所示。
2.2.1水槽的做法
水槽是用厚为1cm的PVC发泡板（广告店有）弄成的。具体做法：用刻度尺分别量厚度为6cm，宽1.5cm和长4cm，宽1.发泡板各两块，用美工刀将四块发泡板裁下，再用704硅胶把4块发泡板粘成一个外径约4cm的正方体（制热片的周长为4cm）待干，最后用硅胶将半导体制热片和散热器以及长圆形黏合在一起熔化和凝固教学反思，组成如图3所示的制冰机。
2.2.2散热片的作用
水在水槽中融化时，因为水和冰都是热的不良导体，加上水结冰后又不能搅拌，会造成水中和海面的气温不均匀，在实验过程中会发觉融化从水下的接触半导体制热片地方开始的，在海面未融化时，水下的冰气温就已降到0℃以下了，这样测出水融化时的气温也就不稳定，也达不到理想的实验疗效。为了降低水的散热性和导热性，可在水槽中放置如图4所示的散热片，由于散热片是热的良导体，降低冰内外温差，能使温度均匀，这样就可以使水融化和冰融化的气温较长时间保持不变。为了让气温传感的探头能置于散热片中，用老虎钳把散热片中间的两排散热片掰掉。同样为了避免传感探头受冷或受热不均，可在传感探头上缠绕一些铜线，并用铜线将传感探头固定在散热片上。其实，无论在水槽中放置散热片，还是在传感探头上缠上铜线，其目的都是为了让水融化或冰融化时能“均温”，测下来的气温才愈发稳定、准确。
3.借助自制DIY制冰机+传感进行创新实验教学
3.1水融化和冰融化创新实验教学
3.1.1实验步骤
（1）将散热片和气温传感的探头装入水槽中，并在水槽中放入适量的水，让水正好浸入传感探头为止；
（2）将体温传感数据线的另一头插入笔记本的USB中，打开笔记本中“temp.exe”温度软件，设置好水温软件中参数（如时间显示为：检查时间，气温区间：-100C～200C，刻度为10C；时间刻度为5s；刻度颜色、时间颜色、文字颜色、曲线颜色均为黄色；背景颜色：红色），如图5所示，使扫描间隔为5s）。
（3）接上中学生电源或教学电源，让制冰机开始工作，让气温达到200C以内，清空上面的数据，点击“实时记录”，开始实验；
（4）观察水槽中水融化过程的现象，当气温大于00C时,水全部融化成冰，如图6所示；
（5）断掉电源，停止制热，让冰块从空气中放热溶化。为了减短冰融化过程所用的时间，我们可以借助大功率电吹风对着散热铝管和制热片顶部加热，可实验总时间也可以控制在12min之内。
（6）待水槽中的冰完全融化后，点击气温软件中“保存图像”和“停止记录”，实验结束。
3.1.2实验数据与图象
如表1～2是气温传感采集到的水融化和冰融化过程中的一些实时实验数据.
其中系统偏差ΔT=0.340C
由气温软件按照实时实验数据手动生成的水融化和冰融化时气温随时间的变化图像如图7所示。
3.3实验结果
剖析上述实验数据和图像可知，在水的融化和冰融化过程中，气温有均保持不变这个特性，实验过程完整，实验数据稳定、准确、真实、有效，借助气温软件勾画的水融化和冰融化实验图像也十分理想。
4.教学反省
在本次实验教学活动中，因为创新改变了教材中的融化和融化的实验，让中学生完整经历了水融化和冰溶化实验的全过程，中学生在实验除了观察到了水的融化和冰溶化实验现象，并且还在实验中自主地建构了融化和融化的相关数学概念和数学规律。有效地突破教学的重难点，达到理想的教学疗效。更重要的是借助“自制DIY教具+传感”创新了实验教学新路径。
4.1用“自制DIY教具+传感”提高了实验教学疗效
用该套创新实验器材在探究融化与融化实验时，只须要将制冰机、传感器、电脑联接好接上电源即可，具有操作便捷的特性；使用该装置时无需在课前花大量的时间去打算实验材料（碎冰或冷源），大大增加了班主任的劳动硬度，但是该装置具有随时可用、重复循环使用的特性；借助吹风机辅助控制实验时间，能起到节省实验时间，为其他教学活动有效举办提供更多的时间与空间，保证了实验教学的高效。
4.2用体温传感创新实验教学数据采集新手段
室温传感与普通体温计相比，有着十分优越的特性。因为传感十分灵敏，在实验过程中，任意时刻的气温都可以通过传感测出，之后通过水温软件在笔记本上动态地呈现下来，笔记本也可以同时记录下那些数据点，并同时动态地生成气温随时间的变化图像[3]，中学生通过图像就可以直观得看出水融化和冰融化时气温的变化规律，彰显现代信息技术在数学教学应用中的方便作用。
4.3用“自制DIY教具+传感”创新实验方案
我们使用的教材是面向全体中学生这个群体，并非为我们的中学生量身定制的，教材中提供的实验方案不一定是最佳实验方案。教材只是教学的辅助资料之一，而非教学的全部，班主任作为课程的建设者，要在教材的基础上再创造，也就是用教科书，而非教教科书。班主任也应该具备评价教材，独立处理教材的能力[4]。所以，在我们举办实验教学时，应依据实验内容和知识联系情况，结合中学生的年纪特性和现代科学技术的发展，对用传统实验器材未能完成的实验要创新实验方案，巧妙借助新材料、新技术、新手段对传统的实验进行改进与创新，开拓出一条新的实验教学路径，而不是只做教材的搬运工和奴隶。
参考文献：
1.沈陈，探究晶体与非晶体融化特性的实验改进[J].小学数学，2013（7）：33-34。
2.方军，水的融化和融化实验的探究[J].数学教学阐述，2007（2）：37-38.
3.汤金波，用传感研究融化和融化现象[J].小学数学教学参考，2014（1-2）：100-101.
4.王燕红，让实验说话，我不说话[J]，小学数学，2012（2）：61:62
【基金项目】本文系浙江省教研室课题《“三管齐下”助力提升中学数学实验教学质量的实践研究》（课题编号-889）研究成果。
作者简介：江耀基（1976-），男，湖南茶陵人，学院专科熔化和凝固教学反思，学校中级班主任，研究方向：数学教学和实验教学。
谌保泉（1976-）男，四川成都人，学院专科，学校中级班主任，研究方向：自制教具，实验创新。