指向科學探究的物理綜合實踐活動的研究

張海軍

摘要：綜合實踐活動是學科活動的一種，是學科核心素養(yǎng)形成的主要途徑，科學探究是物理核心素養(yǎng)組成的一個重要方面.隨著“制作醫(yī)用冷藏盒”這一實踐活動的推進，科學探究不斷深入，在活動中提高了學生的科學素養(yǎng)和關(guān)鍵能力，也充實了課后延時服務的內(nèi)容.

關(guān)鍵詞：科學探究;綜合實踐活動;課后延時服務

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2022）26-0101-03

1引言

綜合實踐活動在培養(yǎng)學生學科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力中的作用以及用綜合實踐活動充實延時服務的內(nèi)容.

初中物理核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力包括“科學觀念”、“科學素養(yǎng)”、“科學探究”和“科學態(tài)度”等四個方面.學科活動是學科核心素養(yǎng)形成的主要途徑，學科活動包括實踐活動和認識活動兩個方面，實踐活動是認識活動的基礎(chǔ)，實踐活動決定認知活動的產(chǎn)生和發(fā)展，實踐活動也是檢驗認識活動的標準.綜合實踐活動以學生的自主學習和探索學習為基礎(chǔ)，從生活和社會中確定課題，通過親身實踐，強化科學觀念，鍛煉科學思維，培養(yǎng)科學探究能力，形成科學態(tài)度和責任感.綜合實踐活動的開展具有很強的開放性，其內(nèi)容與學生的生活密切相關(guān)但又往往表現(xiàn)為沒有現(xiàn)成的答案以及答案的不確定性，綜合實踐活動從一個話題開始但隨著新活動的不斷展開，新的問題、新的目標將會不斷生成，學生的認知和體驗不斷深入，創(chuàng)造性的話題不斷呈現(xiàn)，這就是綜合實踐活動的不斷生成性.課后延時服務給了學生更多的參與綜合實踐活動的機會，讓學生在活動中不斷提升自身的科學素養(yǎng)和關(guān)鍵能力.蘇科版初中物理教材中設置了9個綜合實踐活動，筆者以“制作醫(yī)用冷藏盒”談談“指向科學探究的物理綜合實踐活動的開發(fā)和研究”.

2綜合實踐活動：制作一個醫(yī)用冷藏盒

2.1該綜合實踐活動的背景

2.1.1為救治病人，急需將一種藥品送到偏遠的山村.這種藥品要求在0℃以下存放.由于山高路遠、氣溫較高，所以常用的保溫瓶不能滿足運輸途中保持低溫的要求，請利用常用器材設計出符合要求的“醫(yī)用冷藏盒”.

2.1.2學生具備了一定的生活經(jīng)驗，掌握了一些降溫的方法，了解了一些材料的物理屬性，具備一定的科學探究能力.

該實踐活動有現(xiàn)實意義，且學生有能力參與.

2.2該綜合實踐活動的推進過程

（1）問題分解，找出達成目標所要解決的問題;

（2）尋找解決問題的思路和方法;

（3）實踐操作，發(fā)現(xiàn)新的問題或者可以提升的空間;

（4）進一步優(yōu)化和提升;

（5）向應用推進，使發(fā)明和發(fā)現(xiàn)能用于現(xiàn)實社會，或者提出向應用推進的優(yōu)化建議.

2.2.1問題分解，找出達成目標所要解決的問題

制作一個符合要求的醫(yī)用冷藏盒，需要解決的問題有：如何獲得低溫，如何保持低溫.

2.2.2尋找解決問題的思路和方法

學生分成兩小組，一組負責尋找獲得低溫的方法，一組負責解決如何保持低溫.先看第一組學生的活動推進過程.甲同學提出：可以用冰塊吸熱獲得低溫，乙同學提出：冰塊制冷可能較難獲得0℃以下較低的溫度，建議用干冰升華來獲得低溫.另外一組學生認為應該想辦法隔熱才能讓保溫瓶保持低溫，于是他們分頭尋找隔熱性比較好的材料.

2.2.3實踐操作，發(fā)現(xiàn)新的問題或者提升的空間

第一組的同學經(jīng)過商量決定利用干冰升華來獲得低溫，干冰可以從酒店獲得.將50g的干冰投入到盛有100g25℃的水的保溫瓶中，1分鐘測得水溫為4攝氏度，2分鐘水完全結(jié)成冰，3分鐘保溫瓶內(nèi)溫度降到在零下10℃，4分鐘保溫瓶內(nèi)溫度仍然為10℃，停止測溫.大家都很滿意干冰獲得低溫的效果，集中討論偏遠山村獲得干冰的方法，偏遠山村即使有酒店也不一定有干冰，如何獲得干冰成為同學們面臨的又一個問題.就在這時保溫瓶蓋嘭一聲飛了出去，嚇了所有人一大跳.怎么回事？大家一商量就得出了結(jié)論：干冰升華變成二氧化碳氣體增加了保溫瓶內(nèi)氣體壓強，二氧化碳氣體將瓶塞推了出去發(fā)出了巨響.如何防止這種現(xiàn)象再次出現(xiàn)？這一實驗引出了兩個新的問題.第二小組的同學找到了泡沫、多孔海綿、棉絮等材料，分別將這三種材料塞滿冷藏盒與保溫瓶之間的空隙，將100g的冰塊放入保溫瓶，在保溫瓶蓋上鉆個孔將溫度計感溫部件插入保溫瓶中，蓋好蓋，60分鐘后，讀出溫度計示數(shù)分別為2℃、6℃、8℃，120分鐘后讀得溫度計示數(shù)分別為8℃、16℃、17℃，由此可見：隔熱性能最好的是泡沫.但同學們發(fā)現(xiàn)隨著時間的推移保溫瓶內(nèi)的溫度越來越高，看來泡沫也不能隔絕熱傳遞，那如何保持保溫瓶內(nèi)溫度保持0℃以下且基本保持不變呢？

2.2.4進一步優(yōu)化和提升

兩組同學都遇到了不同的問題，第一小組的同學發(fā)現(xiàn)，干冰能夠獲得較為理想的低溫，但帶來兩個問題，那用冰能不能達到干冰升華制冷的效果呢？同學們從冰箱冷藏室中拿出一塊191g的零下18℃的冰袋放入保溫瓶中，向保溫瓶中注入200g25.7℃的水（模擬放入的藥品），蓋好蓋子，每隔5分鐘讀溫度計的示數(shù)，讀得的溫度計的示數(shù)分別為14.1℃、11.7℃、9.1℃、8.3℃、7.5℃、7.0℃、6.4℃、5.8℃、5.7℃、5.8℃.由溫度計示數(shù)可以看出，低溫的冰沒能將保溫瓶內(nèi)溫度降到0℃以下.如果要得到更低的溫度，冰的數(shù)量要更多.看來冰可以制冷，但要獲得0℃以下的低溫，冰的效果不算太好.大家經(jīng)過商量覺得應該還是想辦法用干冰升華來制冷.那怎么解決遇到的兩個問題呢？大家感覺現(xiàn)有大家的經(jīng)驗和經(jīng)歷無法解決這個問題，困惑中，有同學提出可以上網(wǎng)搜索，經(jīng)過搜索，大家還真獲得了一種制取干冰的方法：用一個粗布袋套在裝有二氧化碳的滅火器的噴口上按下閥門，大量的二氧化碳從噴嘴噴出，一陣大量的白霧噴出后，打開布袋就可以看到白色的干冰.大家試了一下果然獲得了一些干冰.那如何解決一段時間后，由于二氧化碳氣體的增多而使保溫瓶內(nèi)壓強過大的問題呢？當然可以通過定時通氣減壓來防止壓強太大，但這務必會降低冷卻效果.另一小組的同學經(jīng)過商量發(fā)現(xiàn)要保持溫度基本不變，一方面可以盡可能選用隔熱性能比較好的材料之外，還可以不斷制冷.兩組同學合并在一起共同商量“如何能夠持續(xù)制冷”.干冰制冷又帶來了一個新的問題“如何讓干冰能夠持續(xù)緩慢升華制冷”，干冰在常溫下升華很快，很難做到緩慢升華.這時有同學提出：可不可以尋找到更好的制冷的方法.同學們查資料、咨詢老師，功夫不負有心人，有同學從老師那邊得到一種方法：用硝酸銨溶解于水可以獲得低溫.同學們進行了如下操作：向保溫瓶中注入100g的水，然后向其中加入20g的顆粒狀硝酸銨，5分鐘后保溫瓶內(nèi)溫度為2.2℃適當攪拌后溫度降為1.1℃，但維持時間很短，原因可能是環(huán)境溫度較高，再加入20g硝酸銨，稍加攪拌，溫度計示數(shù)變?yōu)?0.8℃，再加入20g硝酸銨，稍加攪拌，溫度計示數(shù)變?yōu)?2.0℃，再加入20g硝酸銨，稍加攪拌，溫度計示數(shù)變?yōu)?4.2℃，再加入20g硝酸銨，稍加攪拌，溫度計示數(shù)變?yōu)?5.4℃.實驗獲得成功，而且同學們還發(fā)現(xiàn)加入硝酸銨的多少會直接影響保溫瓶內(nèi)的溫度，這樣就可以通過改變硝酸銨量的多少來控制保溫瓶內(nèi)的溫度.

2.2.5向應用推進，使發(fā)明和發(fā)現(xiàn)能用于現(xiàn)實社會，或者提出向應用推進的優(yōu)化建議同學們利用常用的器材制作了一個簡易冷藏盒（如圖1、2），最外層為學生從家?guī)н^來的收納盒，上為插入式溫度計，內(nèi)為泡沫，底部為雙層泡沫.

實踐過程1：

向盒中裝250g、25℃的水，加入100g顆粒狀硝酸銨，輕搖冷藏盒（模擬運輸過程中的晃動同時也起到加快硝酸銨溶解于水），溫度計示數(shù)變?yōu)?0.2℃，繼續(xù)加入100g硝酸銨，溫度計示數(shù)變?yōu)?6.1℃，繼續(xù)加入100g硝酸銨，溫度計示數(shù)最低降為10.3℃，繼續(xù)加入100g硝酸銨，溫度計示數(shù)降為8.6℃，繼續(xù)加入100g硝酸銨，溫度計示數(shù)為8.5℃，溫度計示數(shù)變化不大，繼續(xù)加入100g硝酸銨，溫度計示數(shù)仍為8.5℃，溫度計示數(shù)不再變化.為什么呢？打開蓋子，大家發(fā)現(xiàn)水中仍然有大量的硝酸銨顆粒，請教老師后才知道，當硝酸銨溶液變成飽和溶液后硝酸銨將不再溶解于水中.同學們經(jīng)過激烈的討論和論證后，決定先用冰塊來降溫然后再用硝酸銨來降低溫度和保持溫度.

實踐過程2：

向盒中裝250g、25℃水，加入200g的冰袋，10分鐘后溫度降為6.5℃，加入100g顆粒狀硝酸銨，輕搖冷藏盒，溫度計示數(shù)變?yōu)?.6℃，繼續(xù)加入100g硝酸銨，溫度計示數(shù)變?yōu)?3℃，繼續(xù)加入100g硝酸銨，溫度計示數(shù)最低降為-5.9℃，后來穩(wěn)定在-4℃.

該方法可行，可以適當增加硝酸銨的數(shù)量來延長保持-4℃的時間.

實踐反思：冷藏盒內(nèi)沒有放入所需儲存的藥品，如果放入藥品，實際效果可能會降低一些，可以通過調(diào)節(jié)冰塊的數(shù)量和硝酸銨的數(shù)量來達到預期溫度要求.水的數(shù)量要控制好，太少了，硝酸銨溶液易飽和，太多了容易溢出.該盒的密封性還要再做改進.

繼續(xù)優(yōu)化：

同學們結(jié)合實踐中發(fā)現(xiàn)的問題對原冷藏盒進行了改進，希望能達成更好的效果或者能推向社會.

冷藏盒結(jié)構(gòu)如圖3：

①收納盒②泡沫板③導熱隔板④溫度計⑤儲存硝酸銨的盒子（下端有下開的閥門）⑥儲水盒

使用方法：

將適量的水放入⑥，將冰塊放入冷藏盒中間，將硝酸銨放入⑤，將藥品放入冷藏盒中間位置，蓋好蓋子，根據(jù)溫度計示數(shù)適時打開⑤的底部開關(guān)放入適量的硝酸銨.

總之，在今后的教學中可以結(jié)合學生的實際設計出更多的實踐活動，如制作彈簧測力計、天平、體重計、彈力車、調(diào)光燈、密度計、新能源照明燈等等，豐富學生的課后延時服務時段的生活，在活動中提升學生的學科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力.

參考文獻：

[1]余文森.論學科核心素養(yǎng)的課程論意義[J].教育研究，2018，39（03）：129-135.

[責任編輯：李璟]