“熱的傳播”教學(xué)主題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例分析

董亞男

呈現(xiàn)熱傳導(dǎo)快慢的實(shí)驗(yàn)方案

材料：細(xì)棉線一段、約40cm長的鐵絲、（或其他金屬絲）、細(xì)木棍或竹制毛衣針、剪刀、帶夾子的鐵架臺、蠟燭、長試管、試管夾，小活魚等。

方案1：研究熱傳導(dǎo)

將鐵絲彎成平行的二股叉形狀，且一長一短，叉股間距約3cm；將叉子型鐵絲懸空固定，使兩個叉股保持水平，如圖1（a）所示。

將蠟燭點(diǎn)燃一段時間后，把棉線經(jīng)過火焰下蠟燭溶液內(nèi)浸潤成“蠟線”，繃直冷卻，如圖1（b）所示。

將冷卻變硬的棉線用剪刀剪成6cm的6小段，如圖 1（c）所示。

將6小段“蠟線”等間距平放在鐵絲制成的叉股上，如圖1（d）所示。用蠟燭的火焰對那段長的叉股加熱，片刻后，從靠近火焰的第一根“蠟線”開始依次發(fā)生彎折，如圖1（e）所示，蠟燭火焰的熱通過鐵絲傳播到第一根 “蠟線”處，“蠟線”中的蠟遇熱溶化，棉線變軟發(fā)生彎折;隨著熱的繼續(xù)傳導(dǎo)，第二根“蠟線”彎折，第三根依次彎折，如圖 1（f）所示。

圖1

方案2：體感不同材料的熱傳導(dǎo)

如圖2所示，兩手各持約15cm長的鐵絲和木棍的一端，另一端在蠟燭火焰上加熱，只要有一只手感覺發(fā)熱就停止加熱。手持鐵絲的手先感覺到發(fā)熱，鐵絲傳導(dǎo)熱的速度比木棍快，所以手持鐵絲的手先感覺到溫度升高。

圖2

方案3：水是熱的不良導(dǎo)體

如圖3所示，將長試管中裝水近滿，放進(jìn)兩條小魚。用試管夾將試管上部夾住，手持試管夾將試管的管口處放在酒精燈火焰上加熱，持續(xù)加熱幾分鐘后，管口處的水開始沸騰。由于水不善于傳熱，水里的小魚安然無恙。

圖3

以上實(shí)驗(yàn)說明：熱傳導(dǎo)是熱量從物體的高溫部分沿著物體向低溫部分傳遞的現(xiàn)象。金屬是熱的良導(dǎo)體，非金屬是熱的不良導(dǎo)體。

呈現(xiàn)熱對流現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)方案

材料：鐵架臺、“長頸燒瓶”、高錳酸鉀晶粒、酒精燈、易拉罐金屬皮、剪刀、細(xì)金屬絲、蠟燭。

方案1：觀察液體的對流現(xiàn)象

將裝有冷水和少量高錳酸鉀晶粒的 “長頸燒瓶”懸空架在鐵架臺上；用酒精燈在燒杯底下對準(zhǔn)高錳酸鉀晶粒加熱（為了確保定位加熱，在“長頸燒瓶”底部墊上一個有孔的金屬圓片，通過小孔對準(zhǔn)高錳酸鉀晶粒加熱），片刻后可觀察到中間部位紫紅色的高錳酸鉀溶液緩慢上升，到了水面之后向四周擴(kuò)散，然后從瓶子的側(cè)面下降，整個過程如圖4所示。高錳酸鉀溶液的上下運(yùn)動，說明下面的水與上面的水存在溫差，熱水上升，冷水下降，上下循環(huán)，最后整個瓶子的水都熱起來。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明：溫度高的液體或氣體，因密度變小而上升，臨近溫度較低的液體或氣體對流過來補(bǔ)充，形成液體或氣體的對流。

圖4

方案 2：風(fēng)輪一

將易拉罐剪成一個圓，過圓心畫十字線，用剪刀將十字線剪開（不要剪到圓心）；將剪開的四個扇形稍稍彎曲成葉輪，如圖5（a）所示；在葉輪中心砸一個小坑，用細(xì)鐵絲支起；細(xì)鐵絲的另一端懸空固定在鐵架臺上；將點(diǎn)燃的酒精燈放在葉輪的正下方，這時葉輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)，如圖5（b）所示。其原理是熱空氣上升，冷空氣下降?？諝饬鲃有纬娠L(fēng)，在風(fēng)的推力下葉輪旋轉(zhuǎn)起來。

圖5

方案 3：風(fēng)輪二

將一紙片按圖剪成一個風(fēng)輪，在其中心用細(xì)線懸掛，細(xì)線的另一端綁在一個木棍上，手持木棍將風(fēng)輪懸在蠟燭火焰的上方 （不要靠近火焰，避免燃燒），此時由于對流作用使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，如圖6所示。

圖6

以上三個實(shí)驗(yàn)說明對流是熱傳遞的一種方式。溫度高的液體或氣體，因密度變小而上升，臨近的溫度較低的液體或氣體對流過來補(bǔ)充，形成液體或氣體的對流。

呈現(xiàn)熱輻射的實(shí)驗(yàn)方案

材料：60w 白熾燈及燈座、溫度計(jì)（0～100℃）、教科書或小木板，自制的液體溫度計(jì)兩支、蠟燭、紙杯、文具小刀、毛筆、墨汁，白紙、黑紙，膠帶等。

方案1：觀察熱輻射現(xiàn)象

先觀察一下室內(nèi)溫度計(jì)讀數(shù)圖7（a）；將白熾燈通電發(fā)光，手持溫度計(jì)將其液泡放到白熾燈側(cè)面不遠(yuǎn)處，觀察溫度計(jì)讀數(shù)變化，如圖7（b）所示，此時溫度計(jì)讀數(shù)開始上升。這說明，由于空氣受熱后上升，空氣對流不會對溫度計(jì)的讀數(shù)有影響，而空氣是熱的不良導(dǎo)體，熱傳導(dǎo)也不起作用。

將溫度計(jì)放在白熾燈正下方不遠(yuǎn)處，重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)過程，觀察溫度計(jì)讀數(shù)變化，如圖7（c）所示?？捎^察到溫度計(jì)讀數(shù)同樣上升，由此進(jìn)一步證實(shí)溫度計(jì)讀數(shù)的上升不是對流和熱傳導(dǎo)引起的。

用教科書或小木板擋在燈泡和溫度計(jì)間，如圖7（d）所示，重復(fù)上面實(shí)驗(yàn)，觀察到溫度計(jì)讀數(shù)幾乎沒有上升。這表明，在上面兩步實(shí)驗(yàn)中，熱是沿直線“射”到溫度計(jì)液泡上的。

圖7

方案2：黑白“外罩”吸熱比較

自制兩個液體溫度計(jì)，取兩個紙杯，如圖8（a）所示，用文具小刀將兩個紙杯的底部刻出一個大孔，將其中一個紙杯完全涂黑，如圖8（b）所示。將黑白兩個紙杯分別套在兩個液體溫度計(jì)上（相當(dāng)于給兩個溫度計(jì)穿上黑白外罩）并調(diào)節(jié)液柱等高，將蠟燭放在兩個液體溫度計(jì)中間，如圖8（c）所示。點(diǎn)燃蠟燭，數(shù)分鐘后，可觀察到帶“黑外罩”的液體溫度計(jì)液柱上升，如圖8（d）所示。由此說明涂黑的紙杯比白色的紙杯吸熱的速度快，黑紙杯吸熱后溫度升高，導(dǎo)致其內(nèi)部液體溫度計(jì)的液柱上升。

圖8

方案3：體感熱輻射吸收

將略比手掌大的白紙和黑紙用膠帶粘上紙杯，使其分別貼在兩只手掌上。將點(diǎn)燃的蠟燭或點(diǎn)亮的白熾燈置于兩手掌之間，如圖9所示。片刻貼黑紙的手掌會先感覺到熱。

圖9

以上三個實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明輻射也是熱傳遞的一種方式。熱輻射是以直線方向進(jìn)行的；吸收輻射熱的本領(lǐng)與物體表面的顏色有關(guān)，顏色越深，吸收輻射熱越多，顏色越淺，吸收熱就越少。

上述介紹關(guān)于“熱的傳播”教學(xué)主題的3組實(shí)驗(yàn)，9個方案，是圍繞“傳導(dǎo)”“對流”和“輻射”三種傳播方式設(shè)計(jì)的。其中圖1、圖5、圖6、圖8所示實(shí)驗(yàn)屬于自制器具型“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)，圖3、圖4、圖7所示實(shí)驗(yàn)屬于自組物件型“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)，圖2、圖9所示實(shí)驗(yàn)屬于體感型“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)，總體上體現(xiàn)了目的性、熟悉性、簡易性、參與性與關(guān)聯(lián)性的設(shè)計(jì)原則。

從“目的性原則”看，“熱的傳播”教學(xué)主題的教學(xué)目的不僅是認(rèn)知方面的，還要通過 “非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)情境的創(chuàng)設(shè)，使學(xué)生認(rèn)識到“熱的傳播”方式與日常生活和個人經(jīng)驗(yàn)的緊密聯(lián)系，在獲得知識意義的同時，得到情感、態(tài)度與價值觀的培育，受到創(chuàng)造性的熏陶。

實(shí)驗(yàn)所用到的細(xì)棉線、蠟燭、鐵絲、細(xì)木棍、小魚、酒精燈、易拉罐、白熾燈、溫度計(jì)、教科書、紙杯、白紙和黑紙等都是學(xué)生熟悉的東西，在日常生活中或?qū)嶒?yàn)室里容易找到，而且實(shí)驗(yàn)方案簡單，操作方便，實(shí)驗(yàn)器具的準(zhǔn)備不需要太多時間。這些實(shí)驗(yàn)器材中的大部分能長期保存，如圖1、圖5、圖6、圖8所示的實(shí)驗(yàn)器具，以后再用時可以縮短準(zhǔn)備的時間。所以，以上“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)方案總體上體現(xiàn)了“熟悉性原則”與“簡易性原則”。

圖2和圖9所示的實(shí)驗(yàn)方案是“體感”型“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)，教學(xué)中適合學(xué)生參與體驗(yàn)，不適合演示觀察。因此，實(shí)驗(yàn)涉及的材料、物品應(yīng)該在課前由教師或者讓學(xué)生準(zhǔn)備好，實(shí)現(xiàn)全體學(xué)生參與體驗(yàn)感受。其他幾個實(shí)驗(yàn)雖然沒有特別強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)、制備實(shí)驗(yàn)和參與實(shí)施的主體，也沒有明確實(shí)驗(yàn)實(shí)施的方式與場地，但由于它符合“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的“熟悉性原則”與“簡易性”原則，為體現(xiàn)“參與性原則”奠定了基礎(chǔ)。因此，教師可以按照自己對教學(xué)目標(biāo)的理解和對教學(xué)過程的整體設(shè)計(jì)，適當(dāng)安排由學(xué)生參與設(shè)計(jì)制作的以及由全體或多數(shù)學(xué)生參與體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織形式。例如，圖5和圖6所示的實(shí)驗(yàn)方案，如果在課前安排學(xué)生準(zhǔn)備好相關(guān)的材料與工具，那么就可以在課堂上組織學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場制作；如果是學(xué)生課前在家庭進(jìn)行制作，那么課堂上就可以現(xiàn)場組織學(xué)生對自制的實(shí)驗(yàn)作品進(jìn)行交流表演。這兩種方式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，都會大大增強(qiáng)學(xué)生參與學(xué)習(xí)活動的積極性，而且在制作和交流過程中，教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的相互作用與影響能得到充分體現(xiàn)，智慧、情感、態(tài)度與價值觀以及學(xué)生參與社會實(shí)踐的意識與能力會在互動過程中動態(tài)生成。

從“關(guān)聯(lián)性原則”角度看，上述9個實(shí)驗(yàn)方案關(guān)聯(lián)的內(nèi)容是比較廣泛的。在圖1所示實(shí)驗(yàn)中，關(guān)聯(lián)了對“蠟燭”液體的創(chuàng)造性利用，學(xué)生對蠟燭和細(xì)線是熟悉的，但“蠟線”的簡易置備以及巧妙利用，學(xué)生感覺耳目一新。有意義的是，“蠟線”的彎曲與“熱傳導(dǎo)”的快慢建立了聯(lián)系，熟悉的情境中產(chǎn)生了“新知”。在圖2所示的實(shí)驗(yàn)方案中，通過體驗(yàn)確認(rèn)金屬傳播比木頭等非金屬傳播速度快，關(guān)聯(lián)到廚房里的勺子等受熱廚具的手柄為什么是木質(zhì)的。圖3所示的實(shí)驗(yàn)方案關(guān)聯(lián)到生命體——小活魚，由對魚的生命的熱切關(guān)注而認(rèn)識了“水”是熱的不良導(dǎo)體。如圖4所示的實(shí)驗(yàn)方案是對一種化學(xué)藥品——高錳酸鉀液體顏色的利用，雖然不需要學(xué)生了解高錳酸鉀的化學(xué)性質(zhì)，但在學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)中存留了化學(xué)藥品在物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的事實(shí)：“紫紅色液體”自下而上、再自上而下的運(yùn)動使學(xué)生深刻記憶“對流現(xiàn)象”。圖5、圖6所示的實(shí)驗(yàn)方案中用了易拉罐，在了解氣體對流現(xiàn)象的同時，也對易拉罐材料的利用有了初步認(rèn)識。如圖7所示的實(shí)驗(yàn)方案也是在熟悉的情境中使學(xué)生產(chǎn)生 “新知”，了解了白熾燈沿直線傳播熱輻射，同時知道了太陽等熱源也產(chǎn)生熱輻射。而圖8和圖9所示的實(shí)驗(yàn)方案不僅與學(xué)生日常生活緊密關(guān)聯(lián)，而且與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)緊密聯(lián)系，黑白紙杯就好像把深淺兩種顏色的“外衣”分別“穿”在自制的液體溫度計(jì)上，加上膚覺的體驗(yàn)，會更加確信“吸收輻射熱的本領(lǐng)與物體表面的顏色有關(guān)，顏色越深，吸收輻射熱越多，顏色越淺，吸收熱就越少”的結(jié)論，由此聯(lián)系到穿衣服顏色與季節(jié)的關(guān)系，即冬天適合穿深顏色衣服，夏天則適合穿淺顏色衣服?？傊?，每個實(shí)驗(yàn)方案所關(guān)聯(lián)的內(nèi)容雖有不同，但總體上關(guān)聯(lián)了學(xué)生的日常生活經(jīng)驗(yàn)，最為重要的是關(guān)聯(lián)了學(xué)生的情感需要以及對意義的收獲，認(rèn)識到物理學(xué)知識與生活環(huán)境的廣泛聯(lián)系。