融合科学探究与艺术创作的实验活动

陈梦麟 凌一洲 任红艳

摘要： 基于科学探究与艺术创作融合的理念，开发、实施和评价“油层上绽放的彩色液滴”的实验活动。赏析在油层上扩散爆裂的彩色液滴作品，在实验中寻找证据并做出合理推理以解释美丽现象的成因——马兰戈尼效应;利用控制变量法探究实验条件对结果的影响，利用发现的规律创作独特的艺术作品。基于现场观察、访谈和学生作品分析的评价表明，学生收获了艺术、科学及其相互融合的学习成果。

关键词： 学生实验活动; 科学探究; 艺术创作; 融合教学

文章编号： 1005-6629（2021）09-0067-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  引言

科学用艺术的手法，艺术用科学的眼界，都揭示大千世界表观的多样性与内质的统一性，揭示大千世界诸种现象背后的规律与意义。科学与艺术都具有追求美的动因，共同用美陶冶人的情操、改善人的精神气质与生活品质[1]。艺术与科学承载着人类无尽的想象力，只有将感性的幻想与理性的论证相结合才能真正出现创造与创新[2]。在教学实践中实现科学与艺术的碰撞与融合，共同促进学生审美素养和创造性思维的发展，成为众多教育工作者追求的目标[3，4]。

作为化学课程的重要学习方式，科学探究是学生积极主动地获取科學知识、认识和解决科学问题的重要实践活动，对于激发学生的内在认知兴趣和培养证据推理、宏观辨识与微观探析等核心素养有着不可替代的价值[5]。而艺术创作用形象思维和深入的理性思考探索事物，也兼具感性体验和理性教化的双重特征。教学中科学探究与艺术创作的融合能相互促进，让学生在思维活跃、判断敏锐的学习状态下充分调动视觉、触觉、嗅觉等感官分析思考解决问题，发展感知美、鉴赏美、创造美的审美素养，激发探索未知、完善自我、创新创造的意识[6]。

2  活动开发

2.1  活动设计思路

本活动以马兰戈尼爆裂实验作为载体。马兰戈尼爆裂涉及酒精性质、表面张力、挥发速率等一系列科学问题。首先对该实验进行简化处理，使之适合中学教学对安全、便捷和育人功能的需要，使用乙醇、水、色素和植物油等生活中常见的材料就能完成。其次探索不同实验条件对实验现象的影响，以追求艺术化的呈现。

2.2  实验原理与方法

两种表面张力不同的液体界面之间存在张力的梯度会使液体流动，这种现象称为马兰戈尼效应（Marangoni Effect）。凯泽（Keiser）、杜瑞（Durey）等研究了由马兰戈尼效应导致马兰戈尼爆裂（Marangoni Bursting）的迷人现象及原理[7，8]。把一定浓度的酒精溶液滴到油层表面，当乙醇的含量较高时，液滴会向外扩散，乙醇的挥发使得溶液中水的比例增大，由于水的表面张力高于乙醇，液滴向外扩散就会停止。而液滴边缘处的乙醇挥发速率最大，导致液滴中心区域的乙醇含量比边缘处高，因此液滴中心区域的表面张力较低。液滴中心与边缘区域表面张力的差异形成了自中心向外的流动，导致液体在液滴边缘处聚集，形成一个圆形轮廓，边缘轮廓的破碎生成向外喷射的小液滴，即产生了马兰戈尼爆裂现象。

实验所需材料如下： 95%乙醇、食用色素、水、葵花籽油、滴管、试管、橡胶塞、培养皿、纸巾、手机、手机支架等。

实验步骤如下： 在培养皿中倒入厚度约0.5cm的葵花籽油层。在带橡胶塞的试管中配制乙醇与水、色素的混合溶液，逐渐增大乙醇与水的比例。将手机固定，找到合适的拍照角度，开始录像。用滴管把乙醇-水-色素的混合液滴于油层，观察液滴的变化。控制混合液浓度不变，改变混合液滴数，观察液滴变化。改变其他条件，例如色素颜色、滴加位置和先后顺序等，重复实验。

在试管中配制混合液后要及时用橡胶塞密封，减少酒精挥发。如果需要重复使用葵花籽油，可以用一片薄纸巾贴于油层表面，吸走表层彩色混合溶液。若彩色液滴进入油层内部可以用滴管吸出。（注意实验材料均不可食用）

2.3  实验预期结果

改变乙醇与水的比例进行实验，实验结果见图1（室温28℃，滴入1滴混合液）。当酒精浓度较小时，液滴不会扩散（图1a）。当增加酒精浓度至大于某临界值，液滴先向外扩散，接着扩散停止，然后经过爆裂式扩散成无数小液滴。

混合液中酒精的比例越高，扩散范围越大，形成的液滴越小（图1b～e），因为酒精的表面张力比水小，此时爆裂形成的小液滴表面张力较小。

选择95%酒精（图2a、图2b）、选择95%酒精与水的体积比为4∶1（图2c、图2d）的浓度，改变色素颜色、滴加滴数、滴加位置等因素，同样由于酒精挥发的不均匀性导致表面张力出现差异，使得液滴呈现美妙的形态。这些图片作品和实验视频也将作为教学素材。

2.4  活动目标

本次活动的目标如下： （1）欣赏“油层上绽放的彩色液滴”实验视频和照片，能够从作品构成要素、颜色、构图、创意等角度赏析作品的艺术性;（2）能够在实验中寻找证据，利用证据和资料解释“马兰戈尼爆裂”现象，运用控制变量法探究液滴变化规律，发展宏观辨识与微观探析等化学学科核心素养;（3）能够结合实验原理和规律设计艺术作品，体验和理解科学与艺术的融合与联系。

3  活动实施

3.1  活动设置

活动时长为2.5小时，活动参与者为20名江苏省某重点高中的高一年级学生，分为10组。他们在小学科学课上通过简单实验认识了表面张力但还不理解表面张力的实质;在初中实验课或日常生活中接触过酒精并对酒精的性质有一定的直观认识。在这次活动中，他们需要在教师的引导下，主动观察、思考与交流，积极地建构表面张力的微观本质、分子间引力和斥力等科学知识，并结合乙醇易挥发等性质推理解释马兰戈尼爆裂现象，运用探究所得的科学原理与科学规律加以想象、创作并拍摄艺术作品。

3.2  活动过程

活动主要分为作品赏析、原理探讨、规律探索、自由创作四个环节，详细内容见表1。

2. 如何用语言描述你在实验中观察到的实验现象？

3. 思考液滴为什么会先扩散后爆裂？可能与什么因素有关？在实验过程中清晰地看见细节的同时，思考美丽背后的科学原理。寻找证据提出猜想，以证据和资料作为依据，表达想法或倾听他人的意见，正确理解马兰戈尼效应并解释马兰戈尼爆裂现象。以学生的探究过程驱动教学，学生为了更好地创作作品需要掌握科学原理，在实验过程中收集证据深入思考，从美丽的宏观现象逐渐深入到微观本质的探讨，养成善于观察、勇于质疑的良好品质。

规律探索结合实验原理，你认为液滴的大小、数量、扩散范围等与什么因素有关？首先结合已掌握的原理进行分析，然后运用控制变量法进行实验，检验想法是否正确。各组交流分享本组发现的实验规律。这一阶段是对上一环节的深化，让学生灵活运用表面张力的本质和酒精挥发速率来解释变量导致液滴产生不同现象的原因，学会知识迁移。

自由创作请根据你所发现的实验规律，选择合适的条件，发挥想象力进行自由创作。以小组合作的形式构思、创作、改进、再创作，运用手机拍摄清晰美观、富有创意的作品。激发学生创造性思维，鼓励他们用联通、整合的思维进行创意设计，用艺术的眼光和追求美的心灵创作美的作品。

3.3  活动片段实录

本文重点介绍原理探讨和自由创作两个具有特色的环节。原理探讨环节凸显了将“证据推理”作为一种学习化学的基本方法的使用价值，学生在实验过程中不断探索，感知科学美，通过多方收集证据解释科学美;自由创作环节充分体现了科学美与艺术美的结合，学生在理解实验原理的基础上充分发挥想象力并创造美。

3.3.1  原理探讨环节

教师以问题为主线，引导学生产生问题冲突。学生首先根据实验报告中的实验步骤进行初步操作，在动手过程中思考实验原理。实验之后组织学生分析美丽现象产生的原因，由于这些学生的化学物理等学科基础较好，他们在教师的引导下积极表达自己的猜想，并结合实验探究过程中发现的证据和先验知识支持他们的观点。部分教学过程如下。

师： [提问]液滴为什么会先扩散后爆裂？可能与什么因素有关？你猜想的依据是什么？

生： [观点]我觉得跟酒精的性质有关。[证据]在油层上滴入一滴水没有发生变化，酒精浓度小的时候液滴也不会运动，而只有当酒精浓度高于一定值时，液滴才会发生运动。

师： [追问]具体说说是酒精的什么性质呢？

生： [推理]可能是混合液中酒精的挥发导致了液滴的运动。[证据]整个实验过程中能明显闻到酒精气味。

师： [追问]很好，想到酒精易挥发的性质。继续思考为什么一滴水不会扩散，而酒精浓度高于一定值的液滴就会扩散呢？

生： [观点]可能与表面张力有关。实验中我感觉混合物的液滴在滴入后从扩散到收缩的过程就像受到某种力的作用。[证据]以前科学课上做过表面张力的实验，一个硬币能承载几十滴水。但是平时实验滴一滴酒精时马上就会摊开。

师： [资料1]表面张力的微观本质。[资料2]在常温状态下水、酒精的表面张力大小。

生： [证据]水的表面张力大于酒精。[推理]从微观看，水表面分子的拉力更大，而酒精溶液的表面分子的拉力变小，所以一滴水不移动，而一滴酒精溶液会扩散开。

师： [追问]为什么液滴会扩散停止而后又收缩爆裂呢？

生： [观点]我认为这是酒精挥发和表面张力共同导致的。[推理]应该是随着酒精的挥发，混合物中水的比例增大，表面分子的拉力变大，所以液滴先扩散后停止。

师： [追问]表面张力的本质是表面分子之间的拉力，我们从受力的角度分析为什么液滴又会收缩爆裂形成小液滴呢？

生： [证据]物理课中学过，物体运动状态发生改变是受力不平衡所导致。[推理]说明液滴摊开之后，表面分子的拉力不同，拉力小的分子被拉力较大的分子拉动，最终又达到力的平衡状态。

师： [总结]其实同学们已经总结出规律了，这个规律就是马兰戈尼效应（Marangoni Effect）。

当学生能够推理出表面分子的拉力不平衡导致液滴运动，教师适时提出马兰戈尼效应的定义，进一步带领学生了解马兰戈尼效应如何导致“马兰戈尼爆裂”现象。

3.3.2  自由创作环节

学生运用实验原理和规律开始自由创作，尝试改变液滴的大小、数量、颜色、扩散方式等构成要素，用手机拍摄艺术作品。选取一张视频截图或照片向同伴展示，并从实验条件、创作意图等角度介绍本组作品。选择其中4位同学的作品见图3。

学生为作品撰写了生动的赏析词，节选如下： 图3a名为“涟漪”，在酒精溶液中加入闪粉作为杂质变量，探索了杂質对扩散现象的影响，并给作品带来阳光下涟漪扩散、水光潋滟的奇妙视觉感;图3b名为“星辰”，液滴爆裂如同宇宙大爆炸，形成的小液滴即星辰，它们色彩纷呈，不断向边缘扩张，漫无目的地流浪，直到与彼此相遇，化为更加深沉、变幻莫测的星云;图3c名为“烂漫”，橙色与蓝色的小液滴交融又分离，这些液滴仿佛有生命般欢快地跳动，天真烂漫;图3d名为“海狮先生”，作品在各色液滴扩散后仿佛一个可爱幽默的海狮笑脸，用手机软件在照片上添加一个胡须贴纸后变得更加形象。色素颜色清新鲜艳，未扩散的液滴形成海狮先生的豆豆眼，海狮先生大张的嘴完整地呈现了液滴爆裂的动态变化。画面幽默诙谐且清新明朗，使人不禁想起温暖淳朴的童年，让科学现象在镜头之中亲切了起来。

4  活动评价

4.1  评价内容与方法

采用现场观察、半结构化访谈及学生作品分析等质性评价方法，评价学生在科学、艺术及其融合层面的学习目标达成情况。现场观察在活动過程中完成，主要关注学生发言和活动参与情况;半结构化访谈在活动后进行，参与者是随机邀请的5名学生，包括2个开放型问题，即有哪些印象深刻的活动体验以及对科学与艺术的关系如何理解;对学生作品从原理运用、画面创意和作品介绍等角度进行分析。收集这些定性数据以评价学生的审美能力和对科学规律的掌握和应用情况。

4.2  艺术层面的学习成果

在作品赏析环节，学生关于鉴赏“油层上绽放的彩色液滴”实验视频和照片的艺术性的发言表明，他们不仅关注了画面的整体特征，还关注到画面的构成要素，体现了学生对美的感知力和鉴赏力。典型的回应有： “作品色彩鲜艳，比较有创意，与生活中美好的事物联系起来了”“改变液滴的大小、数量和扩散方式形成了不同形态的动态美，像花朵盛开一样。”

在自由创作环节，从学生的作品及介绍可以看出，他们在充分理解实验原理的基础上，将原理灵活运用在作品创作过程中。几幅作品将实验现象与生活中的水波、宏观的宇宙、可爱的海狮等联系起来。采用多种色彩搭配，不仅具有丰富的想象力，而且还生动清晰地表达了作品的寓意，充分展示了学生对美的鉴赏力、表现力和创造力。

4.3  科学层面的学习成果

原理探讨环节和规律探索环节中，学生积极寻找实验证据，利用证据和教师提供的资料推理得出，不同的表面张力和酒精的挥发共同影响着实验现象，理解了“马兰戈尼爆裂”现象的原理，并运用控制变量法探究了液滴变化的规律。例如，一些学生在交流时发言：“混合液中酒精的比例变大之后，最后形成的小液滴分布范围变广了。这是酒精的表面张力比水小，随着酒精浓度的增加，液滴的扩散范围就会增大的缘故”;“水的比例越高，爆裂结束之后得到的液滴越大，数量越少。因为水的比例越高，表面分子的拉力就会越大，最终形成的液滴也相应会大一些”。不少学生通过实验发现，酒精浓度对爆裂液滴的大小、数量、扩散范围有决定性影响，并尝试用所学新知从微观分子层面解释原因。当然，也有部分学生表示解释规律对他们来说仍具有挑战性，需要课下进一步理解和学习。

4.4  科学与艺术融合层面的学习成果

在活动中，学生不仅感受并鉴赏了科学美和艺术美，还能结合实验原理和实验探究得出的科学规律改变构成要素，运用想象力和艺术技法创作独特的艺术作品。在访谈过程中，学生描述了印象深刻的体验，例如： “当我发现液滴滴入后并不是纹丝不动，反而形成了美丽的动态图画时，便产生了浓厚的探究兴趣”“我经常因操作不当毁掉之前的造型而感到遗憾，但液滴又会扩散出更奇妙的图案，也给人很享受的感觉”“我们在创作时将配好的溶液滴到油层上，在某一瞬间突然发现扩散中的三色液滴如同三朵花，中间还呈现渐变色，当时就被科学形成的美给吸引住了”。在反复尝试的过程中，学生敏锐地感知到了科学现象的震撼与丰富的美，体验到了科学与艺术融合的魅力。

此次活动还加深了学生对科学与艺术关系的理解。学生对访谈的另一个问题“结合自己的活动体验，你如何理解科学与艺术的关系”发表见解如下： “科学给艺术发展注入动力，艺术丰富了科学的趣味性。科学和艺术融合的活动非常吸引我，让我感受到科学和艺术都是追求美的”“科学与艺术相互关联，科学让艺术更有理性深度，艺术让科学走进生活，科学与艺术都是承载对生活的探索与热爱的媒介”。可见，在活动中他们切身感受到科学与艺术的紧密联系，两者相互促进也共同发展，都向往美、追求美与创造美，他们表示参加科学与艺术融合的活动很有意义。

5  结束语

科学与艺术对美的探究和追求让两者在审美方面交汇[9]。科学探究与艺术创作融合的活动让学生在真实而愉悦的体验中发展了自身的审美素养。这项活动存在的局限性在于，参与者是重点高中的优秀学生，先验知识、学习投入和创作热情均可能高于平均水平。因此，本活动在针对不同学情的学生实施时，可能需要进行适当的改编，为学生提供更多的支持和引导。总之，未来的研究值得继续挖掘化学学科之美，开发更多注重学生实验、科学探究和艺术创作过程的化学活动。

参考文献：

[1]杨兵初， 朱开成. 科学教育与艺术教育相互促进[J]. 现代大学教育， 2012， （4）： 35～37， 111～112.

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[4][9]沈致隆. 科学与艺术的交融——兼谈“钱学森之问”[J]. 人民教育， 2014， （3）： 12～15.

[5]王云生. 对科学探究学习的再认识[J]. 化学教学， 2019， （11）： 8～12.

[6]赵伶俐. 以目标与课程为支点的美育质量测评——为了有效实施《国务院办公厅关于全面加强和改进学校美育工作的意见》[J]. 华东师范大学学报（教育科学版）， 2017， 35（5）： 87～99， 161.

[7]Keiser L.， Bense H.， Colinet P.， et al. Marangoni Bursting： EvaporationInduced Emulsification of Binary Mixtures on a Liquid Layer [J]. Physical Review Letters， 2017， 118（7）： 074504.

[8]Durey G.， Kwon H.， Magdelaine Q.， et al. Marangoni bursting： Evaporationinduced emulsification of a twocomponent droplet [J]. Physical Review Fluids， 2018， 3（10）： 100501.