固体热胀冷缩实验的创新改进
永州市零陵区徐家井小学 罗湘君
一、原有教材中的实验设计
湘少版小学科学三年级下册冷与热单元中《热胀冷缩》一课，从教材结构上看可分为三部分：第一部分指导学生通过自制“液体温度计”进行对比实验，认识液体有热胀冷缩的性质；第二部分指导学生设计实验验证空气是否也有热胀冷缩的性质；第三部分指导学生认识固体有热胀冷缩的性质。
教材的第三部分设计了实验，运用固体热胀冷缩实验装置，一个铁环和一个刚好能通过铁环的铜球，把铜球用酒精灯加热后，铜球受热体积膨胀，不能从铁环中通过；再把铜球放入冷水中，铜球受冷后体积收缩，又能够从铁环中通过。依此而得出结论：固体有热胀冷缩的性质。
二、原有实验的不足
在实际教学中，我们发现教材中设计的实验存在以下不足：
1、学生在加热铜球时，由于铜球是用金属链悬挂在手柄上，三年级学生年龄较小，拿着手柄不稳定，铜球的位置不固定，不能确保用酒精灯火焰的外焰加热，影响加热效果；
2、悬挂的铜球容易晃动、滚动，学生一不小心会造成烫伤，存在一定的危险性；
3、铜球体积较大，需要加热很长时间才能看到现象，学生易失去耐心，实验效率低；
4、实验中只能看到铜球热胀冷缩变化的结果，看不到热胀冷缩变化的全过程，缺乏直观形象度；
5、实验只通过“铜球受热膨胀受冷收缩”这一种物体一种现象，得出“固体有热胀冷缩的性质”这一普遍性的结论，缺乏说服力。
三、改进后的实验装置设计与制作
为此，我们对这部分的实验设计做了改进。通过反复试验，我们自制了一个固体热胀冷缩实验装置，可以显示出热胀冷缩变化的过程，视觉效果比较好。
我们把金属条的一端固定在支架上，使之受热后只能向一个方向伸展，推动指针偏转。由于金属条受热后，伸展的长度变化集中于一个方向，又由于指针的放大效果，所以可以显示出较大的偏转距离。当金属条受热后，长度逐渐发生变化，指针也随之发生偏转，受热膨胀变化的过程就通过指针所指示的刻度显示出来；移开热源，金属条的温度逐渐下降，指针的偏转角也逐渐变小，当金属条温度降到与实验起始温度相同时，指针回复到零刻度。
以上装置的具体制作材料与方法如下：
1、实验材料：我们可选用金属条和玻璃 棒实验。取直径为3mm左右，长度为200mm 的铜、铁、铝条各一根，在两端用钉尖扎出 小孔，便于固定；另取直径为8mm，长度为 200mm的玻璃棒一根，在两端粘上小块金属 片，同样在金属片上用钉尖扎出小孔以便固 定。
2、指针：取一根长度为150mm左右的细铝丝，把前端打磨成尖形，另一端用螺丝固定在支架上，使其能灵活转动成为指针。成形后，在固定螺丝上方的左侧粘贴一小段金属丝，作为限位装置。
3、支架：由木质的底座和两块竖立的金属薄片支架构成。左右两个支架的距离，根据金属条的长度决定，高度为160mm 左右。左边支架上，装置调距螺杆，可用于调节实验所用材料的长短，以使指针起始位置指向零刻度。另取一张白色卡纸，绘制好刻度，粘贴在右边支架上。
为使显示醒目，我们把指针漆成红色，刻度线用黑色绘制。
四、改进后实验装置的操作方法
我们来看看使用以上装置实际实验操作的过程：
我们先选用铜条进行实验。点燃酒精灯，加热铜条。铜条受热后迅速膨胀，因其左端已经固定，迫使它只能朝右端方向伸展，推动指针向右偏转。这样，我们就能清晰地看到铜条受热膨胀的变化过程。熄灭酒精灯，我们看到指针逐渐回转，如果要加快冷却速度，还可以用毛笔沾冷水刷上铜条上。当铜条的温度降到与环境温度一致时，指针就会回到原刻度位置。我们还可以用铝条、铁条重复以上实验，都可以看到相同的现象。
由于铜、铁、铝都是金属材料，为了能得出“固体有热胀冷缩的性质”这一结论，我们考虑再用一种非金属材料——玻璃来实验。我们把玻璃棒装在支架上，用酒精灯加热。先进行预热，以避免玻璃棒局部受热炸裂。过了一会儿，我们发现指针慢慢向右偏转了。由于玻璃传热慢，膨胀系数小于金属材料，所以我们看到指针偏转的速度较慢、幅度较小。熄灭酒精灯，静置一会儿，让玻璃棒自然冷却，指针又会慢慢地回复原位。
五、改进后实验装置的优点
运用以上装置实验与教材上的用铜球实验相比，具有以下优点：
1、稳定性更强，更安全。由于有支架固定金属条，不再需要学生手持，使加热更稳定、更安全；
2、实验时间缩短，效率提高。实验中，加热金属条的时间只需10秒左右，就可以清楚地看到指针向右偏转，熄灭酒精灯几秒钟后，指针就往回偏转。实验效率高，可视性强，学生兴趣浓厚，更有利于课堂组织教学；
3、实验现象更直观。通过指针逐渐偏转，学生可以清晰地看到金属条热胀冷缩变化的全过程，而不只是看到结果，更为形象直观；
4、可用多种材料实验，结论更具说服力。改进后的实验装置，可以更换实验材料，加热铜、铁、铝条或玻璃棒等，都可以看到热胀冷缩的现象。这样就可以采用归纳的方法得出结论“固体有热胀冷缩的性质”。
通过教学中试验，我们发现改进后的固体热胀冷缩实验装置，操作简单，易于学生人人动手参与。《课程标准》中指出，“儿童常常依靠动手操作来认识和理解世界，而他们所能认识和理解的也往往局限于他们自己可以动手操作的具体事物”，因此，在科学教学中，如何为学生提供更易于操作的材料，值得我们每一位科学教师努力探索！
