指向科學(xué)思維培養(yǎng)的靜電創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

王妍琳

(深圳龍崗區(qū)坂田實(shí)驗(yàn)學(xué)校,廣東 深圳 518129)

靜電現(xiàn)象與生活聯(lián)系緊密,相關(guān)內(nèi)容貫穿小學(xué)科學(xué)、及初、高中物理課本,但相關(guān)內(nèi)容在科學(xué)教學(xué)過程中往往會出現(xiàn)以下不足:第一,往往是通過觀察摩擦氣球的實(shí)驗(yàn)得出“同種電荷相斥,異種電荷相吸”的結(jié)論,在教學(xué)實(shí)踐中,當(dāng)周圍環(huán)境比較潮濕時(shí),電荷很容易逃逸,容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失?。甗1]第二,靜電技術(shù)在生活中有諸多應(yīng)用,且如今科學(xué)教育強(qiáng)調(diào)與生活與技術(shù)的融合,但現(xiàn)有的課程或教材中呈現(xiàn)不多．第三,當(dāng)滲透生活中的靜電預(yù)防時(shí),往往通過“接地”的方式將聚集的電荷“送回大地”, 但學(xué)生難以想象這一微觀過程．第四,經(jīng)典的靜電實(shí)驗(yàn)往往是“良構(gòu)問題”,學(xué)生直接根據(jù)現(xiàn)象得出結(jié)論,能夠培養(yǎng)學(xué)生的歸納推理并構(gòu)建相應(yīng)的科學(xué)概念,但缺乏在真實(shí)情境中思考各種現(xiàn)實(shí)因素解決實(shí)際問題的思維培養(yǎng)．

針對以上不足之處,本文采用兒童玩具靜電棒以及輝光球持續(xù)提供靜電,設(shè)計(jì)3個(gè)游戲化的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),讓實(shí)驗(yàn)效果明顯,成功率更高,指向更深層次的思維培養(yǎng)．“飛舞的金屬箔片”讓學(xué)生在游戲中應(yīng)用科學(xué)概念生成科學(xué)解釋,并分析環(huán)境因素解決真實(shí)情境的問題;“靜電植絨項(xiàng)目”則通過STEAM項(xiàng)目學(xué)習(xí),讓學(xué)生將抽象思維與操作訓(xùn)練相結(jié)合,并在創(chuàng)作中充分理解科學(xué)、技術(shù)、社會的關(guān)系;“亮燈滅燈實(shí)驗(yàn)”,通過直觀新奇的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象輔助學(xué)習(xí),幫助學(xué)生構(gòu)建抽象的科學(xué)概念并為更深層次的科學(xué)概念學(xué)習(xí)做鋪墊．

1 飛舞的金屬箔片實(shí)驗(yàn)

“同種電荷相斥,異種電荷相吸”是從小學(xué)就要求掌握的規(guī)律,學(xué)生耳熟能詳,但在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生往往很難解釋清楚生活中的靜電現(xiàn)象,知識與真實(shí)情景是脫離的．在教學(xué)中,利用飛舞的金屬箔片實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)游戲情景,激發(fā)學(xué)生的探究興趣,即加深學(xué)生對科學(xué)概念的理解,又能發(fā)展學(xué)生的科學(xué)解釋能力．

操作步驟:把金屬箔片放在靜電魔法棒末端,打開開關(guān),手中的魔棒好像帶有魔力一樣讓箔片在空中像開花一樣瞬間張開,同時(shí)能使箔片在空中懸?。?yàn)槁╇姟⒖諝饬鲃雍椭亓Φ仍驎h動或降落,若某一根箔條再次接觸靜電魔法棒,箔條會快速向上彈跳,如跳舞一般．

實(shí)驗(yàn)原理:如圖1,靜電魔法棒內(nèi)部有一個(gè)小型范德格拉夫起電機(jī),打開電源開關(guān),會產(chǎn)生靜電荷．讓靜電魔法棒的尖端觸碰到金屬箔片,接觸起電,金屬箔片的6條絲帶由于帶相同電荷相互排斥所以會張開．又因?yàn)榻饘俨c靜電魔法棒尖端帶有相同電荷相互排斥,整個(gè)金屬箔片會懸浮在空中,像一個(gè)翩翩起舞的舞者,如圖2．

教學(xué)中思維培養(yǎng)過程如圖3,學(xué)生在習(xí)得“同種電荷相互排斥、異種電荷相互吸引”的科學(xué)概念后,教師可以先讓學(xué)生預(yù)測本實(shí)驗(yàn)可能會產(chǎn)生的現(xiàn)象并說出理由,發(fā)展學(xué)生的科學(xué)解釋能力,學(xué)生往往能夠預(yù)測金屬箔條會因帶相同電荷而相互排斥導(dǎo)致?lián)伍_成一個(gè)球狀．當(dāng)學(xué)生看到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,不僅金屬箔條會撐開成球狀,而且箔條與靜電棒也是帶同種電荷相互排斥而導(dǎo)致球形金屬箔懸浮在空中,學(xué)生便會繼續(xù)思考并找到原因．經(jīng)過一小段時(shí)間,還能觀察到金屬箔片往下掉,當(dāng)再次接觸到靜電魔法棒,又重新“彈”起來,學(xué)生又會進(jìn)一步思考“為什么金屬箔會往下掉”,“為什么接觸了靜電棒又會彈起來”等真實(shí)情境下的問題,學(xué)生能夠拓展思維關(guān)注到各種環(huán)境因素,深層次的思維逐步生成．本實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生在游戲的過程中,思考相關(guān)科學(xué)問題,探索背后的原理,在游戲中激發(fā)科學(xué)思考．

圖1 靜電魔法棒玩具

圖2 飛舞的金屬箔片

圖3 飛舞的金屬箔片實(shí)驗(yàn)思維培養(yǎng)過程

2 靜電植絨STEAM項(xiàng)目

靜電在生活中有諸多的應(yīng)用,能滲透STS理念,本文利用靜電魔法棒開發(fā)了簡易的“靜電植絨STEAM實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”,既能讓學(xué)生明確觀察到“異種電荷相吸”的現(xiàn)象,同時(shí)讓學(xué)生了解生活中靜電技術(shù)的應(yīng)用,體會科學(xué)、技術(shù)與社會之間的密切聯(lián)系．本實(shí)驗(yàn)可用作教師課堂演示操作,或?qū)W生分組實(shí)驗(yàn),也可用作STEAM教育素材——學(xué)生自己設(shè)計(jì)并完成靜電植絨作品．

操作步驟:如圖4,在飯盒底部錫箔紙上均勻撒上細(xì)絨毛,在白紙上用雙面膠粘出圖案,將有圖案的一面朝向絨毛放在飯盒上(如圖5),并蓋上釘有錫箔紙的飯盒蓋．飯盒底部錫箔紙通過鱷魚夾導(dǎo)線連接起電棒一端,飯盒蓋錫箔紙通過鱷魚夾導(dǎo)線連接起電棒另一端,打開靜電魔法棒開關(guān)即可進(jìn)行靜電植絨,便可以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果(如圖6)．如想進(jìn)行多種顏色植絨,可以在植完一種顏色絨毛后,再用不同顏色絨毛重復(fù)上述步驟,實(shí)驗(yàn)效果如圖7所示．

實(shí)驗(yàn)原理:利用異種電荷相互吸引的原理．通過靜電棒使絨毛帶上負(fù)電荷,把需要植絨的物體放在連接靜電棒正電位,絨毛受到吸引,呈垂直狀加速飛升到需要植絨的物體表面上,由于被植物體粘有特定圖案的雙面膠,絨毛就被垂直粘在被植物體上形成植絨圖案．如果飯盒底部和飯盒蓋的錫箔紙都接同一種電荷,則無法植絨,說明異種電荷相互吸引．

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖5 實(shí)驗(yàn)過程圖

圖6 單色植絨效果圖

圖7 雙色植絨效果圖

教學(xué)中思維培養(yǎng)過程如圖8,教師引導(dǎo)學(xué)生了解生活中靜電技術(shù)的應(yīng)用,例如毛茸茸的娃娃在生活中隨處可見,通過“靜電植絨”STEAM項(xiàng)目模擬生活中的靜電植絨技術(shù),讓學(xué)生經(jīng)歷將科學(xué)知識應(yīng)用到產(chǎn)品的過程,充分發(fā)揮想象,在實(shí)踐中體會科學(xué)、技術(shù)與社會之間的關(guān)系,感受科學(xué)技術(shù)的價(jià)值．教師可先出示模擬靜電植絨的簡易裝置,讓學(xué)生觀察并思考本裝置的工作原理,學(xué)生通過觀察發(fā)現(xiàn)是利用“異種電荷相互吸引”的原理,后續(xù)根據(jù)原理自行通過簡易材料——錫箔紙、一次性飯盒、訂書機(jī)、導(dǎo)線等設(shè)計(jì)并制作裝置,并設(shè)計(jì)出植絨圖案,經(jīng)歷利用科學(xué)技術(shù)創(chuàng)作作品的過程,學(xué)生在這個(gè)過程中需要將抽象思維與動作思維相結(jié)合,同時(shí)進(jìn)行想象與創(chuàng)作．

圖8 靜電植絨STEAM項(xiàng)目思維培養(yǎng)過程

3 亮燈滅燈實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用輝光球提供高壓靜電．文獻(xiàn)[3]采用輝光球加氖管進(jìn)行實(shí)驗(yàn),輝光球能持續(xù)提供靜電,不用擔(dān)心漏電．[2]本文采用綠色熒光燈以及輝光球進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置美觀,效果明顯．

操作步驟:將輝光球用金屬籠子罩起來,上面放著熒光燈,打開輝光球,熒光燈也跟著被點(diǎn)亮了．若將金屬籠子套在熒光燈上,熒光燈不亮．若將手觸碰熒光燈,觸碰位置下方熒光燈是亮的,觸碰位置上方熒光燈是不亮的,如圖11．若將手觸碰金屬籠子,則整個(gè)熒光燈熄滅．

圖9 輝光球點(diǎn)亮熒光燈

實(shí)驗(yàn)原理:熒光燈發(fā)光原理是高壓靜電使熒光燈內(nèi)的汞原子核外電子不斷從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài),再自發(fā)從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)的過程中放出紫外線,紫外線照射熒光燈管壁上的熒光粉并使其發(fā)光．圖9中,金屬籠子處于靜電平衡狀態(tài),但金屬籠子外側(cè)依舊帶有靜電荷,高壓靜電能點(diǎn)亮熒光燈．圖10中用手接觸熒光燈,相當(dāng)于接地了,在接觸點(diǎn)下方存在靜電荷,熒光燈是亮的,接觸點(diǎn)上方通過人體接地,則熒光燈不亮．圖11中,用手觸碰金屬籠子,金屬籠子外表面通過人體接地,外界沒有靜電場,熒光燈不亮．

圖10 手觸碰熒光燈

圖11 手觸碰金屬籠子

教學(xué)中思維培養(yǎng)過程如圖12,首先采用輝光球點(diǎn)亮熒光燈的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,沒接通電源就能夠讓燈管亮起來,與學(xué)生的認(rèn)知相沖突,充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．未學(xué)習(xí)高中選修3-5原子躍遷知識的中學(xué)生只需要了解金屬籠子高壓靜電的存在可以激發(fā)熒光燈亮起來即可．人體觸碰(接地)的實(shí)驗(yàn)(如圖10),出乎學(xué)生的意料,提出問題“為什么以手為分界線熒光管的上方不亮了”,隨后在熒光管上移動手的位置,會發(fā)現(xiàn)熒光管亮滅的長度隨手位置的改變而改變．引導(dǎo)學(xué)生思考“手起到什么作用”,學(xué)生從以上兩個(gè)問題的思考過程中能夠更容易理解“接地”的內(nèi)涵并可以想象出靜電荷通過人體流回大地．最后,用手接觸籠子,讓學(xué)生推測會發(fā)生什么現(xiàn)象并作出解釋,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)整個(gè)熒光燈滅了,進(jìn)一步鞏固“接地”的概念,對于已經(jīng)學(xué)習(xí)物理3-1的學(xué)生還可以進(jìn)一步深入分析“靜電屏蔽”的原理．

圖12 亮燈滅燈實(shí)驗(yàn)思維培養(yǎng)過程

4 小結(jié)

實(shí)驗(yàn)是科學(xué)學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié),是培養(yǎng)學(xué)生思維的重要依托．本文通過3個(gè)成功率高、操作性強(qiáng)且現(xiàn)象新奇的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例,指向?qū)嶒?yàn)教學(xué)過程中的科學(xué)思維培養(yǎng)．