在實(shí)驗(yàn)探究中培養(yǎng)有創(chuàng)新潛力的早期人才

潘加健

物理實(shí)驗(yàn)是物理課程的重要部分，科學(xué)探究是物理實(shí)驗(yàn)中最具挑戰(zhàn)性的教學(xué)內(nèi)容.中學(xué)物理教學(xué)的一個(gè)重要任務(wù)，是發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)在科學(xué)素養(yǎng)、學(xué)識(shí)經(jīng)驗(yàn)、交流合作和創(chuàng)新決策等不同方面具有足夠潛力和修養(yǎng)的科技人才.筆者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)探究應(yīng)該是這些人才能夠被早期發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)的有效途徑.為此，筆者參與了江蘇省教育科學(xué)十二五規(guī)劃2013年初中專(zhuān)項(xiàng)重點(diǎn)自籌課題《基于科技創(chuàng)新人才早期培養(yǎng)模式的初中少年科學(xué)院發(fā)展新模式的實(shí)踐研究》.采取課堂教學(xué)與課外實(shí)踐相結(jié)合的辦法，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中全面提高自身的綜合素養(yǎng).我校學(xué)生課外實(shí)踐活動(dòng)的主要形式是以樹(shù)人少年科學(xué)院為載體的研究性學(xué)習(xí)共同體.

《溫度的測(cè)量》是學(xué)生第一次學(xué)習(xí)和使用的測(cè)量工具，是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的真正開(kāi)始.該節(jié)課的重點(diǎn)是溫度計(jì)的原理與使用.通常的教學(xué)是教師先出示常用溫度計(jì)、實(shí)物掛圖讓學(xué)生觀察，引導(dǎo)學(xué)生思考溫度計(jì)的構(gòu)造、原理.然后讓學(xué)生通過(guò)測(cè)量燒杯中水的溫度，歸納出使用方法.這樣的教學(xué)過(guò)程表面上是順暢的，學(xué)生也經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，溫度計(jì)使用方法的得出也是水到渠成的.但事實(shí)上，學(xué)生的思維是被動(dòng)的.因?yàn)閷W(xué)生是機(jī)械地模仿教材上的設(shè)計(jì)進(jìn)行的，教學(xué)的過(guò)程顯然缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)某橄笈c概括、分析與綜合、推理與判斷的過(guò)程.這樣的教學(xué)是不利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高和科技創(chuàng)新人才的早期發(fā)現(xiàn)與培養(yǎng)的.

1課堂教學(xué)片段

教師：（出示圖1所示的自制溫度計(jì)）老師這里有一只玻璃瓶，瓶?jī)?nèi)裝滿淺紅色的液體，用中間插有玻璃管的橡皮塞將液體封住，橡皮塞的上方有一小段液柱， 液柱顯淺紅色，是為了便于觀察其在玻璃管中的上升或下降.大家討論一下，用這只玻璃瓶能分辨出講臺(tái)上的甲、乙兩杯水溫度的高低嗎？

學(xué)生：（思考、討論）能夠，只要將玻璃瓶先放入甲杯水中，觀察玻璃管中液柱平衡時(shí)液面的位置.然后將玻璃瓶放入乙杯水中，如果此時(shí)玻璃管中液柱上升，說(shuō)明乙杯水的溫度比甲杯水高，如果玻璃管中液柱下降，說(shuō)明乙杯水的溫度比甲杯水低.

教師：這種判斷方法有理論依據(jù)嗎？

學(xué)生：有，玻璃瓶放入溫度高的水中后，玻璃瓶?jī)?nèi)液體的溫度將升高，體積將增大，玻璃管中的液柱將升高.其理論依據(jù)是液體具有熱脹冷縮的性質(zhì).

教師：你們同意這種觀點(diǎn)嗎？（同意，教師讓該學(xué)生上講臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）.

學(xué)生：（演示實(shí)驗(yàn)）剛才的實(shí)驗(yàn)顯示，辨別甲、乙兩杯水溫度高低時(shí)，玻璃管中液柱的升高或降低的幅度不大，說(shuō)明該裝置的演示的可視性不夠.

教師：那么采取怎樣的措施，能使玻璃管中液柱能靈敏上升或下降呢？（學(xué)生合作討論后回答）

學(xué)生1：可以將玻璃管變細(xì)一些，玻璃管中的液柱由于橫截面積的減小，使液柱升高的高度增大.

學(xué)生2：可以換大一些的玻璃瓶，瓶中由于液體質(zhì)量的增加使膨脹后的體積增大得更多，玻璃管中液柱上升的高度就會(huì)更大.

學(xué)生3：還可以將玻璃瓶中的液體換成熱膨脹性能更好的液體，增大其膨脹后的體積，使液柱升得更高.

教師：剛才的三位同學(xué)從不同的角度采取不同的方法，其目的都是為了增大液柱上升的高度.由此也給我們提供一個(gè)值得探究的問(wèn)題，由于時(shí)間關(guān)系，該問(wèn)題的探究留在課外進(jìn)行.各小組按照“提出問(wèn)題、猜想假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、分析論證、得出結(jié)論”這幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行，“合作交流”的環(huán)節(jié)留在下堂課上進(jìn)行.

教師：利用這個(gè)玻璃瓶能測(cè)甲、乙兩杯水溫度的大小嗎？

學(xué)生：不能，因?yàn)椴ＡЧ苌先鄙倏潭?

教師：那么如何給它刻上溫度的刻度呢？（引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)教材，找到溫度計(jì)刻度的方法）

學(xué)生：（討論、交流）先將該玻璃瓶放在冰水混合物中，玻璃管中液柱穩(wěn)定時(shí)在其上表面處刻上0 ℃，然后將其放入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸水中，在玻璃管上刻下100 ℃，再在0 ℃到100 ℃之間均勻地刻上100等份，每一份就是1 ℃.

教師：現(xiàn)在用這個(gè)已經(jīng)在玻璃管上刻有溫度刻度的玻璃瓶，就能測(cè)物體的溫度了，我們先給它取個(gè)名字，（學(xué)生異口同聲回答：溫度計(jì)）用這樣的溫度計(jì)測(cè)量物體的溫度方便嗎？說(shuō)明理由.

學(xué)生甲：（自由討論）不方便，因?yàn)椴Ａ康捏w積太大，玻璃管太粗，測(cè)量精度不夠.

學(xué)生乙：玻璃管端口沒(méi)有封閉，移動(dòng)時(shí)液體容易從端口流出，不方便攜帶.

教師肯定了學(xué)生的回答，并讓學(xué)生從構(gòu)造、刻度、使用范圍方面思考，比較實(shí)驗(yàn)室溫度計(jì)、寒暑表、體溫表的異同點(diǎn).再通過(guò)測(cè)量水溫的實(shí)驗(yàn)歸納出溫度計(jì)的使用方法.最后，提醒學(xué)生課外以小組為單位，圍繞溫度計(jì)的精度問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，下堂課交流展示.

2課外實(shí)驗(yàn)探究

各小組在課外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，現(xiàn)將其中比較典型的探究報(bào)告整理如下.

2.1提出問(wèn)題

溫度計(jì)的精度與哪些因素有關(guān)？

2.2猜想假設(shè)

猜想一：溫度計(jì)的精度可能與玻璃泡的大小有關(guān)；

猜想二：溫度計(jì)的精度可能與玻璃管的粗細(xì)有關(guān)；

猜想三：溫度計(jì)的精度可能與管內(nèi)測(cè)溫液體有關(guān).

2.3設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

2.3.1實(shí)驗(yàn)器材

圖2是部分學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室提供的器材進(jìn)行探究的.其中玻璃瓶分別選容積為30 mL、60 mL和125 mL的小、中、大三種，玻璃管選直徑為3 mm、4 mm和5 mm的細(xì)、中、粗三種，并在玻璃管上貼上刻度線（不是溫度線），便于記錄液柱升高的格數(shù).燒杯和用高錳酸鉀配制的紅色的水，為便于觀察液柱的刻度，燒水壺用來(lái)提供熱水，水槽中配制淺紅色的水也便于觀察.

2.3.2實(shí)驗(yàn)步驟

（1）先用三個(gè)大小不同的玻璃瓶代表玻璃泡的大小不同，瓶?jī)?nèi)裝滿相同的水，相同的玻璃管上刻有相同的刻度線.將三個(gè)玻璃瓶分別同時(shí)置于裝有冷水和熱水的水槽中，分別觀察水柱上升的高度，如圖3所示.

（2）再用刻有相同刻度線但粗細(xì)不同的三個(gè)玻璃管，通過(guò)三個(gè)相同的橡皮塞將三個(gè)裝滿相同水的相同玻璃瓶口封柱.將三個(gè)玻璃瓶分別同時(shí)置于裝有冷水和熱水的水槽中，分別觀察水柱上升的高度，如圖4所示.

（3）最后在三個(gè)相同的玻璃瓶?jī)?nèi)裝滿酒精、水、煤油，用三個(gè)刻有相同刻度線的相同的玻璃管通過(guò)三個(gè)相同的橡皮塞封柱玻璃瓶口.將三個(gè)玻璃瓶分別同時(shí)置于裝有冷水和熱水的水槽中，分別觀察水柱上升的高度，如圖5所示.

2.4收集數(shù)據(jù)

（1）驗(yàn)證猜想一的實(shí)驗(yàn)記錄如表1所示.（二次示數(shù)的高度差，如圖6所示）

玻璃泡越大，其熱膨脹而增加的體積就越多，液柱升高的高度就越高.即玻璃泡越大的溫度計(jì)精度越高.

由表2可知，溫度計(jì)的精度與玻璃管的粗細(xì)有關(guān).在玻璃泡的大小相同、測(cè)溫液體升高的溫度相同時(shí)，其熱膨脹而增加的體積ΔV雖然相同，但由ΔV=sh可知：s越小，h就越大，也就是說(shuō)：玻璃管越細(xì)，液柱升得越高.即玻璃管越細(xì)的溫度計(jì)，其精度就越高.

由表3可知，溫度計(jì)的精度與測(cè)溫液體有關(guān)，在玻璃泡的大小相同、玻璃管的粗細(xì)相同時(shí)，不同測(cè)溫液體由于其熱膨脹的性能不同，使它們雖然升高相同的溫度，熱膨脹程度大的液體其增大的體積多，液柱升得就高.即測(cè)溫液體熱膨脹性能高的溫度計(jì)的精度也高.在水、煤油、酒精這三種測(cè)溫液體中，酒精的熱膨脹性能最好，用它作溫度計(jì)的測(cè)溫液體，其靈敏度比較高，水的靈敏度比酒精低得多，所以不用水作溫度計(jì)的測(cè)溫液體.（水在4 ℃以下具有反膨脹特性、水的比熱容大等都是不能作測(cè)溫液體的原因）

2.6得出結(jié)論

綜上所述，溫度計(jì)的精度與玻璃泡的大小、玻璃管的粗細(xì)、測(cè)溫液體的熱膨脹性能等因素有關(guān).玻璃泡越大、玻璃管越細(xì)、測(cè)溫液體的熱膨脹性能越好，溫度計(jì)的精度就越高.

2.7實(shí)際應(yīng)用

利用該結(jié)論，人們制成了精度高的能測(cè)量人體溫度的體溫計(jì)，如圖7所示.其玻璃泡比普通的溫度計(jì)要大得多，玻璃管比普通的溫度計(jì)要細(xì)得多，水銀的熱膨脹性能比普通的溫度計(jì)中的酒精或煤油要好得多，所以體溫表的分度值能達(dá)到0.1 ℃，其精度比分度值為1 ℃的普通溫度計(jì)要提高10倍.由于體溫表要離開(kāi)人體讀數(shù)，所以增設(shè)了“縮口”， 測(cè)體溫時(shí)水銀膨脹能通過(guò)縮口回升到上面玻璃管里，讀體溫計(jì)時(shí)，體溫計(jì)能離開(kāi)人體，水銀遇冷收縮，水銀柱來(lái)不及退回玻璃泡，就在縮口處斷開(kāi)，仍然指示原來(lái)的溫度.體溫計(jì)量程為35 ℃～42 ℃，這可以減小體溫計(jì)的長(zhǎng)度，縮小體溫計(jì)的包裝體積，便于隨身攜帶.