依“史”探“计” 从“仿”到“创”

作者：曹坚

来源：《科学导报·学术》2020年第53期

【摘要】以“温度计更新迭代”的科学技术史为教学主题，通过观察、比较分析、实验探究等教学方法帮助学生掌握气体、液体温度计和不同液体温度计在设计上的异同点和优缺点。从液体温度计的仿制到固体温度计的创新设计，学生依托实验和小组合作增强思辨、动手和交流等能力，并进一步提升认知水平和科学素养。

【关键词】科学技术史;技术设计;技术素养;科学本质

当前，关于“科学技术史有机地融入科学课程”的教学研究正此起彼伏。渗透科学技术史的课堂才能更接地气，学生获得科学知识的同时也体验到科学的本质。但在实施过程中普遍缺乏有效性，课堂中常出现“科学传奇故事”、“科学家的生平和学术成就”，却很少看到“技术设计”的发展历程。

“技术设计”能力为21世纪提供技术创新型人才作支撑，《初中科学课程标准》又指出：“注重从义务教育阶段开始培养学生的技术设计能力”[1]。在倡导提升学生核心素养发展的大背景下，教师不仅只让学生重视“科学知识”，更要培养学生具有初步的“技术设计”能力。 在课堂中将“科学知识”与“技术设计”交融并提升课堂的可行性该怎么做？本文以“温度计的延伸”设计为例，谈依“史”探“计”和从“仿”到“创”并举开展科学本质的课堂教学实践和思考。 1依“史”探“计”的教学设计 1.1技术设计视角下的教学目标

（1）知道气体、液体温度计的设计原理。

（2）追寻科学史，了解气体温度计和液体温度计在设计上的异同点和优缺点，根据不同液体温度计中液体的性质初步掌握选择合适的温度计。

（3）在实验和讯息交流的基础上，依循科学家的足迹，思辨相关方案让学生感受液体温度计更新迭代的发展历程。

1.2追根溯源，逆向质疑，点拨释疑的教学过程 （1）外界因素影响技术设计

在课前，学生已经知晓历史上第一支温度计是伽利略发明的，但并不清楚其设计原理和装置特点，却掌握液体温度计的测温原理和初步的读法。历史上舍弃气体温度计而使用液体温度计其本质是一种技术改进，学生通过讨论它们的技术设计，既能牢固掌握科学知识，又能提升技术素养，体现科学本质。

对于气体、液体温度计在设计上的异同点和优缺点的讨论，采用的是如下教学进程。 展示装置1（如图1），教师介绍其组成。之后，教师把热毛巾放上去，再把冷毛巾放上去。

师：看到哪些现象？知道为什么吗？

生：热毛巾放上去，细玻璃管内水柱下降。冷毛巾放上去，细玻璃管内水柱上升，这种现象是空气热胀冷缩引起的。

师：想一想，这套装置可以用来做什么？ 生：粗略的显示温度高低，可做温度计。 师：那倒过来呢，还能不能做呢？

一瞬间，学生的脑海出现短暂的空白，脸上露出惊愕的表情，教师适时展示装置2（如图2）。学生的脸上又露出愉悦的表情，不假思索的回答“能”。在课堂中有那么一瞬间，如电路短路又恢复一般，显得一丝魔幻又恰到好处。 师：怎么证明呢？

学生会小声嘀咕用热毛巾和冷毛巾，但水的比热远远大于空气，因此让液体热胀冷缩的效果明显一些一定需要吸收或放出大量的热量。教师可把装置倒过来，并浸没到一盆热水中，之后换成一盆冰水。学生通过演示实验发现：当周围温度上升时细玻璃管内水柱上升，当周围温度下降时玻璃管内水柱下降的现象。 师：为什么会产生这些现象？ 生：水热胀冷缩。

科学史呈现：1593年，伽利略发明了世界上第一支气体温度计，装置1就是根据它的原型做的。1632年，法国医生让莱伊倒转了整套装置，发明了以水为介质的液体温度计，装置2就是根据它的原型做的。

学生小组交流1：气体（空气）温度计和液体（水）温度计设计上的异同点？学生大致可以得到以下几个观点：

相同点：①都是利用物质热胀冷缩的原理制成的。②都采用了转换的科学思想，通过液面高低反应温度的高低。

不同点：当温度升高时气体温度计液面会下降而液体温度计液面会上升。

學生小组交流2：气体（空气）温度计和液体（水）温度计设计上的优缺点？学生大致可以得到表中（表1）几个观点：

教师用洗耳球向装置1的橡皮管中鼓气和吸气，细玻璃管水面会有上下波动的现象，趁此提出问题：“液面变化的过程中，环境温度有变化吗？”环境温度不变而液面高低改变的事实让学生一开始有些错愕，但很快依据气压的知识找到了原因。既然气体温度计受大气压影响很大，那么温度计的设计就需考虑外界因素的影响，实现了将“知识问题”向“技术问题”的转化。 （2）不同介质体现多种技术设计思想

自制温度计不能测量体温使学生明白不同的需求就有不同的技术设计。回顾科学史：从第一支气体温度计（1593年伽利略），第二支以水做介质的温度计（1632年让莱伊），第三支以酒精做介质的温度计（1654年费迪南二世），第四支以水银做介质的温度计（1714年华伦海特），之后又出现了以煤油做介质的温度计。教师除了让要学生在温度计更新迭代的历程中深深感受科技的进步，更重要的是要让学生知晓温度计所装液体不同背后所体现的技术设计思想，可采用如下教学进程。

教师提问：“以上液体温度计中所装的液体是不同的，不同液体介质在设计上受哪些因素影响呢？”学生因已有知识局限而导致所能想到的合理因素较少，一般会提到熔沸点，教师可给出一张熔沸点表（表2），设置一个情景：我国黑龙江省漠河市的冬季温度一直在-40℃，选择哪种液体好呢？学生的思维从熔点迁移到凝固点，过低的温度使水和水银凝固，得出煤油、酒精比较适合的结论。

教师继续追问：“0～100℃范围内，在水和煤油两种液体中选择制作温度计，你觉得哪种好？”此问无需考虑熔沸点而是指向考虑其他因素。学生勉强提到水有反膨胀现象而不适合在0～8℃指示温度，教师要适时鼓励，其他因素可以采用锦囊的形式给出一些必要的信息，让学生明白技术设计往往跟实际需要相联系。

锦囊一：相同体积的水和煤油，升高相同的温度，煤油膨胀的体积约为水的5倍。 锦囊二：相同质量的水和煤油，升高相同的温度，水需要吸收的热量约为煤油的2倍。 学生小组交流得出结论：在其他条件相同的情况下制作温度计，选择煤油要比选择水更精确更灵敏，生活中要根据需要选择合适介质的温度计。 2从“仿”到“创”的教学设计 2.1工程技术视角下的教学目标

（1）探究玻璃管粗细对温度计设计的影响，并通过观察液体演示温度计，改进并仿制真正的水温度计。

（2）根据温度计设计原理，气体、液体温度计构造特点和双金属片受热实验来逐步引导学生创造固体温度计。

2.2探究模仿，激发创造，实践反馈的教学过程 （1）利用液体热胀冷缩的性质仿制液体温度计

学生在医务室接触过用水银做的温度计，在实验室也使用过其他液体介质做的温度计，所以对温度计的构造有一定的了解。学生先观察比较液体演示温度计与雏形的水温度计在结构上的不同，之后通过实验探究、生生讨论及师生交流得出其技术设计方面的改进，并和老师一起仿制水温度计。一系列教学流程真正让“技术”与产品“并举”，并大大提升了学生的技术素养和鉴赏技术的能力。

教师提出问题：“对装置2的液体温度计还有何改进的想法？这是演示用的温度计，对比一下还做了哪些改进？”教师通过精准的追问和师生互动得出结论：①产品细小方便携带。②上端封口，减少液体蒸发对测温的影响。③上面有刻度，可准确读数比较温度等等。 关于玻璃管粗细对温度计设计的影响，实验探究流程可采用如下教学进程。 一、请你设计实验装置，画在任务单上，并说说实验的具体步骤。 二、学生活动的实验步骤：

Ⅰ.用贴纸分别标记两支玻璃管液面的初始位置。 注：①统一以贴纸的上端与液面对齐（如图3）。 ②注视液面时，视线与凹形液面中央最低处相平。 Ⅱ.往相同两个杯中倒入相同温度的热水至杯子标记处。 Ⅲ.各组同时将两装置放入杯中。

Ⅳ.各组等待相同的时间（约1.5分钟，先撕好标签），再用贴纸标记液面的位置。 学生小组交流1：展示（如图4），汇报现象：其他条件相同，管越细液面差越大。

教师追问：“实验采用控制变量法，要求测温泡大小相同，管的粗细不同。现有一个小组测温泡的大小不同（展示图5），管的粗细相同，液面差也很大，这说明什么？”师生共同得出结论：液面差还受测温泡大小的影响。学生不难发现玻璃管液面差大小与温度计精准度高低相关，玻璃管越细，测温泡越大，温度计精确度越高。

简易温度计怎么改进才能定量显示温度？回顾可知一标准大气压下，水沸腾温度为100℃和冰水混合物温度为0℃。把简易温度计放在两种环境中，采用等分的思想将液面差分成100格，每格为1℃。玻璃管上不易标刻度怎么办？在纸上画刻度贴玻璃管上。自制温度计准确度怎么样？自制温度计和实验室多支温度计分别测量室溫并进行比较。通过仿制温度计这个过程，学生们深深体会到精巧的温度计构造所包含的诸多技术设计思想。 （2）借用固体热胀冷缩的性质创造固体温度计

学生对固体温度计的认识极其有限，经历了气体温度计和液体温度计在技术上的深度学习后，深深知晓温度计是根据物质热胀冷缩的性质来制造的。初中生利用固体热胀冷缩的性质设计温度计是一种创造力体现，同时将“知识”转变成“发明”是一种质的飞跃，对其影响不言而喻。当然，对老师来说，也是一种前所未有的新尝试。由于学生知识结构简单，可采用以下教学过程。

学生活动：铜的膨胀系数为17.7*10-6m/ ℃，铁的膨胀系数为9*10-6m/ ℃。算一算1米的铜、铁各升高100 ℃，分别伸长多少毫米？在微小的改变中，学生对毫米的认识远比米敏感，体会到铜和铁形变很小，分别仅仅伸长1.77mm、0.9mm。

学生明白用铜或者铁做温度计材料，不能明显将微小形变放大，此刻老师展示双金属片受热实验。教师准备的器材包括铁架台、双金属片（图6）、酒精槽、展台，将这些器材组合成装置3后（图7示意图），往酒精槽中倒入酒精后引燃来加热双金属条，让学生观察现象。自制的酒精槽不仅能使整条双金属片加热时受热均匀，而且长条形水平槽口能很好的作为金属条受热后形状变化的参照物。加热一段时间后看到双金属片明显弯曲，立即用湿抹布盖灭酒精槽火焰。教师介绍的这种叫“双金属片”的材料比单金属片受热后变化明显，可以用来做温度计，学生为之兴奋，但还有很多工程技术上的困难需要攻克，怎么办？

师：双金属片弯曲形变更明显一些会绕成圆，如何才能形变更明显一些？ 生1：继续提升温度。 生2：增加双金属片长度。

师：升高温度，这样的设计适用于测高温的环境，材料再长一些不便于携带。怎样对它改造，既方便携带，又能使形变明显一些呢？

生：把双金属片缠绕起来。

师：缠绕后方便携带，相同条件下怎样缠绕会小一些？ 小组实验，教师提供双金属片条，学生实际操作讨论交流。

生：不借助其他器材使缠绕比较困难，同时缠绕后体积比较大，把它缠绕到笔杆上会小一些。

师：也就是要借助工具，最好缠绕到直径比较小的物体上，试试用镊子，并将做好的产品放到酒精灯上加热尝试记录现象。

教师指导学生缠绕双金属片，展示学生中较好的作品（图8），学生在加热（图9）的过程中，发现缠绕后不仅体积大大减小，而且弯曲更加明显。

教师追问：“如何在此基础上让双金属片弯曲现象更明显一些并定量的表示出来呢？”学生没有学习过杠杆知识，但在声音传播这节课中学习过利用悬挂的乒乓球放大音叉的震动效果，在日常生活中通过钟表指针绕转感受时间的流逝，各种定量的测量工具都有刻度，这些科学知识和生活经验为创造固体温度计打下了扎实的基础。

加上指针大大放大了弯曲现象（图10教师用直喷火打火机加热演示、图11学生实验），再加一个刻度表，就是固体温度计的雏形。教师展示生活中最常见的固体温度计（图12），拆解内部结构（图13）与自创温度计对比，发现无论是内部结构还是外部构造都极其相似，这极大的鼓舞了学生的创造热情。 3教学反思

这是我在宁波大学STEM高级研修班教师培训活动中的展示课，静心沉思，为让学生掌握知识发展能力，结合学生实际水平，作如下安排： 3.1 创设情景渗透技术

缩影① 环境温度不变的情况下，向装置1的橡皮管中鼓气和吸气引起液面高低变化，说明温度计的设计需考虑外界因素的影响。

缩影② 图4、图5发现玻璃管越细，测温泡越大，液面差越大，而液面差越大直接反应温度计精确度越高。

缩影③ 比较水、煤油、酒精的物理性质，体现不同的技术设计理念。

缩影④ 改进雏形水温度计来定量表示温度，解决玻璃管上标识刻度难题。

缩影⑤ 固体温度计中通过用双金属片、材料缠绕、加指针这三项措施增强固体微小形变，再加上刻度表完成固体温度计定性到定量的设计。

通过这些情景，让学生拨开“云雾”见“明月”，认识温度计背后所包含的工程技术。 3.2 实验探究模仿研制

学生的学习过程应是主动探究，不断发现，不断创新的过程。与实验室的演示温度计对比，提出粗细对温度计设计有影响这一猜想并积极探究。从画实验装置到生生展示互动交流，提出合理实验步骤并付诸实践，最终从实验证据获得实验结论。观察对比演示温度计与雏形水温度计，学生在已有的雏形上不断改进技术，尝试制作真正意义的水温度计，体验“知识”向“产品”过渡的华丽转变，让学生真正提升技术能力。 3.3 問题引导启发创新

要突破初中生践行创造发明这一难点，深入启迪学生思维，体现教师引领作用，可设置如下阶梯式问题：①铜的膨胀系数为17.7*10-6m/ ℃，铁的膨胀系数为9*10-6m/ ℃。1米的铜、铁各升高100 ℃，分别伸长多少毫米？②用这些材料做温度计，现象不够明显，如何将微小形变放大？③实验中双金属材料弯曲了，形变更明显一些会怎样？如何才能形变更明显一些？④升温的设计适于测高温，材料加长不便携带。怎样改造此材料，既方便携带又形变明显呢？⑤缠绕后方便携带了，怎样缠绕会小一些？⑥在此基础上怎样让双金属片弯曲现象更明显一些并定量的表示出来呢？四人小组围绕这些问题开展面对面谈话，组与组交流，生与师讨论。学生在互动与合作中学习科学方法，激发创新能力。 4结语

当下，许多科技发达的国家通过其自主技术创新，形成一些新兴的产业来推动生产。所以，“技术设计”教学要激发学生的创新设计意识，但技术设计能力的培养不是一蹴而就的，它需要我们在课堂上有意识的渗透，更需要有一定的实践经验。在校教科室的带领下，所在学校的科学组以“技术设计视角下的课堂教学”为主题开出了一系列的研讨课，随着研讨的深入，我们越来越觉得技术设计能力与科学探究能力是同等重要的能力！ 参考文献：

[1]初中科学课程标准（2011年版）.北京师范大学出版社.2011：49-49 作者简介：

曹坚（1984、6），男，浙江慈溪，大学本科，中学一级（慈溪市骨干教师）。主要研究方向：科学课堂的教学设计，趣味实验的开发，“体验课堂”贯穿教学。 （作者单位：慈溪阳光实验学校）