江祎1,张颖1,任立鹏1,王众2
（1.北京市东城区东四九条小学；2.北京行动者教育咨询有限公司）
注：本文案例源自作者的一节双师实验课，详见。
摘要： “热传导”是热量的三种传递方式之一，也是小学科学中需要学习的重要概念。但由于“热”本身无法通过肉眼看到，对于十分依赖视觉学习的小学生而言构成了一个相对抽象的概念，既不符合儿童的认知特点，也给教学造成了一定的困难。为此，既往的教学一直将“如何通过实验让学生看到热传导的过程”作为研究的重点之一。本文通过对一节采用感温变色材料“热传导”课的实证证据的分析，证实了感温变色材料不仅可以将热传导过程可视化，有助于学生建构热传导方式的概念，而且有效规避了既往方法的一些弊端。同时，本文还通过文献回顾，质疑了所谓“完整呈现现象即为剥夺了学生思考权”的观点。
关键词：热传导；感温变色材料；概念建构；完整呈现现象。
1. 既往方法的综述
对于热传导现象，比较经典的实验如下图（图1）所示：在铁架台的横杆上（一般为空心铝管）从A到B用石蜡粘住几个火柴棒，火柴棒的间距基本是一致的。然后在A点放置一热源（一般为蜡烛或酒精灯），等待片刻后，热量传递至整个横杆。由于石蜡遇热融化，火柴棒就掉落下去。又由于热传导是以热源为中心，由近及远的传递方式，因此可清晰地看到A点附近的火柴棒比B点附近的先落下。用此种方式可将相对抽象的概念形象化，极大促进了儿童的学习。
图1
而从文献的梳理看，现有对这节课教具的改进，基本也沿袭了这个思路，只是在呈现方式、表现力等方面略有改进。如龚雪丽对教具的改进，可明显地看出其沿用了火柴棒掉落的方法（图2、3），且还特别提出了“火柴为什么会倒？”的引导问题（龚雪丽,2017）。而朱朝全则化实物教具为电子教具，设计、制作了一个热敏的信号灯系统（图4、5），这样就有效解决了在实际教学中石蜡容易开裂，火柴棒提前掉落，从而导致演示实验失败的问题。但如果仔细观察不难发现，其电路设计的基本思路，与图1其实无异（朱朝全,2011）。
图2
图3
图4
图5
而与此不同的是，付国华等通过对比试验来讲解热传导概念。他们引导学生设计了6组实验：①加热整根铁丝与加热空气（半截铁丝）；②加热锅形铁丝与空气（半截铁丝）；③加热整根铁丝与断开铁丝（中间隔空气）；④加热铜片与断开铁丝（中间隔空气）⑤加热三孔铁片与试管中空气；⑥加热铁片与试管中空气。通过对热的良与不良导体的对比，建构热传导模式的概念。
当然，既往教学中也有利用感温变色材料讲解相关内容的经验。例如刘怡等利用温变油墨呈现热传导过程，同时辅以传感器，使热量变化数据化，为后续的数据分析做了铺垫（刘怡,刘翀,2017）。刘洋也在北京市东城区“第七届‘东兴杯’小学青年教师教学基本功培训与展示”中，同时利用热敏纸和温变油墨执教了平底锅的热传导问题，提供了在多维空间上讲授热传导知识的经验。如上的实践为本文研究提供了先导经验。
2. 既往方法存在的共性问题
以上诸多改进，虽然思路不同，但总体上依然能够找到经典实验的影子。而不得不提的是，无论是经典实验还是如上一些改进，都存在着一些问题：首先，虽然这些方法都在现有条件下尽可能做到了可视化，但以上方法最终还是没能将温度变化的动态过程完整地呈现出来，学生只能看到的是在热传导过程中的某些点（如火柴棒的相继掉落）。而如上文所说，儿童是特别依赖视觉学习的群体。这一点已被诸多研究所证实，如何秋琳等认为“视觉学习策略对儿童的发展有着举足轻重的作用”（何秋琳,张立春,2011）。而吴嘉敏则对比了儿童与成人在视觉干扰下完成任务的情况，结果显示：“儿童（尤其是年龄较小的儿童）比成人更容易受到视觉干扰的影响”（吴嘉敏,2022）。这表明相比于成人，视觉学习对于儿童具有更加重要的占比，所以其更易受到影响。因此，不能完整展示热传导的全过程，无疑对于建构概念是不利的。
第二，也是更重要的，相关方法（尤其是经典实验）对于学生之后热学的学习很有可能造成科学性的误导。具体原因是，热量在三维均匀介质中的传播应遵从公式：
（百度百科,“热传导方程式”词条）。其中u为温度函数，x,y,z为三维空间中的长度，t为时间，k为热扩散率，由导热材料决定。
而如果在一维空间中（即类似本文经典实验的横杆），则上式可简化为：
由(2)式可知，温度的传播速度是一个二阶偏导（一维方向上为二阶导数），且为变量。这就表明，传播速度不是匀速（即不是常数），而是随着长度的延长而衰减。这一点在本文的演示实验视频中亦可清晰看出。
但是，按照本文经典实验的演示方法，火柴棒的粘法一般是等距的（这也是老师的一般习惯），那就很有可能给学生造成一种误解：热传导是一个匀速变化的过程。虽然小学阶段不要求学生掌握传播速率问题，只要求知道大致方式，但此种呈现形式无疑会给其之后的学习制造无形的阻碍。
3. 本节课基本情况
3.1 基本情况介绍：
本节课为2022年初的一节双师课，由北京市东城区D小学两位老师执教。本节课的本意是为实践双师课堂形式，但为了更好地体现出双师课堂多媒体的同时空呈现特点，特意设计了利用温变油墨来呈现热传导过程的实验。
3.2 教学目标及设计
3.2.1 教学目标
① 科学态度：依据事实进行判断，了解热传递是有规律的，规律是可以被认识的，相信规律的客观性。
② 科学探究：
·通过“金属杆传热实验”“金属片传热实验”和“冷热水之间热传递实验”，归纳推理出热传递的规律。
·培养学生依据事实归纳推理能力和抽象概括能力。
③ 科学知识：知道热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从温度高的物体传到温度低的物体。
3.2.2 教学设计：详见（M-019）物质领域 | 双师研究课-热传导 (qq.com)。
3.3 本文对既有方法的主要改进
本节课最大的改进是通过温变油墨将既往的通过断点（一个个火柴棒）呈现的方式转变为完整、动态的形式。这样不仅极大激发了学生的学习兴趣，更重要的是比既往方式更加真实，从而有效回避了上文提到的问题。
具体效果详见如下视频：
注：为保证细节的清晰，本实验为课后补做。
4. 来自学生的证据
此种呈现方式是否对学生产生了实际的效果？由如下图片可以看到。
图6
图7
图8
从以上图片可以明显看出，学生均能明确且较正确地标出热传导的过程，说明通过完整的现象呈现，大部分学生均能建构正确的热传导概念。尤其是图8，该生还观察并记录了去掉热源后，感温材料如何恢复原样的。
5. 讨论
5.1 此种方法是否剥夺了儿童的思考？
关于利用此法进行热传导教学，肯定会产生一种疑问：如此直观、直接地将答案告诉学生，是否剥夺了他们的思考权？现行课程标准提出：“激发积极思维……让学生主动参与、动手动脑、积极体验”（中华人民共和国教育部,2022,P3）。因此与温变油墨不同，上文的经典实验由于两个火柴棒之间是不可见的，因此似乎看上去给学生留下了思考的空间。
但是，在质疑之前首先要弄清一个问题：是否只有看不见才算是给学生留下了思考空间？又或，直接呈现的方式，学生是否就不思考了，而是直接接受了？
从文献和既往的研究看，如上的问题显然是否定的。首先，从建构主义的学习理论看，我们以皮亚杰学派为例，该派虽然认为儿童的学习是一个主动的建构过程，但其从未提及直接呈现与建构结果之间的关系。皮亚杰在晚年总结其学术理论时，将“表型复制”（phenocopy）作为其理论的支柱模型。所谓的表型复制来源于生物学，是指基因对于表现型的一种“反馈”。皮亚杰认为，就像基因与表现是一对相互作用的关系，外部世界与人的认知也具有互动关系。具体模型详见图6（蒋柯,李其维,2020）。
图9
我们不关心皮亚杰的这种类比和引用是否妥当，问题的关键在于其对于表型复制的态度——这种态度实质上反映了皮亚杰的基本认知观：外部世界与儿童内心活动的互动与相互适应，是一切学习与认知行为的源动力。因此，如果说一个个火柴棒的掉落及其中间留下的所谓“思考空间”使学生可以一步步地与铁架台上的这个装置发生表型复制的互动适应的话，那么当带着前概念的学生一下子看到了完整的实验现象（且这个现象与脑中的前概念不那么一致）时，谁又能肯定，此时儿童的大脑完全没有因此而产生适应作用呢？换言之，人只要注意到一个现象——无论它是否完整——要想让他脑子里不想些什么东西的话，那是不容易的。因此，从理论上说，并不存在所谓的剥夺思考权的问题（事实上也剥夺不了）。
而且，从皮亚杰的学习论角度，完整呈现现象，似乎对于学习还有着独特的作用：正如菲利普·津巴多所说：“如果一个孩子在第一次去动物园的时候遇到了蝙蝠，那么他必须为蝙蝠建立一个新图式，因为蝙蝠是一种有翅膀但不属于鸟的生物”（菲利普·津巴多,2017,P217）。显然，那名儿童应该看到的是一个完整的蝙蝠形象——如果只看到它的一个翅膀，他恐怕很难区分它与鸟的区别，也不大可能建立新的图式。因此，完整呈现现象对于学习——尤其是顺应作用（Accommodation）应该是至关重要的。
其次，直接呈现现象对于科学概念学习很有可能是有利的。相关研究显示，儿童对于概念的学习，很可能遵循的是原型匹配的模式。这种观点认为，人类在辨识概念时，首先需要拥有一个原型（prototype），然后通过将新事物与原型尝试进行匹配的方式来学习新概念。如，津巴多提到：“你的关于‘鸟’的自然概念应该是很像鹰，而非企鹅的原型。因此，你判断鹰为鸟比判断企鹅为鸟更快”（菲利普·津巴多,2017,P164）。因此，持此种观点的学者认为也应该先给出原型，再进行辨别。例如王欢认为：“人们对自然概念的学习，可能开始只包括对原型或典型例证的认知，再以其特征为基础，逐步认知较不典型的例证”（王欢,2007）。因此，如果先给出完整现象，相当于帮助学生心中形成该概念的原型，则有助于之后更加复杂、不典型的同类概念的学习；相反，如果一开始就是探究学习，则其形成的原型很有可能是碎片化的，显然不利于学生的概念学习。
还有一点很有意思。在2016年召开的第19届全国心理学术会议上披露了一项研究成果：研究者通过功能性近红外光谱技术（fNIRS）扫描了20名在完成某项速度任务的大学生的大脑，以考察经过学习，其前概念是否消失了。结果很让人印象深刻：“我们的研究支持了概念转变后前概念与科学概念共存的观点：前概念只能被抑制，而不会被消除”（靳来鹏等,2016）。这不能不让人联想到一点：如果即使呈现完整现象依然都不能消除前概念的话，那么仅靠学生的思考搭建起来的现象，其效果又会如何呢？
所以综上，我们认为并不存在剥夺学生思考权的问题。
5.2 本研究存在的问题
并没有充分发掘现象的教学实效是本研究存在的主要问题。
如上所述，本节课明显的实验现象取得了明显的效果，让学生一下子弄清了热传导的过程。因此，如果在课前对学生的热传导进行前测，大致了解学生对于这个概念主要的问题，再利用直接、明显的现象进行引导，无疑更有助于学生的概念建构，同时也能将现象教学的实效性发挥到最大。
但遗憾的是，如前所述，这节课原意为实践双师课堂的可行性，所以客观上关注力更多集中在平行课堂的驾驭上，并没有在实验现象呈现上做足够的准备。实验现象蕴藏的巨大能力是我们在复盘这节课时发现的，因此如果之前在此方面能够做足够的研究准备，本文的证据无疑将更加详实，更令人信服。
6. 全文结论
通过本案例实践，我们认为，利用感温变色材料对热传导过程的教学是高效的，有助于学生建构相关概念。且该方式迎合了儿童的认知特点（视觉学习占主流），并有效回避了诸如科学性误导等问题。
参考文献
中华人民共和国教育部.(2022).义务教育科学课程标准（2022年版）.北京：北京师范大学出版社,2022:3
龚雪丽.(2017).关注思维发展 提高小学科学实验教学实效.小学生(教学实践),2017(01):1-2
朱朝全.(2011).换种方法做热传导实验.教学仪器与实验,2011,27(09):50
刘怡,刘翀.(2017).应用数字化实验建构科学概念——以《传热比赛》一课为例.湖北教育：科学课，2017(6):42-43
付国华,王岩.(2000).实施科学教育的几点尝试——谈小学自然《热传导》的教学.小学自然教学,2000(12):17-18
何秋琳,张立春.(2011).视觉学习研究进展.开放教育研究,17(04):23-33. https://10.13966/j.cnki.kfjyyj.2011.04.009
吴嘉敏.(2022).视觉干扰对儿童和成人双环节手臂动作控制与学习的影响.深圳大学:1-51. https://10.27321/d.cnki.gszdu.2019.000868
百度百科.(n.d.).热传导方程式.2022年10月1日获取自：https://baike.baidu.com/item/热传导方程式?fromModule=lemma_search-box
蒋柯,李其维. (2020).论皮亚杰的方法论及其当代意义.心理学报, 2020,52(08):1017-1030
菲利普·津巴多等.(2017).津巴多普通心理学.北京：机械工业出版社,2017:164
王欢.(2007).浅析教育心理学中的概念学习原理.内蒙古师范大学学报（教育科学版）,2007,20(12):86-88
靳来鹏等.(2016).概念转变后的前概念状态：一项基于皮亚杰速度任务的fNIRS研究.第十九届全国心理学学术会议摘要集:399-400
