綜合實踐活動:用電冰箱研究物態變化現象

駱 波

(江蘇省錫山高級中學實驗學校，江蘇 無錫 214177)

設置“綜合實踐活動”是蘇科版初中物理教材的一個重要特色．2012年教育部專家在教材審查意見中指出:“教材的邏輯結構符合學生的認知特點,特別是綜合實踐活動的設置,使學生學會了探究物理的研究方法,學會研究、學會解釋生活現象”．

“綜合實踐活動”的基本定位是“以初中物理知識和能力為基礎,通過探究性活動或技術設計與制作活動解決生活中的實際問題,獲取并整合經驗”．不同類型的綜合實踐活動應采用不同的設計路線,探究性活動一般以“主題—探究—表達”的單位來設計,而技術與制作活動則通常以“任務—方案—評價”的方式來組織．

“用電冰箱研究物態變化現象”屬于探究性綜合實踐活動,以下結合案例談本活動的設計路線和實踐紀要．

1 主題與準備

家用電冰箱工作時,其內部是一個低溫的小環境,主要用來冷藏或冷凍食品．我們也可以將它作為一個制冷工具,用來開展一些有趣的實驗研究．本次綜合實踐活動在國慶假期期間完成,物理不再布置其他假期作業．

研究的主題、器材及價值如表1所示.

本綜合實踐活動具有一定開放性:學生可以自選實驗項目,可以結合實際靈活選取實驗器材,可以通過多種形式(照片、表格、圖形)記錄實驗現象及數據．綜合實踐活動對學生提出了更高的能力要求:需自行設計實驗方案與制定計劃,遇到疑惑時需自行尋求解答途徑(如網絡搜索、查閱書籍、請教老師),研究成果需以PPT或研究報告的形式呈現．

表1 綜合實踐活動項目簡介

續表

2 探究與思考

本模塊介紹學生綜合實踐的活動過程、采集的證據及相關的問題探討．

2.1 研究電冰箱內的溫度分布情況

(1) 探究過程.

實驗步驟: ① 將幾支溫度計分別放在冷藏室的上部、中部、下部以及冷凍室中,幾分鐘后,記錄各測量點的溫度．

② 在冷藏室的某一層,距離電冰箱門遠近不同的位置放置溫度計,幾分鐘后,記錄各測量點的溫度．

比較這些溫度值,看一看,電冰箱內的溫度分布有什么特點?

學生A的測量結果如表2.

表2 電冰箱溫度分布

測量發現:冷藏室各層溫度有所不同,上部溫度高,下部溫度低;同一層不同位置也有所不同,靠冰箱門處溫度高,距冰箱門較遠處溫度低．

究其原因,學生上網進行了檢索,得知:冷空氣密度較大,沉在冷藏室底部,導致下部溫度較低;電冰箱的蒸發器(吸熱制冷)離冰箱門較遠,開冰箱門時有熱空氣進入,故距門較遠處溫度較低．

(2) 困惑交流.

學生B測的數據如表3.

表3 數據質疑示例

原因及改進建議:冰箱門開著,測量結果接近室溫．應關閉冰箱門測量,多等待幾分鐘,前后兩次開冰箱門示數幾乎相同時再記錄數據．

學生C測的數據如表4.

表4 數據質疑示例

原因及改進建議:等待時間太短,溫度計示數未穩定．未控制溫度計距離冰箱門的距離相等．應控制溫度計距離冰箱門距離相等,待示數穩定后再讀數．

2.2 制作凍豆腐

(1) 過程及解釋.

① 去市場購買一個新鮮的普通豆腐,先觀察豆腐的外觀,記錄下其表面狀態．

② 將新鮮豆腐放到電冰箱的冷凍室內,冷凍一兩天后取出,觀察“凍豆腐”的形狀發生了什么變化．

③ 解凍后切開,觀察“凍豆腐”內部有什么變化．

觀察到:新鮮豆腐呈白色,冷凍后變成淡黃,解凍后又恢復白色．凍豆腐體積變大,解凍后切開內部有大量蜂窩狀小孔．

學生結合所學知識及上網檢索,得知:豆腐中的蛋白質含量高,凝固后呈米黃色,解凍熔化后又是白色了．水凝固成冰,密度變小,體積變大,原來的小孔被冰撐大,熔化后水流失,就留下了大量小孔．

(2) 計算分析:4℃時,水的密度最大,當豆腐的溫度降到0℃時,水的體積變大．0℃的水凝固成冰,體積進一步增大．上述哪個過程體積膨脹得多?

表5 水在不同溫度下的密度

圖1 水在不同溫度下的密度

由表5數據可知,液態水在降溫過程中體積變化僅0.01%(從圖1上看,液態水密度變化非常小),水凝固成冰體積增大約11.1%(從圖像上看,0℃的水凝固成0℃的冰密度變化顯著)．

2.3 自制冰淇淋

制作過程:取蛋黃2個、砂糖25g、鮮奶200g,放在奶鍋內充分攪拌,再用小火加熱并不斷攪拌,直至蛋奶變得濃稠．用過濾網將蛋奶過濾到較小的食品盒內,自然冷卻后,加入200g奶油并攪拌均勻．蓋上盒蓋,將食品盒放到電冰箱中冷凍．每隔30min取出攪拌一次,共進行4次．這樣,冰淇淋就制成了．

點評:該同學取蛋黃時,巧妙利用了大氣壓的知識．動手能力強,冰淇淋成品色香味俱佳．經歷自制過程,不僅觀察到了物態變化的現象,更品嘗到了創造的樂趣．在家人的分享中,學生收獲了贊揚,強化了物理學習的興趣和家庭環境的支持．

圖2 冰淇淋的制作過程

2.4 研究不同液體的冷凍情況

(1) 探究的問題.

① 在4個透明的杯子中分別裝入等量(約100mL)的水、牛奶、糖水、食鹽水,然后將它們放入冷凍室內．每隔一定時間打開電冰箱觀察液體的狀態,它們的凝固點是否相同?

② 再用不同濃度的食鹽水進行實驗,食鹽水的凝固點與其濃度有什么關系?

(2) 收集的證據如表6、7所示.

表6 不同液體在冷凍過程中的狀態變化

結論①: 水的凝固點>糖水凝固點>鹽水凝固點>牛奶凝固點．

表7 不同濃度液體在冷凍過程中的狀態變化

結論②: 鹽的濃度會影響水的凝固點;濃度越高,凝固點越低．

(3) 困惑交流.

思考①: 能根據固態物質多少或開始凝固所需時間,比較凝固點的高低嗎?

在粗略研究中,可以認為上述液體降溫速度大致相當,先開始凝固的液體,說明其凝固點較高,一段時間后,其凝固成的固態物質也較多．

思考②: 怎樣測出不同液體的凝固點?

這是學生普遍反映的困惑,即在冷凍室難以測量液體的凝固點．這個難點被少數學生解決了,方法有2種:一是改進測量工具,使用電子式的溫度計,待固液共存時直接測量表面溫度;二是待固液共存時取出小杯,在室內測量其熔化溫度．

方法1操作簡便,但所測溫度為液表溫度,受冷凍室內環境溫度影響,所測凝固點明顯偏低．方法2測量結果更準確,運用了轉化思想,同一晶體的凝固點與熔點相等,表明該學生對相關知識的認知達到了遷移應用的較高層次．

3 表達與評價

3.1 研究成果的匯報答辯

學生在實踐過程中,用手機對關鍵步驟或現象拍照,及時記錄觀察到的實驗現象和收集的測量數據,用所學知識對現象進行解釋,分析并論證所得到的結論．此外,將意外的發現或難以解釋的困惑也一并記錄．最后制做PPT,面向全班同學做綜合實踐活動匯報．這個過程全面鍛煉了學生收集信息、加工信息和表達信息的能力,對提升研究素養大有裨益．

在聽取同學匯報時,其他同學聯系自己在實踐中遇到的困難,記錄本研究的突出亮點、不足與改進建議．待同學匯報結束后,其他同學可以舉手提問,匯報的同學做出相應回答．答辯環節的設置,可以確保全班同學養成傾聽的良好習慣和質疑的批判性思維,更可以促使學生在實踐時深入思考,充分預設學生們可能提出的問題,提前加以準備或探究．這個環節往往能生成新的問題,使探究活動得以延伸,更接近真實的科學研究過程．比如,有學生提出:電冰箱的冷凝器是怎樣實現自動溫控的?影響液體凝固點的微觀實質是什么?盡管這些問題暫時無法得到滿意的答案,但我們相信,這些新問題就像一粒粒埋在土壤里的種子,終將破土而出,開花結果．

3.2 綜合實踐活動的評價

綜合實踐活動的評價,在內容上要著眼于實踐的過程,在形式上宜采用質性評價,在主體上要賦予學生評價權．以本次綜合實踐活動為例,將評價表(見表8)下發給班級里的學習小組,小組商議后填寫評價表．

評價維度主要出于以下考慮:研究的廣度是為了引導學生廣泛開展研究,充分利用各種資源,延展學習的邊界;實踐的深度是為了保障研究的品質,使學生養成嚴謹細致的研究習慣;匯報的效度是為了讓學生意識到成果表達的重要性,發展書面表達和口頭交流的能力．

最終根據學生小組的評價結果,教師對綜合實踐活動進行點評和總結,對學生存在的共性問題給出解答或建議,并對表現突出的學生個人或小組予以獎勵．需要說明的是,可根據不同綜合實踐活動的類型及目標指向,靈活設計評價表,充分發揮評價的激勵和導向作用．

結語:綜合實踐活動是基于物理知識和科學方法的項目學習活動,經歷全程的探究和設計,有利于學生對科學探究的理解,提升科學探究能力,有利于學生對技術的理解,提升技術設計的能力．綜合實踐活動的開放性強,為學生自主選擇和創新提供了更廣闊的空間,有利于發展學生的個性特長和增加學生合作的意識和能力．總之,物理綜合實踐活動是一種很好的教學形式,值得教師們做更多的實踐研究．

表8 綜合實踐活動評價表