利用物理创新实验开展创新教育的实践与思考||实验研究
利用物理创新实验开展创新教育的实践与思考
云南省红河哈尼族彝族自治州绿春县第一中学
摘 要：教师懂创新、能创新, 是开展创新教育的前提条件。在教学中, 教师利用自己开发的物理创新实验及相应的活动方案进行创新教育, 不仅可以启迪学生的智慧, 激发学生的创新意识, 还可以培养学生的创新思维和创新能力, 助力学生成长为创新型人才。
关键词：物理创新实验; 创新教育; 实践与思考;
俗话说得好, 教师要给学生一碗水, 自身必须要有一桶水。教师要对学生实施创新教育, 首要条件是教师要懂创新、能创新。我们认为, 物理教师懂创新、能创新的一个硬性标准是教师必须能够开发物理创新实验, 并设计相应的教学活动方案。矿泉水瓶是非常常见的生活废弃物品, 用它可以设计很多物理实验。我们以一个普通的矿泉水瓶为主要实验器材, 开发、设计了多个创新实验及活动方案。
一、用矿泉水瓶探究水的汽化和液化, 启迪学生智慧
在学过人教版《义务教育教科书·物理 (八年级上册) 》“汽化和液化”一节[1]之后, 学生知道液态水可以汽化为水蒸气, 水蒸气可以液化为液态水。洒在地上的水过一会就不见了, 说明液态水可以发生汽化变成水蒸气。冬天, 走在户外的行人呼出“白气”, 说明水蒸气可以发生液化变成液态水。这些是毋庸置疑的科学事实。然而事实归事实, 学生并没有亲眼看见液态水变成水蒸气, 也没有亲眼看到水蒸气变成液态水。水蒸气是无色透明的, 这也是教师告诉学生的科学事实。尽管教师反复强调“热气”或“白气”是小水珠而不是水蒸气, 但学生在考试时经常会把“热气”或“白气”对应的物态变化错答成“汽化”。
为了突破学习难点, 让学生直观感受到“汽化”、“液化”、“无色透明的水蒸气”, 同时也为了培养学生的创新意识、思维能力, 对学生实施创新教育, 在学习初中物理“汽化和液化”这一节, 我们给学生布置设计了一个实验作业。
(一) 布置学生作业
在课堂上, 我们已经用塑料袋探究了“液态酒精受热变成气态酒精, 降温后气态酒精又变成液态酒精”, 还演示了“纸杯烧水”实验。要求学生们回家后, 在家里用矿泉水瓶探究“液态水受热变成水蒸气, 水蒸气降温后变成水”, 同时探究“矿泉水瓶可以烧水”。
(二) 作业提示
实验器材:1个带有瓶盖的空矿泉水瓶、1支蜡烛、1个打火机、1瓶墨水、一些冷水。
注意事项:冷水不要太多;墨水滴在水中;矿泉水瓶要捏瘪;盖上瓶盖再对瓶中的水加热。
(三) 作业要求
在纸上写下实验步骤, 并记录实验现象、实验结论。待实验成功之后, 再次重复实验, 并用手机把完整的实验过程拍成视频。
(四) 学生提交的作业
(1) 实验操作步骤
(1) 在350m L的矿泉水瓶中装入少许冷水, 至冷水淹没瓶底即可。
(2) 在冷水中滴入一两滴红墨水。
(3) 捏瘪矿泉水瓶, 空气基本排尽后盖紧瓶盖。
(4) 点燃蜡烛, 并将蜡烛固定在地板上。
(5) 提起矿泉水瓶, 用火焰加热矿泉水瓶底部。
(2) 实验现象和结论
(1) 水沸腾前矿泉水瓶的外形无明显变化, 现象如图1甲所示。
图1 用矿泉水瓶探究水的汽化和液化
(2) 水沸腾后, 继续加热, 矿泉水瓶慢慢变饱, 说明水吸热变成水蒸气。同时, 瓶身内侧出现白色水雾, 说明水蒸气遇到较冷的瓶壁向瓶壁放热, 液化变成小水滴, 现象如图1乙。
(3) 三分钟左右后, 矿泉水瓶瓶身变圆;用力摇一摇矿泉水瓶, 瓶内侧的白色水雾被红色热水带走后, 看到瓶内红色液面上方充满透明气体, 这些气体就是水蒸气。
(4) 停止加热, 几十秒后矿泉水瓶变瘪, 说明水蒸气放热液化成水, 现象如图1丙。
(5) 观察瓶底, 发现被火烧过的瓶底向内凹陷但无破损, 说明塑料的着火点远高于100℃。
(6) 观察没有与火焰接触但与沸水接触的瓶身部位, 发现没被烫变形, 说明沸水的温度小于瓶底温度, 表明用温度计测量液体温度时, 温度计的玻璃泡不能碰到容器底。
(五) 补充说明
我们给出很多作业提示, 这样做的目的是为了降低学生设计实验的难度。因为学生刚刚学习物理, 动脑和动手的能力较差。在这个初始阶段, 我们主要培养学生的动手能力, 同时激发学生的创新意识。这个作业组合了“酒精汽化和液化”以及“纸杯烧水”的优点, 在知识上有综合也有迁移, 在本质上有拓展也有提升, 可以启迪学生智慧, 让学生明白“所谓创新, 其实就是结合自己的已有知识对事物做出一些改变”。
二、用矿泉水瓶验证大气压强的存在, 培养学生思维
人教版《义务教育教科书·物理 (八年级下册) 》中的“大气压强”一节[2], 有一个非常经典的覆杯实验。学生错误地认为纸片之所以托住水, 是因为水“粘住”了纸片。究其原因, 首先是因为我们虽然生活在空气中, 但从来就没有察觉到大气压强的存在, 教师要在认知上打破学生的经验, 建立新的观念比较困难。其次, 虽然初二学生的抽象思维有所发展, 但其抽象思维的能力还不够成熟, 占据主导地位的主要还是形象思维。学生最容易接受的是, 通过物体的形变间接感知大气压强的存在。况且, 在“液体压强”一节, 学生已经通过实验看到液体内部在各个方向上都存在压强。为此, 教师可以演示一个更为直观的、符合学生认知特点的演示实验。其实, 我们的目的不仅只是为了让学生感知大气压强的存在, 更为重要的是想通过实验的“一题多变”和“一题多解”培养学生的类比思维和发散思维。
(一) 用热水和矿泉水瓶验证大气压强的存在
在矿泉水瓶中装少许热水, 摇一摇, 倒去热水, 然后迅速盖上瓶盖。几秒之后, 矿泉水瓶发出“噼啪”的声音, 并变扁。为何会出现这样的现象?矿泉水瓶中有热空气, 热空气变冷后, 由于热胀冷缩, 空气的体积减小, 瓶内气压减小, 在大气压作用下矿泉水瓶发生形变。假如矿泉水瓶内的气压没有减小, 或者外部不存在大气压, 矿泉水瓶的形状是不会发生变化。通过逻辑推理, 学生可以认识到大气压强的存在。
实验结束后, 教师可以向学生提出问题:为什么在正常情况下, 矿泉水瓶不盖瓶盖或者盖上瓶盖, 矿泉水瓶的外观体积不会缩小?这是因为瓶内、外气压相等。如果瓶内气压大, 则矿泉水瓶的体积要变大;如果瓶内气压小, 则矿泉水瓶要被压扁 (这又回到图1的实验, 进一步加深学生对实验的理解) ;如果瓶内外气压大小相等, 则矿泉水瓶外形不会变化———人体就像此种情况下的矿泉水瓶, 因此人体本身是无法感知大气压强的存在的。
(二) 用蜡烛和矿泉水瓶验证大气压强的存在
打开一个矿泉水瓶的瓶盖。点燃一小截蜡烛, 在瓶盖中滴几滴蜡油, 并把蜡烛固定在瓶盖内 (图2甲) 。把瓶盖放在桌上, 用一只手的两个手指捏住瓶盖, 另一只手握住矿泉水瓶。让矿泉水瓶悬在蜡烛火焰正上方两三秒, 然后将矿泉水瓶套向蜡烛, 并迅速拧紧瓶盖。紧接着蜡烛熄灭, 发出“噼啪”的声响, 同时矿泉水瓶被大气压压扁 (图2乙) 。为何会出现这样的现象?此时可以让学生解释。学生按照“用热水和矿泉水瓶验证大气压强存在”的实验, 依葫芦画瓢给出正确的答案。之后, 把瓶盖拧松, 矿泉水瓶“啪”的一声, 又恢复原状 (图2丙) 。这里可以再让学生解释。
图2 用蜡烛和矿泉水瓶验证大气压强
(三) 用酒精和矿泉水瓶验证大气压强的存在
在一个塑料盘子中装一些水, 并滴入几滴酒精, 用力摇一摇。一只手握住矿泉水瓶的瓶底部位, 让矿泉水瓶横在水面上方, 并且瓶口略微向下倾斜。在矿泉水瓶瓶口附近点燃打火机, 看到矿泉水瓶中的酒精和空气的混合气被点燃, 瓶口喷吐出淡蓝色火焰, 然后迅速将矿泉水瓶的瓶口插入水中。在这一瞬间, 观察到一部分水涌入瓶内, 同时观察到瓶身“啪”的一身变扁, 紧接着水还继续涌入瓶内, 然后再看到矿泉水瓶的瓶身恢复原状。实验现象如图3所示。
图3 用酒精和矿泉水瓶验证大气压强
让学生回答, 学生给出解释:瓶口插入水中, 瓶内火焰熄灭, 瓶中的热气变冷体积迅速缩小, 瓶内气压迅速变小, 内部气压小于大气压, 于是盘中水被大气压压入瓶中。
由于携带塑料盘子和水不太方便, 这个实验也可以采用图4的方法来做。当瓶内的酒精蒸气燃烧时, 迅速用抹布盖住瓶口, 看到瓶子被压扁。注意, 不能徒手盖住瓶口, 否则火蛇会将手烧伤。虽然两个实验的原理相同, 但实验器材和实验方法略有不同。两个实验我们都做了演示, 毕竟目的是为了培养学生的类比思维和发散思维。
图4 用酒精和矿泉水瓶验证大气压强的另一种方案
(四) 小结
以上可以提前让四个学生排练几次, 上课时由学生演示、介绍实验。在演示每个实验之前, 教师在思维上要引导全班其余的学生, 诱使学生想出教师预设的实验方案。在完成这四个演示实验之后, 教师要适当强调发散思维和类比思维的重要性。发散思维和类比思维都属于创新思维的范畴。主体运用多种思维方式作用于客体, 可以对客体进行创新。另, 在下课时教师可以将以上四个实验布置给学生, 让学生任选其一录制一个“视频作业”。视频中的讲解要条理清晰, 既要有实验步骤、实验现象, 又要有实验原理和实验结论。
三、结语
在中学物理教学中, 教师利用创新物理实验可以对学生实施创新教育。我们发现, 激发学生的创新意识, 培养学生的创新思维, 相对来说比较容易。培养学生的创新能力和创新精神, 相对来说要难一些, 并且短时间内也看不到学生是否具有创新能力和创新精神。我们认为, 在创新教育的初始阶段, 教师要给学生搭建脚手架, 还要降低学生设计、完成实验的难度, 尽量让每一个学生都能动起手来。久而久之, 学生才能养成喜欢动手设计物理实验的好习惯。此外, 教师要多开发一些创新实验, 多开展创新实验的教学活动。这样做, 既可以给学生树立一个榜样, 又可以开发学生潜力。总之, 在中学物理教学中, 对学生实施创新教育是可行的。希望各位同行不断提升专业素养, 做到自身懂创新、能创新, 并将自己的创新实验应用到自己的课堂教学中
作者简介：毕亮, 云南省红河哈尼族彝族自治州绿春县第一中学, 一级教师。
基金：云南省教育科学“十二五”规划2015年度课题“创新物理实验在边疆少数民族地区中学物理教学中的运用” (课题编号:BC15030)
转载于《教育与装备研究》 2017,11(33),45-48