综合实践活动:用电冰箱研究物态变化现象

骆 波

(江苏省锡山高级中学实验学校，江苏 无锡 214177)

设置“综合实践活动”是苏科版初中物理教材的一个重要特色．2012年教育部专家在教材审查意见中指出:“教材的逻辑结构符合学生的认知特点,特别是综合实践活动的设置,使学生学会了探究物理的研究方法,学会研究、学会解释生活现象”．

“综合实践活动”的基本定位是“以初中物理知识和能力为基础,通过探究性活动或技术设计与制作活动解决生活中的实际问题,获取并整合经验”．不同类型的综合实践活动应采用不同的设计路线,探究性活动一般以“主题—探究—表达”的单位来设计,而技术与制作活动则通常以“任务—方案—评价”的方式来组织．

“用电冰箱研究物态变化现象”属于探究性综合实践活动,以下结合案例谈本活动的设计路线和实践纪要．

1 主题与准备

家用电冰箱工作时,其内部是一个低温的小环境,主要用来冷藏或冷冻食品．我们也可以将它作为一个制冷工具,用来开展一些有趣的实验研究．本次综合实践活动在国庆假期期间完成,物理不再布置其他假期作业．

研究的主题、器材及价值如表1所示.

本综合实践活动具有一定开放性:学生可以自选实验项目,可以结合实际灵活选取实验器材,可以通过多种形式(照片、表格、图形)记录实验现象及数据．综合实践活动对学生提出了更高的能力要求:需自行设计实验方案与制定计划,遇到疑惑时需自行寻求解答途径(如网络搜索、查阅书籍、请教老师),研究成果需以PPT或研究报告的形式呈现．

表1 综合实践活动项目简介

续表

2 探究与思考

本模块介绍学生综合实践的活动过程、采集的证据及相关的问题探讨．

2.1 研究电冰箱内的温度分布情况

(1) 探究过程.

实验步骤: ① 将几支温度计分别放在冷藏室的上部、中部、下部以及冷冻室中,几分钟后,记录各测量点的温度．

② 在冷藏室的某一层,距离电冰箱门远近不同的位置放置温度计,几分钟后,记录各测量点的温度．

比较这些温度值,看一看,电冰箱内的温度分布有什么特点?

学生A的测量结果如表2.

表2 电冰箱温度分布

测量发现:冷藏室各层温度有所不同,上部温度高,下部温度低;同一层不同位置也有所不同,靠冰箱门处温度高,距冰箱门较远处温度低．

究其原因,学生上网进行了检索,得知:冷空气密度较大,沉在冷藏室底部,导致下部温度较低;电冰箱的蒸发器(吸热制冷)离冰箱门较远,开冰箱门时有热空气进入,故距门较远处温度较低．

(2) 困惑交流.

学生B测的数据如表3.

表3 数据质疑示例

原因及改进建议:冰箱门开着,测量结果接近室温．应关闭冰箱门测量,多等待几分钟,前后两次开冰箱门示数几乎相同时再记录数据．

学生C测的数据如表4.

表4 数据质疑示例

原因及改进建议:等待时间太短,温度计示数未稳定．未控制温度计距离冰箱门的距离相等．应控制温度计距离冰箱门距离相等,待示数稳定后再读数．

2.2 制作冻豆腐

(1) 过程及解释.

① 去市场购买一个新鲜的普通豆腐,先观察豆腐的外观,记录下其表面状态．

② 将新鲜豆腐放到电冰箱的冷冻室内,冷冻一两天后取出,观察“冻豆腐”的形状发生了什么变化．

③ 解冻后切开,观察“冻豆腐”内部有什么变化．

观察到:新鲜豆腐呈白色,冷冻后变成淡黄,解冻后又恢复白色．冻豆腐体积变大,解冻后切开内部有大量蜂窝状小孔．

学生结合所学知识及上网检索,得知:豆腐中的蛋白质含量高,凝固后呈米黄色,解冻熔化后又是白色了．水凝固成冰,密度变小,体积变大,原来的小孔被冰撑大,熔化后水流失,就留下了大量小孔．

(2) 计算分析:4℃时,水的密度最大,当豆腐的温度降到0℃时,水的体积变大．0℃的水凝固成冰,体积进一步增大．上述哪个过程体积膨胀得多?

表5 水在不同温度下的密度

图1 水在不同温度下的密度

由表5数据可知,液态水在降温过程中体积变化仅0.01%(从图1上看,液态水密度变化非常小),水凝固成冰体积增大约11.1%(从图像上看,0℃的水凝固成0℃的冰密度变化显著)．

2.3 自制冰淇淋

制作过程:取蛋黄2个、砂糖25g、鲜奶200g,放在奶锅内充分搅拌,再用小火加热并不断搅拌,直至蛋奶变得浓稠．用过滤网将蛋奶过滤到较小的食品盒内,自然冷却后,加入200g奶油并搅拌均匀．盖上盒盖,将食品盒放到电冰箱中冷冻．每隔30min取出搅拌一次,共进行4次．这样,冰淇淋就制成了．

点评:该同学取蛋黄时,巧妙利用了大气压的知识．动手能力强,冰淇淋成品色香味俱佳．经历自制过程,不仅观察到了物态变化的现象,更品尝到了创造的乐趣．在家人的分享中,学生收获了赞扬,强化了物理学习的兴趣和家庭环境的支持．

图2 冰淇淋的制作过程

2.4 研究不同液体的冷冻情况

(1) 探究的问题.

① 在4个透明的杯子中分别装入等量(约100mL)的水、牛奶、糖水、食盐水,然后将它们放入冷冻室内．每隔一定时间打开电冰箱观察液体的状态,它们的凝固点是否相同?

② 再用不同浓度的食盐水进行实验,食盐水的凝固点与其浓度有什么关系?

(2) 收集的证据如表6、7所示.

表6 不同液体在冷冻过程中的状态变化

结论①: 水的凝固点>糖水凝固点>盐水凝固点>牛奶凝固点．

表7 不同浓度液体在冷冻过程中的状态变化

结论②: 盐的浓度会影响水的凝固点;浓度越高,凝固点越低．

(3) 困惑交流.

思考①: 能根据固态物质多少或开始凝固所需时间,比较凝固点的高低吗?

在粗略研究中,可以认为上述液体降温速度大致相当,先开始凝固的液体,说明其凝固点较高,一段时间后,其凝固成的固态物质也较多．

思考②: 怎样测出不同液体的凝固点?

这是学生普遍反映的困惑,即在冷冻室难以测量液体的凝固点．这个难点被少数学生解决了,方法有2种:一是改进测量工具,使用电子式的温度计,待固液共存时直接测量表面温度;二是待固液共存时取出小杯,在室内测量其熔化温度．

方法1操作简便,但所测温度为液表温度,受冷冻室内环境温度影响,所测凝固点明显偏低．方法2测量结果更准确,运用了转化思想,同一晶体的凝固点与熔点相等,表明该学生对相关知识的认知达到了迁移应用的较高层次．

3 表达与评价

3.1 研究成果的汇报答辩

学生在实践过程中,用手机对关键步骤或现象拍照,及时记录观察到的实验现象和收集的测量数据,用所学知识对现象进行解释,分析并论证所得到的结论．此外,将意外的发现或难以解释的困惑也一并记录．最后制做PPT,面向全班同学做综合实践活动汇报．这个过程全面锻炼了学生收集信息、加工信息和表达信息的能力,对提升研究素养大有裨益．

在听取同学汇报时,其他同学联系自己在实践中遇到的困难,记录本研究的突出亮点、不足与改进建议．待同学汇报结束后,其他同学可以举手提问,汇报的同学做出相应回答．答辩环节的设置,可以确保全班同学养成倾听的良好习惯和质疑的批判性思维,更可以促使学生在实践时深入思考,充分预设学生们可能提出的问题,提前加以准备或探究．这个环节往往能生成新的问题,使探究活动得以延伸,更接近真实的科学研究过程．比如,有学生提出:电冰箱的冷凝器是怎样实现自动温控的?影响液体凝固点的微观实质是什么?尽管这些问题暂时无法得到满意的答案,但我们相信,这些新问题就像一粒粒埋在土壤里的种子,终将破土而出,开花结果．

3.2 综合实践活动的评价

综合实践活动的评价,在内容上要着眼于实践的过程,在形式上宜采用质性评价,在主体上要赋予学生评价权．以本次综合实践活动为例,将评价表(见表8)下发给班级里的学习小组,小组商议后填写评价表．

评价维度主要出于以下考虑:研究的广度是为了引导学生广泛开展研究,充分利用各种资源,延展学习的边界;实践的深度是为了保障研究的品质,使学生养成严谨细致的研究习惯;汇报的效度是为了让学生意识到成果表达的重要性,发展书面表达和口头交流的能力．

最终根据学生小组的评价结果,教师对综合实践活动进行点评和总结,对学生存在的共性问题给出解答或建议,并对表现突出的学生个人或小组予以奖励．需要说明的是,可根据不同综合实践活动的类型及目标指向,灵活设计评价表,充分发挥评价的激励和导向作用．

结语:综合实践活动是基于物理知识和科学方法的项目学习活动,经历全程的探究和设计,有利于学生对科学探究的理解,提升科学探究能力,有利于学生对技术的理解,提升技术设计的能力．综合实践活动的开放性强,为学生自主选择和创新提供了更广阔的空间,有利于发展学生的个性特长和增加学生合作的意识和能力．总之,物理综合实践活动是一种很好的教学形式,值得教师们做更多的实践研究．

表8 综合实践活动评价表