指向科学思维培养的静电创新实验

王妍琳

(深圳龙岗区坂田实验学校,广东 深圳 518129)

静电现象与生活联系紧密,相关内容贯穿小学科学、及初、高中物理课本,但相关内容在科学教学过程中往往会出现以下不足:第一,往往是通过观察摩擦气球的实验得出“同种电荷相斥,异种电荷相吸”的结论,在教学实践中,当周围环境比较潮湿时,电荷很容易逃逸,容易导致实验失败．[1]第二,静电技术在生活中有诸多应用,且如今科学教育强调与生活与技术的融合,但现有的课程或教材中呈现不多．第三,当渗透生活中的静电预防时,往往通过“接地”的方式将聚集的电荷“送回大地”, 但学生难以想象这一微观过程．第四,经典的静电实验往往是“良构问题”,学生直接根据现象得出结论,能够培养学生的归纳推理并构建相应的科学概念,但缺乏在真实情境中思考各种现实因素解决实际问题的思维培养．

针对以上不足之处,本文采用儿童玩具静电棒以及辉光球持续提供静电,设计3个游戏化的创新实验,让实验效果明显,成功率更高,指向更深层次的思维培养．“飞舞的金属箔片”让学生在游戏中应用科学概念生成科学解释,并分析环境因素解决真实情境的问题;“静电植绒项目”则通过STEAM项目学习,让学生将抽象思维与操作训练相结合,并在创作中充分理解科学、技术、社会的关系;“亮灯灭灯实验”,通过直观新奇的实验现象辅助学习,帮助学生构建抽象的科学概念并为更深层次的科学概念学习做铺垫．

1 飞舞的金属箔片实验

“同种电荷相斥,异种电荷相吸”是从小学就要求掌握的规律,学生耳熟能详,但在教学中发现学生往往很难解释清楚生活中的静电现象,知识与真实情景是脱离的．在教学中,利用飞舞的金属箔片实验创设游戏情景,激发学生的探究兴趣,即加深学生对科学概念的理解,又能发展学生的科学解释能力．

操作步骤:把金属箔片放在静电魔法棒末端,打开开关,手中的魔棒好像带有魔力一样让箔片在空中像开花一样瞬间张开,同时能使箔片在空中悬浮．箔片因为漏电、空气流动和重力等原因会飘动或降落,若某一根箔条再次接触静电魔法棒,箔条会快速向上弹跳,如跳舞一般．

实验原理:如图1,静电魔法棒内部有一个小型范德格拉夫起电机,打开电源开关,会产生静电荷．让静电魔法棒的尖端触碰到金属箔片,接触起电,金属箔片的6条丝带由于带相同电荷相互排斥所以会张开．又因为金属箔片与静电魔法棒尖端带有相同电荷相互排斥,整个金属箔片会悬浮在空中,像一个翩翩起舞的舞者,如图2．

教学中思维培养过程如图3,学生在习得“同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引”的科学概念后,教师可以先让学生预测本实验可能会产生的现象并说出理由,发展学生的科学解释能力,学生往往能够预测金属箔条会因带相同电荷而相互排斥导致撑开成一个球状．当学生看到真实的实验现象,不仅金属箔条会撑开成球状,而且箔条与静电棒也是带同种电荷相互排斥而导致球形金属箔悬浮在空中,学生便会继续思考并找到原因．经过一小段时间,还能观察到金属箔片往下掉,当再次接触到静电魔法棒,又重新“弹”起来,学生又会进一步思考“为什么金属箔会往下掉”,“为什么接触了静电棒又会弹起来”等真实情境下的问题,学生能够拓展思维关注到各种环境因素,深层次的思维逐步生成．本实验让学生在游戏的过程中,思考相关科学问题,探索背后的原理,在游戏中激发科学思考．

图1 静电魔法棒玩具

图2 飞舞的金属箔片

图3 飞舞的金属箔片实验思维培养过程

2 静电植绒STEAM项目

静电在生活中有诸多的应用,能渗透STS理念,本文利用静电魔法棒开发了简易的“静电植绒STEAM实验项目”,既能让学生明确观察到“异种电荷相吸”的现象,同时让学生了解生活中静电技术的应用,体会科学、技术与社会之间的密切联系．本实验可用作教师课堂演示操作,或学生分组实验,也可用作STEAM教育素材——学生自己设计并完成静电植绒作品．

操作步骤:如图4,在饭盒底部锡箔纸上均匀撒上细绒毛,在白纸上用双面胶粘出图案,将有图案的一面朝向绒毛放在饭盒上(如图5),并盖上钉有锡箔纸的饭盒盖．饭盒底部锡箔纸通过鳄鱼夹导线连接起电棒一端,饭盒盖锡箔纸通过鳄鱼夹导线连接起电棒另一端,打开静电魔法棒开关即可进行静电植绒,便可以得到实验结果(如图6)．如想进行多种颜色植绒,可以在植完一种颜色绒毛后,再用不同颜色绒毛重复上述步骤,实验效果如图7所示．

实验原理:利用异种电荷相互吸引的原理．通过静电棒使绒毛带上负电荷,把需要植绒的物体放在连接静电棒正电位,绒毛受到吸引,呈垂直状加速飞升到需要植绒的物体表面上,由于被植物体粘有特定图案的双面胶,绒毛就被垂直粘在被植物体上形成植绒图案．如果饭盒底部和饭盒盖的锡箔纸都接同一种电荷,则无法植绒,说明异种电荷相互吸引．

图4 实验装置图

图5 实验过程图

图6 单色植绒效果图

图7 双色植绒效果图

教学中思维培养过程如图8,教师引导学生了解生活中静电技术的应用,例如毛茸茸的娃娃在生活中随处可见,通过“静电植绒”STEAM项目模拟生活中的静电植绒技术,让学生经历将科学知识应用到产品的过程,充分发挥想象,在实践中体会科学、技术与社会之间的关系,感受科学技术的价值．教师可先出示模拟静电植绒的简易装置,让学生观察并思考本装置的工作原理,学生通过观察发现是利用“异种电荷相互吸引”的原理,后续根据原理自行通过简易材料——锡箔纸、一次性饭盒、订书机、导线等设计并制作装置,并设计出植绒图案,经历利用科学技术创作作品的过程,学生在这个过程中需要将抽象思维与动作思维相结合,同时进行想象与创作．

图8 静电植绒STEAM项目思维培养过程

3 亮灯灭灯实验

本实验采用辉光球提供高压静电．文献[3]采用辉光球加氖管进行实验,辉光球能持续提供静电,不用担心漏电．[2]本文采用绿色荧光灯以及辉光球进行实验,实验装置美观,效果明显．

操作步骤:将辉光球用金属笼子罩起来,上面放着荧光灯,打开辉光球,荧光灯也跟着被点亮了．若将金属笼子套在荧光灯上,荧光灯不亮．若将手触碰荧光灯,触碰位置下方荧光灯是亮的,触碰位置上方荧光灯是不亮的,如图11．若将手触碰金属笼子,则整个荧光灯熄灭．

图9 辉光球点亮荧光灯

实验原理:荧光灯发光原理是高压静电使荧光灯内的汞原子核外电子不断从基态跃迁至激发态,再自发从激发态跃迁到基态的过程中放出紫外线,紫外线照射荧光灯管壁上的荧光粉并使其发光．图9中,金属笼子处于静电平衡状态,但金属笼子外侧依旧带有静电荷,高压静电能点亮荧光灯．图10中用手接触荧光灯,相当于接地了,在接触点下方存在静电荷,荧光灯是亮的,接触点上方通过人体接地,则荧光灯不亮．图11中,用手触碰金属笼子,金属笼子外表面通过人体接地,外界没有静电场,荧光灯不亮．

图10 手触碰荧光灯

图11 手触碰金属笼子

教学中思维培养过程如图12,首先采用辉光球点亮荧光灯的实验,实验现象明显,没接通电源就能够让灯管亮起来,与学生的认知相冲突,充分激发学生的学习兴趣．未学习高中选修3-5原子跃迁知识的中学生只需要了解金属笼子高压静电的存在可以激发荧光灯亮起来即可．人体触碰(接地)的实验(如图10),出乎学生的意料,提出问题“为什么以手为分界线荧光管的上方不亮了”,随后在荧光管上移动手的位置,会发现荧光管亮灭的长度随手位置的改变而改变．引导学生思考“手起到什么作用”,学生从以上两个问题的思考过程中能够更容易理解“接地”的内涵并可以想象出静电荷通过人体流回大地．最后,用手接触笼子,让学生推测会发生什么现象并作出解释,实验发现整个荧光灯灭了,进一步巩固“接地”的概念,对于已经学习物理3-1的学生还可以进一步深入分析“静电屏蔽”的原理．

图12 亮灯灭灯实验思维培养过程

4 小结

实验是科学学习的重要环节,是培养学生思维的重要依托．本文通过3个成功率高、操作性强且现象新奇的创新实验教学案例,指向实验教学过程中的科学思维培养．