遮 風(fēng) 擋 雨

李佩寧

很多科普讀物上經(jīng)常會(huì)提到，納米材料被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的新型材料。當(dāng)組成材料的微粒尺寸達(dá)到納米級(jí)（1納米=10-9米）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多讓人意想不到的奇特的光、電、磁、熱、力和化學(xué)等方面的性質(zhì)。如將金屬制成納米粉末后就變成了黑色，且不導(dǎo)電，機(jī)械強(qiáng)度也大幅度提高。

事實(shí)上，21世紀(jì)可以說(shuō)是材料尤其是新材料的世紀(jì)。不僅是納米材料，各種材料在不同狀態(tài)下性能的改變都可能決定一項(xiàng)工程或一項(xiàng)發(fā)明的成敗，而后者可能會(huì)推動(dòng)整個(gè)人類(lèi)文明的飛躍。因此，了解材料的性能，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的允許下恰當(dāng)使用材料是非常必要且具有重要意義的。材料性能學(xué)指出，分析材料性能包含四要素——表征（規(guī)律）、機(jī)理、影響因素和測(cè)試，要由此來(lái)闡述每一種材料性能，注重基本理論和工程應(yīng)用的結(jié)合，并注意到不同材料的共性和個(gè)性，才能完整表現(xiàn)一種特定的材料。其中，測(cè)試是非常重要的一環(huán)。

一、課程重點(diǎn)

本課程通過(guò)讓學(xué)生了解材料性能的概念以及科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)有效運(yùn)用工具、記錄數(shù)據(jù)并最終得出科學(xué)結(jié)論的完整過(guò)程的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，營(yíng)造學(xué)生可以在動(dòng)手實(shí)踐中深入感受和理解科學(xué)實(shí)驗(yàn)的課堂氛圍。

【涉及領(lǐng)域】工程學(xué)、物理學(xué)、設(shè)計(jì)、藝術(shù)

【建議年級(jí)】小學(xué)中年級(jí)

【建議時(shí)間】125分鐘

二、課程任務(wù)

讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的步驟和基本方法，激發(fā)學(xué)生了解現(xiàn)象、學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生用文字記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并做出分析。

三、課程步驟

1.導(dǎo)入（15分鐘）

第一步：介紹進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法和材料性能的概念，詢(xún)問(wèn)學(xué)生對(duì)材料性能的認(rèn)識(shí)。科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法主要包括六個(gè)重要步驟：一是觀察，即對(duì)事實(shí)和事件的詳細(xì)記錄;二是對(duì)問(wèn)題進(jìn)行定義，定義是有確切程序可操作的;三是提出假設(shè)，即提出對(duì)一種事物或一種關(guān)系的暫時(shí)性解釋;四是檢驗(yàn)，即收集證據(jù)和檢驗(yàn)假設(shè)，要能提供假設(shè)所需的客觀條件，并找到方法來(lái)測(cè)量相關(guān)參數(shù);五是發(fā)表研究結(jié)果，即科學(xué)信息必須公開(kāi)透明，真正的科學(xué)關(guān)注的是解決問(wèn)題;六是建構(gòu)理論。

材料的性能可分為兩類(lèi)。一是特征性能，屬于材料本身固有的性質(zhì)。包括常見(jiàn)的如熱學(xué)性能（如熱容、熔沸點(diǎn)等）、力學(xué)性能（如拉伸強(qiáng)度、抗沖強(qiáng)度等）、電學(xué)性能（如電導(dǎo)率、電阻率等）、磁學(xué)性能（鐵磁性）、光學(xué)性能（如光的反射、折射以及發(fā)光等性質(zhì)）、化學(xué)性能（如耐腐蝕性、催化性能等），不常見(jiàn)的如耐疲勞強(qiáng)度、介電性能、離子交換性能等（選擇了解即可）。二是功能物性，指在一定條件和一定限度內(nèi)對(duì)材料施加某種作用時(shí)，通過(guò)材料將這種作用轉(zhuǎn)化為另一形式功能的性質(zhì)。包括熱電轉(zhuǎn)換性能（如熱敏電阻）、光熱轉(zhuǎn)換性能（如太陽(yáng)能平板型集熱器）、光電轉(zhuǎn)換性能（如太陽(yáng)能電池）、力電轉(zhuǎn)換性能、磁光轉(zhuǎn)換性能、電光轉(zhuǎn)換性能、聲光轉(zhuǎn)換性能等，主要用于能量轉(zhuǎn)換。

之后，讓學(xué)生判斷“是否能夠擋雨遮風(fēng)”屬于材料的哪一類(lèi)性能（答案是透性，應(yīng)當(dāng)屬于特征性能）。

第二步：簡(jiǎn)單介紹透性的產(chǎn)生原因。透性的好壞取決于物體的致密程度——是否允許水分子在短時(shí)間內(nèi)穿透過(guò)去。水分子間存在很強(qiáng)的氫鍵作用，使其具有一定的粘性和張力，這使得水并不容易通過(guò)細(xì)小的孔洞。須強(qiáng)調(diào)的是，許多物體只是短時(shí)間內(nèi)的透性不好，不代表水永遠(yuǎn)不能穿過(guò)去。這也是要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的原因。

2.宣布任務(wù)一及評(píng)價(jià)量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務(wù)】需要測(cè)定給定的幾種很薄的物質(zhì)材料的透性，讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，完成實(shí)驗(yàn)，并列出結(jié)果。宣布任務(wù)后，呈現(xiàn)評(píng)價(jià)量規(guī)（見(jiàn)表1）。

【材料】水、移液器、繪圖紙、報(bào)紙、各種材料的織物（如絲綢、棉布、人造纖維布等）、蠟紙、塑料薄膜、毛根、手工棒、剪刀、膠水、膠帶

宣布任務(wù)和評(píng)價(jià)量規(guī)后，教師要繼續(xù)詢(xún)問(wèn)各組如下一些問(wèn)題。

（1）以什么作為測(cè)量透性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)？

（2）對(duì)被測(cè)試的各種材料要進(jìn)行什么準(zhǔn)備？是否需要進(jìn)行必要的形變或者其他處理？

（3）哪些變量需要被統(tǒng)一嚴(yán)格控制以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性？（如溫度）

（4）怎樣用圖表表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果？必須要記錄哪些數(shù)據(jù)？是否還需要其他測(cè)量工具以使測(cè)量更準(zhǔn)確？

詢(xún)問(wèn)后，給各組少量時(shí)間進(jìn)行溝通準(zhǔn)備。每個(gè)人都要寫(xiě)下自己的想法和實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，然后小組討論執(zhí)行什么樣的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。

3.任務(wù)一的執(zhí)行（20分鐘）

正式執(zhí)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)。要求學(xué)生依照評(píng)價(jià)量規(guī)，并應(yīng)考慮以下內(nèi)容。

（1）你的預(yù)測(cè)是什么？你們組的預(yù)測(cè)是什么？怎樣用一句話(huà)或者很少的文字概括？

（2）你的設(shè)計(jì)是什么？你們組的設(shè)計(jì)是什么？分為幾步？

（3）你們組以什么作為測(cè)量透性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)？

（4）實(shí)驗(yàn)執(zhí)行時(shí)應(yīng)該注意哪些方面？

（5）如果要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，而使用的材料有限，有什么注意事項(xiàng)？

（6）如何用圖表呈現(xiàn)觀察結(jié)果？是否在實(shí)驗(yàn)前就設(shè)計(jì)了圖表的框架？框架包括哪些內(nèi)容？為何如此設(shè)計(jì)？

（7）小組的分工如何？

4.總結(jié)和反思（25分鐘）

全部小組完成后，組織討論以下問(wèn)題。

（1）最終哪種材料是透性最好的？哪種是最差的？

（2）如果要制作雨傘或者其他雨具，透性最差的那種材料是否為最佳選擇？為什么？除了透性，還應(yīng)考慮什么因素？

（3）材料科學(xué)家怎樣描述他們的研究和研究結(jié)果？

5.宣布任務(wù)二及評(píng)價(jià)量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務(wù)】讓學(xué)生選擇最佳材料制作一把小雨傘，并寫(xiě)一句廣告詞來(lái)強(qiáng)調(diào)雨傘的性能。宣布任務(wù)后，呈現(xiàn)評(píng)價(jià)量規(guī)（見(jiàn)表2）。

【材料】水、移液器、繪圖紙、報(bào)紙、各種材料的織物、蠟紙、塑料薄膜、毛根、手工棒、剪刀、膠水、膠帶

宣布任務(wù)和評(píng)價(jià)量規(guī)后，教師要繼續(xù)詢(xún)問(wèn)如下一些問(wèn)題。

（1）雨傘的傘骨有什么特點(diǎn)？雨傘張開(kāi)后是如何保證傘骨和傘骨之間的距離相等而不會(huì)無(wú)法完全展開(kāi)？這些特點(diǎn)是否容易借鑒？為什么？

（2）你制作的雨傘能否經(jīng)受較大的雨水從上向下的沖擊？怎樣解決這一問(wèn)題？

詢(xún)問(wèn)后，給予少量時(shí)間讓各組進(jìn)行溝通準(zhǔn)備。每個(gè)人都要寫(xiě)下自己的想法和設(shè)計(jì)方案，然后小組討論使用哪種設(shè)計(jì)方案、如何撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū)、以什么樣的形式呈現(xiàn)說(shuō)明書(shū)。

6.任務(wù)二的執(zhí)行（20分鐘）

正式執(zhí)行制作任務(wù)。要求學(xué)生依照評(píng)價(jià)量規(guī)，并應(yīng)考慮以下內(nèi)容。

（1）你們組選取了什么材料制作小雨傘的傘面？為什么這樣選擇？

（2）除了考慮透性，你們還思考了哪些問(wèn)題？得出了什么結(jié)論或者遇到了什么問(wèn)題？

（3）小雨傘制作的難點(diǎn)在哪里？是否可以通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)而予以解決？

（4）小組的分工如何？

7.總結(jié)和反思（25分鐘）

全部小組完成后，組織討論以下問(wèn)題。

（1）如果將小雨傘改裝成小遮陽(yáng)傘，還需要進(jìn)行哪些調(diào)整？為什么？

（2）如果要制作可多次重復(fù)利用的雨衣，哪種材料較適合？需要考慮哪些方面？為什么？（如從透水性、透氣性、疲勞強(qiáng)度、材料強(qiáng)韌性等方面進(jìn)行考察）

（3）如果我們要成立一家公司，通過(guò)制作這種小雨傘來(lái)盈利，你覺(jué)得還有哪些方面需要繼續(xù)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)？為什么？