指向科學思維培養的靜電創新實驗

王妍琳

(深圳龍崗區坂田實驗學校,廣東 深圳 518129)

靜電現象與生活聯系緊密,相關內容貫穿小學科學、及初、高中物理課本,但相關內容在科學教學過程中往往會出現以下不足:第一,往往是通過觀察摩擦氣球的實驗得出“同種電荷相斥,異種電荷相吸”的結論,在教學實踐中,當周圍環境比較潮濕時,電荷很容易逃逸,容易導致實驗失敗．[1]第二,靜電技術在生活中有諸多應用,且如今科學教育強調與生活與技術的融合,但現有的課程或教材中呈現不多．第三,當滲透生活中的靜電預防時,往往通過“接地”的方式將聚集的電荷“送回大地”, 但學生難以想象這一微觀過程．第四,經典的靜電實驗往往是“良構問題”,學生直接根據現象得出結論,能夠培養學生的歸納推理并構建相應的科學概念,但缺乏在真實情境中思考各種現實因素解決實際問題的思維培養．

針對以上不足之處,本文采用兒童玩具靜電棒以及輝光球持續提供靜電,設計3個游戲化的創新實驗,讓實驗效果明顯,成功率更高,指向更深層次的思維培養．“飛舞的金屬箔片”讓學生在游戲中應用科學概念生成科學解釋,并分析環境因素解決真實情境的問題;“靜電植絨項目”則通過STEAM項目學習,讓學生將抽象思維與操作訓練相結合,并在創作中充分理解科學、技術、社會的關系;“亮燈滅燈實驗”,通過直觀新奇的實驗現象輔助學習,幫助學生構建抽象的科學概念并為更深層次的科學概念學習做鋪墊．

1 飛舞的金屬箔片實驗

“同種電荷相斥,異種電荷相吸”是從小學就要求掌握的規律,學生耳熟能詳,但在教學中發現學生往往很難解釋清楚生活中的靜電現象,知識與真實情景是脫離的．在教學中,利用飛舞的金屬箔片實驗創設游戲情景,激發學生的探究興趣,即加深學生對科學概念的理解,又能發展學生的科學解釋能力．

操作步驟:把金屬箔片放在靜電魔法棒末端,打開開關,手中的魔棒好像帶有魔力一樣讓箔片在空中像開花一樣瞬間張開,同時能使箔片在空中懸浮．箔片因為漏電、空氣流動和重力等原因會飄動或降落,若某一根箔條再次接觸靜電魔法棒,箔條會快速向上彈跳,如跳舞一般．

實驗原理:如圖1,靜電魔法棒內部有一個小型范德格拉夫起電機,打開電源開關,會產生靜電荷．讓靜電魔法棒的尖端觸碰到金屬箔片,接觸起電,金屬箔片的6條絲帶由于帶相同電荷相互排斥所以會張開．又因為金屬箔片與靜電魔法棒尖端帶有相同電荷相互排斥,整個金屬箔片會懸浮在空中,像一個翩翩起舞的舞者,如圖2．

教學中思維培養過程如圖3,學生在習得“同種電荷相互排斥、異種電荷相互吸引”的科學概念后,教師可以先讓學生預測本實驗可能會產生的現象并說出理由,發展學生的科學解釋能力,學生往往能夠預測金屬箔條會因帶相同電荷而相互排斥導致撐開成一個球狀．當學生看到真實的實驗現象,不僅金屬箔條會撐開成球狀,而且箔條與靜電棒也是帶同種電荷相互排斥而導致球形金屬箔懸浮在空中,學生便會繼續思考并找到原因．經過一小段時間,還能觀察到金屬箔片往下掉,當再次接觸到靜電魔法棒,又重新“彈”起來,學生又會進一步思考“為什么金屬箔會往下掉”,“為什么接觸了靜電棒又會彈起來”等真實情境下的問題,學生能夠拓展思維關注到各種環境因素,深層次的思維逐步生成．本實驗讓學生在游戲的過程中,思考相關科學問題,探索背后的原理,在游戲中激發科學思考．

圖1 靜電魔法棒玩具

圖2 飛舞的金屬箔片

圖3 飛舞的金屬箔片實驗思維培養過程

2 靜電植絨STEAM項目

靜電在生活中有諸多的應用,能滲透STS理念,本文利用靜電魔法棒開發了簡易的“靜電植絨STEAM實驗項目”,既能讓學生明確觀察到“異種電荷相吸”的現象,同時讓學生了解生活中靜電技術的應用,體會科學、技術與社會之間的密切聯系．本實驗可用作教師課堂演示操作,或學生分組實驗,也可用作STEAM教育素材——學生自己設計并完成靜電植絨作品．

操作步驟:如圖4,在飯盒底部錫箔紙上均勻撒上細絨毛,在白紙上用雙面膠粘出圖案,將有圖案的一面朝向絨毛放在飯盒上(如圖5),并蓋上釘有錫箔紙的飯盒蓋．飯盒底部錫箔紙通過鱷魚夾導線連接起電棒一端,飯盒蓋錫箔紙通過鱷魚夾導線連接起電棒另一端,打開靜電魔法棒開關即可進行靜電植絨,便可以得到實驗結果(如圖6)．如想進行多種顏色植絨,可以在植完一種顏色絨毛后,再用不同顏色絨毛重復上述步驟,實驗效果如圖7所示．

實驗原理:利用異種電荷相互吸引的原理．通過靜電棒使絨毛帶上負電荷,把需要植絨的物體放在連接靜電棒正電位,絨毛受到吸引,呈垂直狀加速飛升到需要植絨的物體表面上,由于被植物體粘有特定圖案的雙面膠,絨毛就被垂直粘在被植物體上形成植絨圖案．如果飯盒底部和飯盒蓋的錫箔紙都接同一種電荷,則無法植絨,說明異種電荷相互吸引．

圖4 實驗裝置圖

圖5 實驗過程圖

圖6 單色植絨效果圖

圖7 雙色植絨效果圖

教學中思維培養過程如圖8,教師引導學生了解生活中靜電技術的應用,例如毛茸茸的娃娃在生活中隨處可見,通過“靜電植絨”STEAM項目模擬生活中的靜電植絨技術,讓學生經歷將科學知識應用到產品的過程,充分發揮想象,在實踐中體會科學、技術與社會之間的關系,感受科學技術的價值．教師可先出示模擬靜電植絨的簡易裝置,讓學生觀察并思考本裝置的工作原理,學生通過觀察發現是利用“異種電荷相互吸引”的原理,后續根據原理自行通過簡易材料——錫箔紙、一次性飯盒、訂書機、導線等設計并制作裝置,并設計出植絨圖案,經歷利用科學技術創作作品的過程,學生在這個過程中需要將抽象思維與動作思維相結合,同時進行想象與創作．

圖8 靜電植絨STEAM項目思維培養過程

3 亮燈滅燈實驗

本實驗采用輝光球提供高壓靜電．文獻[3]采用輝光球加氖管進行實驗,輝光球能持續提供靜電,不用擔心漏電．[2]本文采用綠色熒光燈以及輝光球進行實驗,實驗裝置美觀,效果明顯．

操作步驟:將輝光球用金屬籠子罩起來,上面放著熒光燈,打開輝光球,熒光燈也跟著被點亮了．若將金屬籠子套在熒光燈上,熒光燈不亮．若將手觸碰熒光燈,觸碰位置下方熒光燈是亮的,觸碰位置上方熒光燈是不亮的,如圖11．若將手觸碰金屬籠子,則整個熒光燈熄滅．

圖9 輝光球點亮熒光燈

實驗原理:熒光燈發光原理是高壓靜電使熒光燈內的汞原子核外電子不斷從基態躍遷至激發態,再自發從激發態躍遷到基態的過程中放出紫外線,紫外線照射熒光燈管壁上的熒光粉并使其發光．圖9中,金屬籠子處于靜電平衡狀態,但金屬籠子外側依舊帶有靜電荷,高壓靜電能點亮熒光燈．圖10中用手接觸熒光燈,相當于接地了,在接觸點下方存在靜電荷,熒光燈是亮的,接觸點上方通過人體接地,則熒光燈不亮．圖11中,用手觸碰金屬籠子,金屬籠子外表面通過人體接地,外界沒有靜電場,熒光燈不亮．

圖10 手觸碰熒光燈

圖11 手觸碰金屬籠子

教學中思維培養過程如圖12,首先采用輝光球點亮熒光燈的實驗,實驗現象明顯,沒接通電源就能夠讓燈管亮起來,與學生的認知相沖突,充分激發學生的學習興趣．未學習高中選修3-5原子躍遷知識的中學生只需要了解金屬籠子高壓靜電的存在可以激發熒光燈亮起來即可．人體觸碰(接地)的實驗(如圖10),出乎學生的意料,提出問題“為什么以手為分界線熒光管的上方不亮了”,隨后在熒光管上移動手的位置,會發現熒光管亮滅的長度隨手位置的改變而改變．引導學生思考“手起到什么作用”,學生從以上兩個問題的思考過程中能夠更容易理解“接地”的內涵并可以想象出靜電荷通過人體流回大地．最后,用手接觸籠子,讓學生推測會發生什么現象并作出解釋,實驗發現整個熒光燈滅了,進一步鞏固“接地”的概念,對于已經學習物理3-1的學生還可以進一步深入分析“靜電屏蔽”的原理．

圖12 亮燈滅燈實驗思維培養過程

4 小結

實驗是科學學習的重要環節,是培養學生思維的重要依托．本文通過3個成功率高、操作性強且現象新奇的創新實驗教學案例,指向實驗教學過程中的科學思維培養．