一、发现问题
目标:
1.观察客体与现象.
2.用适当的语词描述观察所得.
3.选择适当的测量工具、定量测量客体及其变化或定性分析客体及变化、设定适当的科学问题.在“水的沸腾”探究活动中,我们观察到一个现象:水开之前,在烧杯底部形成的气泡上升到中上层水中时,气泡湮灭了.经过讨论,大多数同学认为:水烧开之前,水是上冷下热的,所以在壶底形成的气泡“升到温度较低的中上层水时,气泡因温度降低而缩小,重新被溶解而湮没”.但还有部分同学坚持自己的观点:由于水的“对流”,热水密度小,比冷水“轻”,热水总是浮在冷水的上面,因此水开之前,水是上热下冷的.从不同角度而言,以上两种观点都有一定的科学道理,为了彻底搞清楚这个问题,我们就“水开之前的水层温度分布”作了进一步的探究.
二、实验探究
目标:
1.选择旨在验证假设的实验.
2.构成旨在进行实验的适当步骤.
为了选择适当地验证假设的实验(目标1),我们在大烧杯中,装上约120mL的冷水,置于热源(酒精灯)之上,对之缓慢加热.取四个温度计,让其中三个温度计的液泡分别浸没在水的上、中、下三个不同深度,让其中一个温度计直接与烧杯的底部接触.在烧水的过程中,对应于不同的时刻,记录每一个温度计的读数.为了排除获得的数据的偶然性,我们反复做了五次实验(见表1).
通常要实现验证假设(目标1),就得选择逻辑地证明假设的步骤(目标2),这时,教师就要策划妥当的教学策略,而不是仅仅安排并操作一连串的实验装置.在本实验中,要准确地验证“水开之前的水层温度分布”的假设,必须做两个实验.一是定量测定同一烧杯的水不同水层的温度分布,二是定性比较两个烧杯的水加热到不同温度的对流的情况.具体做法可以取两个烧杯,各放约120mL相同多的水,让其中一杯先烧至约70℃,然后开始烧另一杯水,当一杯水达到约80℃时,另一杯水也达到大约35℃,同时在两个烧杯中心投入若干粒高锰酸钾,观察水的对流.学生倘若既能定量测定同一烧杯的水不同水层的温度分布,又能在这只烧杯中投入若干粒高锰酸钾,观察到不同温度水的对流情况,也非常好.
三、归纳结果
目标:
1.能以图和表的形式,归纳观察记录与数据.
2.倘若有正当理由,能在实际观测值的范围外作出外推,或在观测值范围内作出补充.
3.阐释观察记录与数据.
下表是其中一次实验的数据记录:我们从水层温度分布示意图可以很清楚地看出数据的规律(目标1):水从室温上升到80℃附近这一过程中,容器里的水一直是“上高下低”,但从80℃到100℃水开始沸腾这一过程中,容器里的水却是“上低下高”的.而且五次实验的结果都是一样的,即水开之前,容器里的水层温度先是“上高下低”然后是“上低下高”直至沸腾.这一结果,出乎我们的意料,与我们实验前对水开之前水层温度的单一假设要么“上高下低”,要么“上低下高”是很不一致的,然而却是事实.
为什么水在加热过程中,水层温度的分布会发生变化呢(目标3)?经过大家的讨论,我们认为,水是热的不良导体,当容器里的水温度较低时,上层和下层的水温相差较大,对流运动剧烈,对流的结果使得水上层温度较高,下层温度较低,呈现“下热上冷”的现象;当整个容器里的水温度较高时,上层和下层的水温差就比较小,对流运动不那么剧烈,热传导产生的效果就突现出来了,热传导的结果使得下层水温度较高,上层水温度较低,呈现“上冷下热”的现象.
另外,从实验数据分析,我们认为产生烧杯底形成的气泡升到中上层水时被湮没的现象,其原因不是下层水温度较高,而是因为容器底的温度较高,气泡贴在容器底,生成时温度较高.一旦离开容器底,温度就要降低,导致气泡体积缩小,生成的气泡本身就小,在水开之前就发生“湮没”现象了.在定性研究的两个烧坏中心投入若干粒高锰酸钾,观察水的对流.
四、引出结论
目标:
1.根据观察与实验数据,评价假设.
2.作出适当的概括,亦即借助所发现的关系,来支撑经验性法则与原理的确立.
3.在解答科学问题中,运用数学关系.
在探讨、处理、归纳数据并作出了解释之后,学生就得判断已有的见识是否支持假设.这时,教师倘若把学生的思路限定在机械、唯一的阐述可能性上,就会破坏学生想去探究的好奇心,影响学生发现新的变量.例如学生对水沸腾前水层的温度分布情况了解之后,也许会自然地想到另外一个问题:探究水在0℃到4℃的反常膨胀现象;也许还会进一步考虑,水沸腾前水层的温度分布情况是否适应于水之外的其他所有液体?若在水中加入盐实验现象会怎样?若改变大气压实验现象又会怎样?他们会进一步探讨、研究.