拓宽现象　掘深本质

摘要

针对教材“风的成因”实验装置存在的火焰弱、烟雾淡、易受外界气流干扰及安全隐患等问题，可自制一款改进装置。通过增大热源、添加发烟剂及加装密封罩，该装置显著提升了热空气上升与冷空气补充过程的动态可见性，使学生能清晰观察到“热空气先上升、冷空气后补充”的连续现象，从而直观建构风的形成原理。另外，它还可以模拟房间内空气对流与海陆风等多尺度气象现象，实现从局部到全局的原理迁移。此装置操作简便、现象稳定且重复性好，能有效激发学生的探究兴趣，促进“基于证据解释现象”的科学思维发展。

Graphical abstract

关键词

小学科学 / 风的成因 / 改进 / 拓展 / 海陆风

“风的成因”是新教科版科学三年级上册第二单元第7课的内容，教材先聚焦要求学生举例说明生活中风形成的一些方法，以此建构“空气流动形成风”的科学概念，再通过一个模拟实验希望学生了解到空气的冷热变化导致空气流动是自然风形成的主要原因。该课通过收集模拟实验中观察到的现象作为依据，解释了自然界中风的形成原因^［1］。因此，一个模拟实验是否能清晰地展示实验现象、现象是否与现实相符合、所产生的数据和结果是否具有可靠性和稳定性，这就决定了这个模拟实验是否更有效或更具指导意义。

1 教材实验装置存在的问题

风是大气中空气流动引起的一种自然现象，由于空气受热或遇冷而发生流动，从而形成风。由于空气是无形无色的，肉眼难以直接观察，因此在教学中，常常让学生按照教材图片的方法进行实验。如图1所示，教材是采用一个纸盒，在纸盒的侧面和顶面各打一个孔洞，在纸盒里点燃蜡烛，然后将蚊香靠近纸盒侧面的孔洞，同时将纸条靠近纸盒顶面的孔洞，借助蚊香烟雾的飘动和纸条的变化，从而演示和讲解风的成因。

然而，在教学实践中此模拟实验存在以下不足：①蜡烛的火苗很小，所产生的上升气流也很小，上方纸条飘动得不明显且容易受外界气流的干扰，无法确定是内部气流还是外部气流使纸条飘动；②在分组实验中，长时间点燃蚊香会在教室内产生大量烟雾和刺激性气味，这既不健康也不环保；③纸盒里的蜡烛容易点燃纸盒，存在安全隐患；④原实验装置只有一面透明，五面不透明，不利于小组成员观察；⑤纸箱密封性不好，蚊香烟雾又较轻薄，容易导致烟的运行轨迹不明显；⑥实验看不出冷热空气流动的先后顺序，缺乏直观性，不利于学生建构“当热空气上升时，空出来的区域（低压区）将由附近的冷空气（高压区）来填补，流动的空气就形成了我们感受到的风”的科学概念。

“热空气上升后，冷空气会过来补充”是该节课学生必须掌握的核心概念^［2］。在教学实践中，笔者采用教材实验装置教学时发现，仍有相当一部分学生不能顺利用此实验模型正确解释风的成因，如表1所示。

2 改进实验装置

为了提高课堂教学的效率，让学生能够通过形象、直观的体验得出结论，笔者针对现有问题提出改进方法，使得模拟实验装置更易于观察和研究，从而激发学生学习的积极性。经过多次试验，发现改进后的实验装置能够很好地完成教学目标，具体设计如图2所示。

2.1 制作材料

透明塑料盒1个（带盖）、透明塑料管3段、38 ℃感温变色油墨（＜38 ℃为紫黑色，≥38 ℃为粉红色）、电加热片1个、小水槽1个、起雾器1个。

2.2 热源的改进

教材采用蜡烛加热空气，火苗小导致上升气流微弱，上方纸条飘动不明显且易受外界气流干扰，难以区分气流来源。若加大蜡烛的火苗，则有点燃实验箱（纸箱）的风险，同时过大的明火火源也给学生分组实验（小学三年级）带来了危险。故此，选择电加热片可以减少蜡烛等明火带来的不确定因素，且只要接通电源即可，减少了原实验装置点火及点火后再贴透明塑料膜等烦琐步骤。

2.3 烟雾的改进

教材采用蚊香产生的烟来指示空气的流动，一方面蚊香的烟很小，实验现象不明显；另一方面产生大量烟雾，对教室环境造成污染。故而，选择用水雾来代替蚊香的烟，只要在水槽中加水，再接通起雾器的电源，马上就会产生大量的雾气，且产生的雾气由于比空气稍重，会集中沉在实验盒底部，这也为后续实验产生更多有意思的现象提供了基础。

2.4 冷热空气的指示

教材实验并未设计空气温度变化的指示装置，而是引导学生运用前一节课“我们做一个热气球”中掌握的科学概念——“空气受热后会膨胀变轻而上升，变冷后又下降”，凭感觉判断实验箱上方流出的为热空气，下方流入的为冷空气。这也是本节课的重点和难点所在。笔者在采用教材实验装置上课时发现，三年级学生迁移能力不足，难以解释此现象产生的原因，正如表1所示，仅约四成学生能够解释“热空气上升后，冷空气会填补其位置”这一现象。因此，在透明塑料管内壁涂上38 ℃感温变色油墨，当温度达到38 ℃后油墨会变成红色（38 ℃以下为紫黑色），以指示冷热空气的进出情况，为学生建构实验模型提供更有力的证据支撑。

3 实验操作步骤及现象分析

改进后的实验装置操作步骤较原实验装置操作上简便很多。具体操作步骤：首先，将装置置于无风环境的水平桌面上，在水槽中加满水并盖上顶盖，先用塞子堵住b管，接通起雾器电源。起雾器工作15 s后，白茫茫的雾气由于比空气稍重，会集中沉在实验盒的底部，c管处也有大量的雾气不断流出，如图3所示。

接通加热片的电源后，可以观察到，加热片处首先升腾起雾气，撞击到实验盒顶部后向四周散开，再下降。这一现象清晰地展示了冬季房间内空气的对流情况，这也解释了为什么暖气片要安装在房间底部。在学习完该节课后，可以将此现象作为拓展内容向学生展示，帮助他们将“风的成因”与“空气对流”联系起来，加深对知识实际应用和意义的理解，培养他们的创造性思维和解决问题的能力，激发学习科学的兴趣和热情。

之后可以看到a管处冒出雾气，而c管处雾气不再流出，并发现外部空气从c管处不断流进（透明气流），a管处的感温油墨变红，c管处的不变色，说明流出去的是热空气，流进来的是冷空气。

综上所述，该实验装置可以清晰地展示“冷热空气对流形成风”的先后顺序：加热片处先升腾起热气，此处留下“空缺”位置后被外面流进的冷空气所填补，从而使冷热空气产生对流，形成风。

“冷热空气流动的先后”现象刚好弥补了教材实验无法观察到的那部分，它为“风的成因”提供了清晰、详尽、有力的证据，为学生的探究提供直接、关键、接近科学本质的思维“支架”。通过观察冷热空气流动的先后现象，学生可以直观理解风的形成原理，而不再是“教师反复引导，学生反复描述”的机械记忆。因此，冷热空气流动的先后现象不仅仅是一种自然现象，更是一种教学资源，为学生学习“大气对流”提供了更多的可能性和机会。通过这种方式，学生便于全面理解风的成因，既提升其观察力和实验能力，又为其今后的科学学习打下坚实的基础。

4 实验拓展

正如著名科学哲学家和科学史学家托马斯·库恩所言：“科学的进步并不是因为它发现了新事实，而是因为它发现了新视角。”因此，我们可以在原有实验的基础上进行改进和扩展，以便获得更多的实验数据和结果。这样做可以帮助我们更全面地了解实验对象的特性和行为，同时也能够为学生理解“大气对流”提供更多的实验依据和支持。另外，通过不断改进实验装置，还可以激发学生的创新思维，促进科学技术的进步和发展。

如果关闭c管，可以看到此处空气不再流进，a管处热空气的流出也明显减少（图4-a），说明内外对流也停止了。打开b管的通道，可以很明显地观察到，冷空气自上而下地流进来，热空气再次流出（图4-b），这个现象可以说明：“大气的对流之海陆风的形成”——白天陆地温度比海洋高，陆地表面的空气上升，陆地表面空出来的位置被海洋来的相对较冷的空气补充，形成海陆风，海洋表面又被其上方的冷空气补充，晚上则相反（图5）。

5 实验效果分析

通过该实验装置的使用，学生对风的形成过程有了更加深刻的理解，提高了实验观察能力和科学素养，具体体现在以下方面。

（1） 观察更全面：整个实验装置采用透明的亚克力板为外框制作材料，六面透明。这种设计使学生能够全方位地观察风的形成过程，从不同角度观察可以帮助他们更好地理解风的形成机制，增强他们的观察能力和对自然现象的直观认识。

（2） 操作更方便：只需加水、插电源即可。简单易操作的设计让学生能够更轻松地进行实验，不需要复杂的准备和操作步骤，从而更专注于观察和实验过程。

（3） 基本没耗材：不消耗蜡烛、蚊香等耗材。由于实验装置不需要使用一次性耗材，学生可以反复进行实验而不用担心耗材的浪费，这有助于培养他们的节约意识和环保意识。

（4） 现象更明显：实验装置设计使得雾气的流动更加清晰可见，让学生能够直观地观察到风的形成过程，从而更深刻地理解风的产生和流动规律。

（5） 可重复性好：结构简单，结实耐用，密封性好，成功率高。实验装置的设计保证了其稳定性和可靠性，能够反复进行实验而不用担心装置的损坏或实验失败，这有助于提高学生的实验重复性和实验技能。

（6） 冷热可观察：通过感温油墨显色，可知空气冷热。实验装置的设计使得学生能够观察到空气的温度变化，从而直观地了解空气的冷热变化对风的形成和流动的影响，增强了他们对气象现象的理解。

（7） 模拟更多元：既能模拟“风的成因”，也能模拟“房间内空气的对流”和“大气对流——海陆风的形成”。实验装置的多功能设计使得学生能够通过一个装置模拟多种实验，从而更全面地了解不同气象现象的形成原理，培养了他们的实验探究能力。

（8） 揭示科学本质：该实验装置可以清晰地展示“冷热空气对流”的先后顺序，能从现象上更加接近风形成的科学本质。通过观察和实验，学生能够直观地看到风的形成过程，从而更深入地理解风的科学本质，培养他们对科学现象本质的认识和理解能力。

6 结语

综上所述，该改进实验装置不仅能让学生更深刻理解风的形成过程，显著提升实验观察与科学思维能力，其操作简便、成本低廉、现象稳定可重复、冷热变化直观、可模拟多元气象现象并揭示科学本质等优势，还有助于激发学生对自然科学的持久兴趣与深入探究精神，促进课堂有效教学与素养落地，从而为一线教学提供可复制、可推广的低成本高效实验方案，推动科学探究与生命观念的深度融合。

环境支架、学材支架和交流支架的构建，可以为学生提供一个促使深度探究自然发生的平台。营造真实氛围、唤醒真实思维、选择合适的学材完成真实任务，以及促进师生和生生之间的真实交流，能够让学生在自主沉浸的学习中，探寻知识的深层意义，批判性和创造性地建构对科学现象的理解，并形成个性化的解释。

卡尔·雅思贝尔斯说：“真正的教育是用一棵树去摇动另一棵树，用一朵云去推动另一朵云，用一个灵魂去唤醒另一个灵魂。”^［6］教育不是灌输而是唤醒。教师唯有努力设计助力学生深度探究的多元学习支架，才能让学生从游离其外的“课堂观光者”转变为“全身心投入的探索者”，最终让深度探究真实发生。

参考文献

[1] 黄其梅.“风的成因”模拟实验装置的改进［J］.实验教学与仪器，2020，37（7/8）：131-132.

[2] 乔廷强，范明刚.依托模拟实验发展学生模型建构能力：以“风的成因”教学为例［J］.基础教育课程，2024（01）：34-38. （上接第67页）

[3] 或补充引发思维碰撞，这是形成深度探究共同体的重要标志。

[4] 结语

基金资助

江苏省教育科学“十四五”规划2025年度课题“基于真实性学习的小学科学‘技术与工程’探究实践的研究”(C/2025/03/15)