指向科學(xué)探究的物理綜合實(shí)踐活動(dòng)的研究
——綜合實(shí)踐活動(dòng)“制作醫(yī)用冷藏盒”走進(jìn)課后延時(shí)服務(wù)

張海軍

(江蘇省海安紫石中學(xué) 226600)

1 引言

綜合實(shí)踐活動(dòng)在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力中的作用以及用綜合實(shí)踐活動(dòng)充實(shí)延時(shí)服務(wù)的內(nèi)容.

初中物理核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力包括“科學(xué)觀念”、 “科學(xué)素養(yǎng)”、“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度”等四個(gè)方面.學(xué)科活動(dòng)是學(xué)科核心素養(yǎng)形成的主要途徑，學(xué)科活動(dòng)包括實(shí)踐活動(dòng)和認(rèn)識(shí)活動(dòng)兩個(gè)方面，實(shí)踐活動(dòng)是認(rèn)識(shí)活動(dòng)的基礎(chǔ)，實(shí)踐活動(dòng)決定認(rèn)知活動(dòng)的產(chǎn)生和發(fā)展，實(shí)踐活動(dòng)也是檢驗(yàn)認(rèn)識(shí)活動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn).綜合實(shí)踐活動(dòng)以學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探索學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，從生活和社會(huì)中確定課題，通過(guò)親身實(shí)踐，強(qiáng)化科學(xué)觀念，鍛煉科學(xué)思維，培養(yǎng)科學(xué)探究能力，形成科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感.綜合實(shí)踐活動(dòng)的開(kāi)展具有很強(qiáng)的開(kāi)放性，其內(nèi)容與學(xué)生的生活密切相關(guān)但又往往表現(xiàn)為沒(méi)有現(xiàn)成的答案以及答案的不確定性，綜合實(shí)踐活動(dòng)從一個(gè)話題開(kāi)始但隨著新活動(dòng)的不斷展開(kāi)，新的問(wèn)題、新的目標(biāo)將會(huì)不斷生成，學(xué)生的認(rèn)知和體驗(yàn)不斷深入，創(chuàng)造性的話題不斷呈現(xiàn)，這就是綜合實(shí)踐活動(dòng)的不斷生成性.課后延時(shí)服務(wù)給了學(xué)生更多的參與綜合實(shí)踐活動(dòng)的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生在活動(dòng)中不斷提升自身的科學(xué)素養(yǎng)和關(guān)鍵能力.蘇科版初中物理教材中設(shè)置了9個(gè)綜合實(shí)踐活動(dòng)，筆者以“制作醫(yī)用冷藏盒”談?wù)劇爸赶蚩茖W(xué)探究的物理綜合實(shí)踐活動(dòng)的開(kāi)發(fā)和研究”.

2 綜合實(shí)踐活動(dòng)：制作一個(gè)醫(yī)用冷藏盒

2.1 該綜合實(shí)踐活動(dòng)的背景

2.1.1為救治病人，急需將一種藥品送到偏遠(yuǎn)的山村.這種藥品要求在0℃以下存放.由于山高路遠(yuǎn)、氣溫較高，所以常用的保溫瓶不能滿足運(yùn)輸途中保持低溫的要求，請(qǐng)利用常用器材設(shè)計(jì)出符合要求的“醫(yī)用冷藏盒”.

2.1.2學(xué)生具備了一定的生活經(jīng)驗(yàn)，掌握了一些降溫的方法，了解了一些材料的物理屬性，具備一定的科學(xué)探究能力.

該實(shí)踐活動(dòng)有現(xiàn)實(shí)意義，且學(xué)生有能力參與.

2.2 該綜合實(shí)踐活動(dòng)的推進(jìn)過(guò)程

(1)問(wèn)題分解，找出達(dá)成目標(biāo)所要解決的問(wèn)題；

(2)尋找解決問(wèn)題的思路和方法；

(3)實(shí)踐操作，發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題或者可以提升的空間；

(4)進(jìn)一步優(yōu)化和提升；

(5)向應(yīng)用推進(jìn)，使發(fā)明和發(fā)現(xiàn)能用于現(xiàn)實(shí)社會(huì)，或者提出向應(yīng)用推進(jìn)的優(yōu)化建議.

2.2.1 問(wèn)題分解，找出達(dá)成目標(biāo)所要解決的問(wèn)題

制作一個(gè)符合要求的醫(yī)用冷藏盒，需要解決的問(wèn)題有：如何獲得低溫，如何保持低溫.

2.2.2 尋找解決問(wèn)題的思路和方法

學(xué)生分成兩小組，一組負(fù)責(zé)尋找獲得低溫的方法，一組負(fù)責(zé)解決如何保持低溫.先看第一組學(xué)生的活動(dòng)推進(jìn)過(guò)程.甲同學(xué)提出：可以用冰塊吸熱獲得低溫，乙同學(xué)提出：冰塊制冷可能較難獲得0℃以下較低的溫度，建議用干冰升華來(lái)獲得低溫.另外一組學(xué)生認(rèn)為應(yīng)該想辦法隔熱才能讓保溫瓶保持低溫，于是他們分頭尋找隔熱性比較好的材料.

2.2.3 實(shí)踐操作，發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題或者提升的空間

第一組的同學(xué)經(jīng)過(guò)商量決定利用干冰升華來(lái)獲得低溫，干冰可以從酒店獲得.將50g的干冰投入到盛有100g 25℃的水的保溫瓶中，1分鐘測(cè)得水溫為4攝氏度，2分鐘水完全結(jié)成冰，3分鐘保溫瓶?jī)?nèi)溫度降到在零下10℃，4分鐘保溫瓶?jī)?nèi)溫度仍然為10℃，停止測(cè)溫.大家都很滿意干冰獲得低溫的效果，集中討論偏遠(yuǎn)山村獲得干冰的方法，偏遠(yuǎn)山村即使有酒店也不一定有干冰，如何獲得干冰成為同學(xué)們面臨的又一個(gè)問(wèn)題.就在這時(shí)保溫瓶蓋嘭一聲飛了出去，嚇了所有人一大跳.怎么回事？大家一商量就得出了結(jié)論：干冰升華變成二氧化碳?xì)怏w增加了保溫瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)，二氧化碳?xì)怏w將瓶塞推了出去發(fā)出了巨響.如何防止這種現(xiàn)象再次出現(xiàn)？這一實(shí)驗(yàn)引出了兩個(gè)新的問(wèn)題.第二小組的同學(xué)找到了泡沫、多孔海綿、棉絮等材料，分別將這三種材料塞滿冷藏盒與保溫瓶之間的空隙，將100g的冰塊放入保溫瓶，在保溫瓶蓋上鉆個(gè)孔將溫度計(jì)感溫部件插入保溫瓶中，蓋好蓋，60分鐘后，讀出溫度計(jì)示數(shù)分別為2℃、6℃、8℃，120分鐘后讀得溫度計(jì)示數(shù)分別為8℃、16℃、17℃，由此可見(jiàn)：隔熱性能最好的是泡沫.但同學(xué)們發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的推移保溫瓶?jī)?nèi)的溫度越來(lái)越高，看來(lái)泡沫也不能隔絕熱傳遞，那如何保持保溫瓶?jī)?nèi)溫度保持0℃以下且基本保持不變呢？

2.2.4 進(jìn)一步優(yōu)化和提升

兩組同學(xué)都遇到了不同的問(wèn)題，第一小組的同學(xué)發(fā)現(xiàn)，干冰能夠獲得較為理想的低溫，但帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題，那用冰能不能達(dá)到干冰升華制冷的效果呢？同學(xué)們從冰箱冷藏室中拿出一塊191g的零下18℃的冰袋放入保溫瓶中，向保溫瓶中注入200g 25.7℃的水(模擬放入的藥品)，蓋好蓋子，每隔5分鐘讀溫度計(jì)的示數(shù)，讀得的溫度計(jì)的示數(shù)分別為14.1℃、11.7℃、9.1℃、8.3℃、7.5℃、7.0℃、6.4℃、5.8℃、5.7℃、5.8℃.由溫度計(jì)示數(shù)可以看出，低溫的冰沒(méi)能將保溫瓶?jī)?nèi)溫度降到0℃以下.如果要得到更低的溫度，冰的數(shù)量要更多.看來(lái)冰可以制冷，但要獲得0℃以下的低溫，冰的效果不算太好.大家經(jīng)過(guò)商量覺(jué)得應(yīng)該還是想辦法用干冰升華來(lái)制冷.那怎么解決遇到的兩個(gè)問(wèn)題呢？大家感覺(jué)現(xiàn)有大家的經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)歷無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題，困惑中，有同學(xué)提出可以上網(wǎng)搜索，經(jīng)過(guò)搜索，大家還真獲得了一種制取干冰的方法：用一個(gè)粗布袋套在裝有二氧化碳的滅火器的噴口上按下閥門(mén)，大量的二氧化碳從噴嘴噴出，一陣大量的白霧噴出后，打開(kāi)布袋就可以看到白色的干冰.大家試了一下果然獲得了一些干冰.那如何解決一段時(shí)間后，由于二氧化碳?xì)怏w的增多而使保溫瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)過(guò)大的問(wèn)題呢？當(dāng)然可以通過(guò)定時(shí)通氣減壓來(lái)防止壓強(qiáng)太大，但這務(wù)必會(huì)降低冷卻效果.另一小組的同學(xué)經(jīng)過(guò)商量發(fā)現(xiàn)要保持溫度基本不變，一方面可以盡可能選用隔熱性能比較好的材料之外，還可以不斷制冷.兩組同學(xué)合并在一起共同商量“如何能夠持續(xù)制冷”.干冰制冷又帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題“如何讓干冰能夠持續(xù)緩慢升華制冷”，干冰在常溫下升華很快，很難做到緩慢升華.這時(shí)有同學(xué)提出：可不可以尋找到更好的制冷的方法.同學(xué)們查資料、咨詢老師，功夫不負(fù)有心人，有同學(xué)從老師那邊得到一種方法：用硝酸銨溶解于水可以獲得低溫.同學(xué)們進(jìn)行了如下操作：向保溫瓶中注入100g的水，然后向其中加入20g的顆粒狀硝酸銨，5分鐘后保溫瓶?jī)?nèi)溫度為2.2℃適當(dāng)攪拌后溫度降為1.1℃，但維持時(shí)間很短，原因可能是環(huán)境溫度較高，再加入20g硝酸銨，稍加攪拌，溫度計(jì)示數(shù)變?yōu)?0.8℃,再加入20g硝酸銨，稍加攪拌，溫度計(jì)示數(shù)變?yōu)?2.0℃，再加入20g硝酸銨，稍加攪拌，溫度計(jì)示數(shù)變?yōu)?4.2℃,再加入20g硝酸銨，稍加攪拌，溫度計(jì)示數(shù)變?yōu)?5.4℃.實(shí)驗(yàn)獲得成功，而且同學(xué)們還發(fā)現(xiàn)加入硝酸銨的多少會(huì)直接影響保溫瓶?jī)?nèi)的溫度，這樣就可以通過(guò)改變硝酸銨量的多少來(lái)控制保溫瓶?jī)?nèi)的溫度.

2.2.5 向應(yīng)用推進(jìn)，使發(fā)明和發(fā)現(xiàn)能用于現(xiàn)實(shí)社會(huì)，或者提出向應(yīng)用推進(jìn)的優(yōu)化建議同學(xué)們利用常用的器材制作了一個(gè)簡(jiǎn)易冷藏盒(如圖1、2)，最外層為學(xué)生從家?guī)н^(guò)來(lái)的收納盒，上為插入式溫度計(jì)，內(nèi)為泡沫，底部為雙層泡沫.

圖1 圖2

實(shí)踐過(guò)程1：

向盒中裝250g、25℃的水，加入100g顆粒狀硝酸銨，輕搖冷藏盒(模擬運(yùn)輸過(guò)程中的晃動(dòng)同時(shí)也起到加快硝酸銨溶解于水)，溫度計(jì)示數(shù)變?yōu)?0.2℃，繼續(xù)加入100g硝酸銨，溫度計(jì)示數(shù)變?yōu)?6.1℃，繼續(xù)加入100g硝酸銨，溫度計(jì)示數(shù)最低降為10.3℃，繼續(xù)加入100g硝酸銨，溫度計(jì)示數(shù)降為8.6℃，繼續(xù)加入100g硝酸銨，溫度計(jì)示數(shù)為8.5℃，溫度計(jì)示數(shù)變化不大，繼續(xù)加入100g硝酸銨，溫度計(jì)示數(shù)仍為8.5℃，溫度計(jì)示數(shù)不再變化.為什么呢？打開(kāi)蓋子，大家發(fā)現(xiàn)水中仍然有大量的硝酸銨顆粒，請(qǐng)教老師后才知道，當(dāng)硝酸銨溶液變成飽和溶液后硝酸銨將不再溶解于水中.同學(xué)們經(jīng)過(guò)激烈的討論和論證后，決定先用冰塊來(lái)降溫然后再用硝酸銨來(lái)降低溫度和保持溫度.

實(shí)踐過(guò)程2：

向盒中裝250g、25℃水，加入200g的冰袋，10分鐘后溫度降為6.5℃，加入100g顆粒狀硝酸銨，輕搖冷藏盒，溫度計(jì)示數(shù)變?yōu)?.6℃，繼續(xù)加入100g硝酸銨，溫度計(jì)示數(shù)變?yōu)?3℃，繼續(xù)加入100g硝酸銨，溫度計(jì)示數(shù)最低降為-5.9℃，后來(lái)穩(wěn)定在-4℃.

該方法可行，可以適當(dāng)增加硝酸銨的數(shù)量來(lái)延長(zhǎng)保持-4℃的時(shí)間.

實(shí)踐反思：冷藏盒內(nèi)沒(méi)有放入所需儲(chǔ)存的藥品，如果放入藥品，實(shí)際效果可能會(huì)降低一些，可以通過(guò)調(diào)節(jié)冰塊的數(shù)量和硝酸銨的數(shù)量來(lái)達(dá)到預(yù)期溫度要求.水的數(shù)量要控制好，太少了，硝酸銨溶液易飽和，太多了容易溢出.該盒的密封性還要再做改進(jìn).

繼續(xù)優(yōu)化：

同學(xué)們結(jié)合實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)原冷藏盒進(jìn)行了改進(jìn)，希望能達(dá)成更好的效果或者能推向社會(huì).

冷藏盒結(jié)構(gòu)如圖3：

圖3

①收納盒②泡沫板③導(dǎo)熱隔板④溫度計(jì)⑤儲(chǔ)存硝酸銨的盒子(下端有下開(kāi)的閥門(mén))⑥儲(chǔ)水盒

使用方法：

將適量的水放入⑥，將冰塊放入冷藏盒中間，將硝酸銨放入⑤，將藥品放入冷藏盒中間位置，蓋好蓋子，根據(jù)溫度計(jì)示數(shù)適時(shí)打開(kāi)⑤的底部開(kāi)關(guān)放入適量的硝酸銨.

總之，在今后的教學(xué)中可以結(jié)合學(xué)生的實(shí)際設(shè)計(jì)出更多的實(shí)踐活動(dòng)，如制作彈簧測(cè)力計(jì)、天平、體重計(jì)、彈力車(chē)、調(diào)光燈、密度計(jì)、新能源照明燈等等，豐富學(xué)生的課后延時(shí)服務(wù)時(shí)段的生活，在活動(dòng)中提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力.