李慧　葉艷

動手探究，不只是孩子在科學課上的專利，也是科學教師培訓中的寵兒。在第3期“做中學”高級培訓中，英國約克大學的科學教育專家安排了一系列有趣的探究活動，帶領(lǐng)參訓教師們走進科學研究的殿堂，真切地做了一回科學家和工程師……

實例一 稀釋膠水

一開始，Gail老師（英國約克的培訓教師）讓我們思考如何測量不同液體的流動性，設(shè)計一種方法來比較這些液體的流動性，并且要求盡量用一種可重復的方法獲得定量的數(shù)據(jù)。大部分老師思考的方法是在一塊斜著的平板上滴各種液體，測量液體下滑的快慢或者相同時間內(nèi)液體走過的距離。有些小組注意到了實驗的公平性，嘗試了多次來保證不同液體的液滴量相同。Gail老師在各個小組巡視著，注意各小組的實驗細節(jié)，鼓勵沒有任何數(shù)據(jù)的小組嘗試可記錄的數(shù)據(jù)，并鼓勵我們發(fā)現(xiàn)更多的測試方法，如工業(yè)中常用的兩種測量方法：一是迅速將液體倒入漏斗，測量漏斗下方開始有液體流出的時間；二是使用量筒，在液柱頂端釋放一個小玻璃珠，測量小玻璃珠下落的時間。

真正的活動還沒有開始，Gail老師神秘地給每個小組發(fā)了一封信。我們好奇地打開信封，只見里面寫到：

尊敬的科學家：

我公司為巧克力制造商生產(chǎn)了一種特殊的膠水，他們使用這種膠水將包裝紙粘到一起。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了做膠水的最好原料——在樹干里找到的一種液體。但我們遇到了一個問題：這種液體非常黏稠，不能順暢地通過我們的管道；同時它也非常難以攪拌，因此我們需要大量的電能來運轉(zhuǎn)我們的攪拌機，這帶來了巨大的成本。

您能給我們一些建議，使得我們的膠水能更順暢地流動嗎？希望您能給我們提供盡量多的測量數(shù)據(jù)。

我們期待能盡快得到您的回復。

簡·惠靈頓

“你的黏合劑”公司總經(jīng)理

哇！短短的幾句話讓我們相信下面要做的事情真的可以解決一個大問題，真正是工程師需要完成的任務。我的腦海里不禁浮現(xiàn)出孩子們看到這封信時驚訝和喜悅的臉。

趕快動手！別忙，Gail老師提醒我們好好想一想，小組里面討論一下，要研究什么？觀察什么？測量什么？怎么做？嗯！既要保證膠水能粘住紙，又要解決工廠里膠水不能順利通過管道的問題。小組里大家七嘴八舌的議論開了，到了我這個小組長發(fā)揮作用的時候了。我清了清喉嚨“一個一個說，要說出理由……”小組討論漸漸地聚焦到怎樣通過設(shè)計公平實驗，測量稀釋后膠水的流動性，同時判斷膠水是否還具有粘住紙的能力這個非常關(guān)鍵的問題上。

瞧！這個問題難不倒我們，小組內(nèi)很快達成共識：將稀釋后的膠水涂抹在小紙片上，將小紙片貼在一張白紙上，待膠水干后，通過小紙片能否粘在白紙上來判斷膠水的粘貼性。另一個小組另辟蹊徑：用膠水粘住紙帶，在紙帶下掛盛有水的紙杯，用紙帶所能承受的水的質(zhì)量來表征膠水的粘貼性——不失為一個有效的測試方法。

“如何配比膠水？測試什么數(shù)據(jù)？記錄什么數(shù)據(jù)？”這是我們面臨的第2組問題。討論真是一個好助手，很快我們有了決定：取50mL膠水，加入60mL水、80mL水、100mL水……450mL水后，分別將紙片粘在白紙上，在每張小紙片的下面，記錄加水的量，記錄每次加入水后，一滴膠水稀釋液通過漏斗頸的時間。

實驗順利進行著，但似乎所有的紙片都可以粘在白紙上，我們有些失望和著急，我們能得到結(jié)果嗎？第2天早上，出乎意料，我們驚喜地發(fā)現(xiàn)加入240mL水對應的小紙片很輕易地從白紙上脫落了。盡管此次實驗未得到最準確的數(shù)值，但使我們興奮的是發(fā)現(xiàn)了在膠水的流動性與粘貼性之間取得一個平衡是完全可能的，只要在220mL和240mL水之間進一步實驗，必然可以得到最準確的數(shù)值。

實例二 冷卻熱水

實驗桌上放著另一個信封，看來新的挑戰(zhàn)就藏在里面，我們興致勃勃地打開信封。

尊敬的科學家：

我相信您的顧問團隊能幫助我們解決水管所面臨的一些問題。我已經(jīng)給您發(fā)送了管網(wǎng)的設(shè)計。該設(shè)計展示了水的流動路徑：從Kelty水庫取水，經(jīng)工廠后匯入Kel河。其中存在的問題有：①這個管道銹蝕得厲害，我們需要一些關(guān)于修建新管道的材料的建議。②水流通過管道接口時有時會泄漏，所以我們需要一個好的密封材料。⑥當過濾從水庫中流進來的水時，我們發(fā)現(xiàn)水不夠清澈。④在水回到河流前，需要保持水的“中性”，我們需要了解如何實現(xiàn)這一處理。

最后，盡管這個問題不是目前面臨的，但我們希望您能告訴我們最有效地冷卻熱液體的方法。我期待不久后能收到您的回復，您的意見對我們將會很有用。

李·湯普森

現(xiàn)場經(jīng)理

看來湯普森先生遇到的問題還真不少，每個問題都非常吸引我們的眼球。Gail老師微笑著說：“今天的研究問題是：怎樣能最有效地使熱的液體冷卻？”

Gail老師的第1個問題是讓每個小組想出1個讓熱水冷卻的方法。我們組想到的方法最直接——往液體里加冰。很快，各組將想法都匯集了起來，大致有這樣6種：

①自然散熱

②放入裝冰的容器中

③在液體中加入冷水

④在液體中加入冰塊

⑤向液體吹風

⑥將液體倒入表面積較大的容器。

正好一共有6個小組，很自然每個小組領(lǐng)到1種方法。很巧的是，我們組實驗的正好是之前想到的方法——加冰塊！相對于隔壁對著熱水使勁扇風的小組來說，這個方法實在是太簡單了。我們邊做邊得意，我們的方法不僅簡單，而且顯然是最有效的。果不其然，最終的實驗結(jié)果表明，降溫最快的就是我們小組，在1分半的時間內(nèi)，水溫下降了30度。

就在我們組洋洋得意的時候，Gail老師提出了新的要求：如果需要被降溫的是一種化學液體，哪些方法就不可取了？冰的降溫效果的確很棒，但制造冰的成本太大，能不能只用水來進行降溫？如果將液體倒入敞開的大面積容器，如何防止有毒物質(zhì)的揮發(fā)？

有了這些限制條件，我們漸漸將思路聚焦到工業(yè)上常用的熱交換機上。只要讓冷水不停通過浸沒在熱水箱里的管道，就能使熱水降溫。這真是一個既能解決問題，又節(jié)省資源、低碳的好方法。

但是，跟別的小組做一樣的事情，實在不是我們組的style。因此當別的小組都在纏繞塑料管的時候，我們組又想到了不同的方法。如果將塑料管塞進塑料瓶里，流經(jīng)塑料管里的水量畢竟是比較少的，何不將塑料瓶放在一個裝有冷水的大容器里，想辦法讓容器里的冷水不停循環(huán)，最終使塑料瓶里的熱水冷卻下來呢！

實驗往往是想的時候簡單，到做的時候就手忙腳亂了。我們采用的是虹吸的方法，將容器里的冷水收集到水桶中，等水桶滿了再倒回容器里。而虹吸的速度比我們想象的要快得多，一會兒水桶里的水就滿了，我們又得趕緊將桶里的水再倒回去。就這樣手忙腳亂了一陣，“循環(huán)冷卻流水線”正式形成了。大家你按我倒，他計時她測溫，分工合理，安排有序。

一開始降溫的效果很是不錯，2分鐘內(nèi)熱水降低了17度。但是繼續(xù)測量時就出現(xiàn)問題了，在第5分鐘和第8分鐘時，水溫竟然出現(xiàn)了回升的現(xiàn)象。但由于當時在忙著繼續(xù)實驗，大家也沒顧上這奇特的數(shù)據(jù)變化。10分鐘后實驗結(jié)束時，我們測量的最終水溫是39度。我嘗試用手摸了一下塑料瓶上方的水，好燙！根本不可能只有39度。哦！這時我們恍然大悟，由于容器里的冷水水位要遠遠低于塑料瓶里的水位，而水的熱傳遞主要通過對流來實現(xiàn)。因此我們一直都只是在給塑料瓶底部的熱水降溫，所以降溫的速度比較快。而塑料瓶上方的水，溫度基本沒怎么變。倘若溫度計稍微向上伸一點，溫度就會升高。通過這個看似簡單的活動，我們又復習了熱傳導的知識，真是意外的收獲呀！

在各組將實驗結(jié)果匯總到集體記錄單時，我們又有了新的發(fā)現(xiàn)——不公平的因素，因為各組熱水的初始溫度都不一樣，冷水的初始溫度也不一樣。新的問題自然而然地產(chǎn)生了……