稀釋膠水 冷卻熱水科學(xué)教師培訓(xùn)中的探究活動(dòng)實(shí)例

動(dòng)手探究，不只是孩子在科學(xué)課上的專利，也是科學(xué)教師培訓(xùn)中的寵兒。在第3期“做中學(xué)”高級(jí)培訓(xùn)中，英國(guó)約克大學(xué)的科學(xué)教育專家安排了一系列有趣的探究活動(dòng)，帶領(lǐng)參訓(xùn)教師們走進(jìn)科學(xué)研究的殿堂，真切地做了一回科學(xué)家和工程師……

實(shí)例一 稀釋膠水

一開始，Gail老師（英國(guó)約克的培訓(xùn)教師）讓我們思考如何測(cè)量不同液體的流動(dòng)性，設(shè)計(jì)一種方法來(lái)比較這些液體的流動(dòng)性，并且要求盡量用一種可重復(fù)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(cè)量液體下滑的快慢或者相同時(shí)間內(nèi)液體走過(guò)的距離。有些小組注意到了實(shí)驗(yàn)的公平性，嘗試了多次來(lái)保證不同液體的液滴量相同。Gail老師在各個(gè)小組巡視著，注意各小組的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，鼓勵(lì)沒有任何數(shù)據(jù)的小組嘗試可記錄的數(shù)據(jù)，并鼓勵(lì)我們發(fā)現(xiàn)更多的測(cè)試方法，如工業(yè)中常用的兩種測(cè)量方法：一是迅速將液體倒入漏斗，測(cè)量漏斗下方開始有液體流出的時(shí)間；二是使用量筒，在液柱頂端釋放一個(gè)小玻璃珠，測(cè)量小玻璃珠下落的時(shí)間。

真正的活動(dòng)還沒有開始，Gail老師神秘地給每個(gè)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(xué)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(gè)問題：這種液體非常黏稠，不能順暢地通過(guò)我們的管道；同時(shí)它也非常難以攪拌，因此我們需要大量的電能來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)我們的攪拌機(jī)，這帶來(lái)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(dòng)嗎？希望您能給我們提供盡量多的測(cè)量數(shù)據(jù)。

我們期待能盡快得到您的回復(fù)。

簡(jiǎn)·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(gè)大問題，真正是工程師需要完成的任務(wù)。我的腦海里不禁浮現(xiàn)出孩子們看到這封信時(shí)驚訝和喜悅的臉。

趕快動(dòng)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(cè)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(guò)管道的問題。小組里大家七嘴八舌的議論開了，到了我這個(gè)小組長(zhǎng)發(fā)揮作用的時(shí)候了。我清了清喉嚨“一個(gè)一個(gè)說(shuō)，要說(shuō)出理由……”小組討論漸漸地聚焦到怎樣通過(guò)設(shè)計(jì)公平實(shí)驗(yàn)，測(cè)量稀釋后膠水的流動(dòng)性，同時(shí)判斷膠水是否還具有粘住紙的能力這個(gè)非常關(guān)鍵的問題上。

瞧！這個(gè)問題難不倒我們，小組內(nèi)很快達(dá)成共識(shí)：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(guò)小紙片能否粘在白紙上來(lái)判斷膠水的粘貼性。另一個(gè)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(lái)表征膠水的粘貼性——不失為一個(gè)有效的測(cè)試方法。

“如何配比膠水？測(cè)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(gè)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(guò)漏斗頸的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)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(duì)應(yīng)的小紙片很輕易地從白紙上脫落了。盡管此次實(shí)驗(yàn)未得到最準(zhǔn)確的數(shù)值，但使我們興奮的是發(fā)現(xiàn)了在膠水的流動(dòng)性與粘貼性之間取得一個(gè)平衡是完全可能的，只要在220mL和240mL水之間進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，必然可以得到最準(zhǔn)確的數(shù)值。

實(shí)例二 冷卻熱水

實(shí)驗(yàn)桌上放著另一個(gè)信封，看來(lái)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(xué)家：

我相信您的顧問團(tuán)隊(duì)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(jì)。該設(shè)計(jì)展示了水的流動(dòng)路徑：從Kelty水庫(kù)取水，經(jīng)工廠后匯入Kel河。其中存在的問題有：①這個(gè)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(guò)管道接口時(shí)有時(shí)會(huì)泄漏，所以我們需要一個(gè)好的密封材料。⑥當(dāng)過(guò)濾從水庫(kù)中流進(jìn)來(lái)的水時(shí)，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(shí)現(xiàn)這一處理。

最后，盡管這個(gè)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(fù)，您的意見對(duì)我們將會(huì)很有用。

李·湯普森

現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)理

看來(lái)湯普森先生遇到的問題還真不少，每個(gè)問題都非常吸引我們的眼球。Gail老師微笑著說(shuō)：“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(gè)問題是讓每個(gè)小組想出1個(gè)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(lái)，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(fēng)

⑥將液體倒入表面積較大的容器。

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

就在我們組洋洋得意的時(shí)候，Gail老師提出了新的要求：如果需要被降溫的是一種化學(xué)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(lái)進(jìn)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(jī)上。只要讓冷水不停通過(guò)浸沒在熱水箱里的管道，就能使熱水降溫。這真是一個(gè)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(shí)在不是我們組的style。因此當(dāng)別的小組都在纏繞塑料管的時(shí)候，我們組又想到了不同的方法。如果將塑料管塞進(jìn)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(gè)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(lái)呢！

實(shí)驗(yàn)往往是想的時(shí)候簡(jiǎn)單，到做的時(shí)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(huì)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(jì)時(shí)她測(cè)溫，分工合理，安排有序。

一開始降溫的效果很是不錯(cuò)，2分鐘內(nèi)熱水降低了17度。但是繼續(xù)測(cè)量時(shí)就出現(xiàn)問題了，在第5分鐘和第8分鐘時(shí)，水溫竟然出現(xiàn)了回升的現(xiàn)象。但由于當(dāng)時(shí)在忙著繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，大家也沒顧上這奇特的數(shù)據(jù)變化。10分鐘后實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，我們測(cè)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(shí)我們恍然大悟，由于容器里的冷水水位要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于塑料瓶里的水位，而水的熱傳遞主要通過(guò)對(duì)流來(lái)實(shí)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(jì)稍微向上伸一點(diǎn)，溫度就會(huì)升高。通過(guò)這個(gè)看似簡(jiǎn)單的活動(dòng)，我們又復(fù)習(xí)了熱傳導(dǎo)的知識(shí)，真是意外的收獲呀！

在各組將實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總到集體記錄單時(shí)，我們又有了新的發(fā)現(xiàn)——不公平的因素，因?yàn)楦鹘M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……