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摘要:综合实践活动是学科活动的一种,是学科核心素养形成的主要途径,科学探究是物理核心素养组成的一个重要方面.随着“制作医用冷藏盒”这一实践活动的推进,科学探究不断深入,在活动中提高了学生的科学素养和关键能力,也充实了课后延时服务的内容.
关键词:科学探究;综合实践活动;课后延时服务
1引言
综合实践活动在培养学生学科素养和关键能力中的作用以及用综合实践活动充实延时服务的内容.
初中物理核心素养和关键能力包括“科学观念”、“科学素养”、“科学探究”和“科学态度”等四个方面.学科活动是学科核心素养形成的主要途径,学科活动包括实践活动和认识活动两个方面,实践活动是认识活动的基础,实践活动决定认知活动的产生和发展,实践活动也是检验认识活动的标准.综合实践活动以学生的自主学习和探索学习为基础,从生活和社会中确定课题,通过亲身实践,强化科学观念,锻炼科学思维,培养科学探究能力,形成科学态度和责任感.综合实践活动的开展具有很强的开放性,其内容与学生的生活密切相关但又往往表现为没有现成的答案以及答案的不确定性,综合实践活动从一个话题开始但随着新活动的不断展开,新的问题、新的目标将会不断生成,学生的认知和体验不断深入,创造性的话题不断呈现,这就是综合实践活动的不断生成性.课后延时服务给了学生更多的参与综合实践活动的机会,让学生在活动中不断提升自身的科学素养和关键能力.苏科版初中物理教材中设置了9个综合实践活动,笔者以“制作医用冷藏盒”谈谈“指向科学探究的物理综合实践活动的开发和研究”.
2综合实践活动:制作一个医用冷藏盒
2.1该综合实践活动的背景
2.1.1为救治病人,急需将一种药品送到偏远的山村.这种药品要求在0℃以下存放.由于山高路远、气温较高,所以常用的保温瓶不能满足运输途中保持低温的要求,请利用常用器材设计出符合要求的“医用冷藏盒”.
2.1.2学生具备了一定的生活经验,掌握了一些降温的方法,了解了一些材料的物理属性,具备一定的科学探究能力.
该实践活动有现实意义,且学生有能力参与.
2.2该综合实践活动的推进过程
(1)问题分解,找出达成目标所要解决的问题;(2)寻找解决问题的思路和方法;
(3)实践操作,发现新的问题或者可以提升的空间;
(4)进一步优化和提升;
(5)向应用推进,使发明和发现能用于现实社会,或者提出向应用推进的优化建议.
2.2.1问题分解,找出达成目标所要解决的问题
制作一个符合要求的医用冷藏盒,需要解决的问题有:如何获得低温,如何保持低温.
2.2.2寻找解决问题的思路和方法
学生分成两小组,一组负责寻找获得低温的方法,一组负责解决如何保持低温.先看第一组学生的活动推进过程.甲同学提出:可以用冰块吸热获得低温,乙同学提出:冰块制冷可能较难获得0℃以下较低的温度,建议用干冰升华来获得低温.另外一组学生认为应该想办法隔热才能让保温瓶保持低温,于是他们分头寻找隔热性比较好的材料.
2.2.3实践操作,发现新的问题或者提升的空间
第一组的同学经过商量决定利用干冰升华来获得低温,干冰可以从酒店获得.将50g的干冰投入到盛有100g 25℃的水的保温瓶中,1分钟测得水温为4摄氏度,2分钟水完全结成冰,3分钟保温瓶内温度降到在零下10℃,4分钟保温瓶内温度仍然为10℃,停止测温.大家都很满意干冰获得低温的效果,集中讨论偏远山村获得干冰的方法,偏远山村即使有酒店也不一定有干冰,如何获得干冰成为同学们面临的又一个问题.就在这时保温瓶盖嘭一声飞了出去,吓了所有人一大跳.怎么回事?大家一商量就得出了结论:干冰升华变成二氧化碳气体增加了保温瓶内气体压强,二氧化碳气体将瓶塞推了出去发出了巨响.如何防止这种现象再次出现?这一实验引出了两个新的问题.第二小组的同学找到了泡沫、多孔海绵、棉絮等材料,分别将这三种材料塞满冷藏盒与保温瓶之间的空隙,将100g的冰块放入保温瓶,在保温瓶盖上钻个孔将温度计感温部件插入保温瓶中,盖好盖,60分钟后,读出温度计示数分别为2℃、6℃、8℃,120分钟后读得温度计示数分别为8℃、16℃、17℃,由此可见:隔热性能最好的是泡沫.但同学们发现随着时间的推移保温瓶内的温度越来越高,看来泡沫也不能隔绝热传递,那如何保持保温瓶内温度保持0℃以下且基本保持不变呢?
2.2.4进一步优化和提升
两组同学都遇到了不同的问题,第一小组的同学发现,干冰能够获得较为理想的低温,但带来两个问题,那用冰能不能达到干冰升华制冷的效果呢?同学们从冰箱冷藏室中拿出一块191g的零下18℃的冰袋放入保温瓶中,向保温瓶中注入200g 25.7℃的水(模拟放入的药品),盖好盖子,每隔5分钟读温度计的示数,读得的温度计的示数分别为14.1℃、11.7℃、9.1℃、8.3℃、7.5℃、7.0℃、6.4℃、5.8℃、5.7℃、5.8℃.由温度计示数可以看出,低温的冰没能将保温瓶内温度降到0℃以下.如果要得到更低的温度,冰的数量要更多.看来冰可以制冷,但要获得0℃以下的低温,冰的效果不算太好.大家经过商量觉得应该还是想办法用干冰升华来制冷.那怎么解决遇到的两个问题呢?大家感觉现有大家的经验和经历无法解决这个问题,困惑中,有同学提出可以上网搜索,经过搜索,大家还真获得了一种制取干冰的方法:用一个粗布袋套在装有二氧化碳的灭火器的喷口上按下阀门,大量的二氧化碳从喷嘴喷出,一阵大量的白雾喷出后,打开布袋就可以看到白色的干冰.大家试了一下果然获得了一些干冰.那如何解决一段时间后,由于二氧化碳气体的增多而使保温瓶内压强过大的问题呢?当然可以通过定时通气减压来防止压强太大,但这务必会降低冷却效果.另一小组的同学经过商量发现要保持温度基本不变,一方面可以尽可能选用隔热性能比较好的材料之外,还可以不断制冷.两组同学合并在一起共同商量“如何能够持续制冷”.干冰制冷又带来了一个新的问题“如何让干冰能够持续缓慢升华制冷”,干冰在常温下升华很快,很难做到缓慢升华.这时有同学提出:可不可以寻找到更好的制冷的方法.同学们查资料、咨询老师,功夫不负有心人,有同学从老师那边得到一种方法:用硝酸铵溶解于水可以获得低温.同学们进行了如下操作:向保温瓶中注入100g的水,然后向其中加入20g的颗粒状硝酸铵,5分钟后保温瓶内温度为2.2℃适当搅拌后温度降为1.1℃,但维持时间很短,原因可能是环境温度较高,再加入20g硝酸铵,稍加搅拌,温度计示数变为-0.8℃,再加入20g硝酸铵,稍加搅拌,温度计示数变为-2.0℃,再加入20g硝酸铵,稍加搅拌,温度计示数变为-4.2℃,再加入20g硝酸铵,稍加搅拌,温度计示数变为-5.4℃.实验获得成功,而且同学们还发现加入硝酸铵的多少会直接影响保温瓶内的温度,这样就可以通过改变硝酸铵量的多少来控制保温瓶内的温度.
2.2.5向应用推进,使发明和发现能用于现实社会,或者提出向应用推进的优化建议同学们利用常用的器材制作了一个简易冷藏盒(如图1、2),最外层为学生从家带过来的收纳盒,上为插入式温度计,内为泡沫,底部为双层泡沫.
实践过程1:
向盒中装250g、25℃的水,加入100g颗粒状硝酸铵,轻摇冷藏盒(模拟运输过程中的晃动同时也起到加快硝酸铵溶解于水),温度计示数变为20.2℃,继续加入100g硝酸铵,温度计示数变为16.1℃,继续加入100g硝酸铵,温度计示数最低降为10.3℃,继续加入100g硝酸铵,温度计示数降为8.6℃,继续加入100g硝酸铵,温度计示数为8.5℃,温度计示数变化不大,继续加入100g硝酸铵,温度计示数仍为8.5℃,温度计示数不再变化.为什么呢?打开盖子,大家发现水中仍然有大量的硝酸铵颗粒,请教老师后才知道,当硝酸铵溶液变成饱和溶液后硝酸铵将不再溶解于水中.同学们经过激烈的讨论和论证后,决定先用冰块来降温然后再用硝酸铵来降低温度和保持温度.实践过程2:
向盒中装250g、25℃水,加入200g的冰袋,10分钟后温度降为6.5℃,加入100g颗粒状硝酸铵,轻摇冷藏盒,温度计示数变为1.6℃,继续加入100g硝酸铵,温度计示数变为-3℃,继续加入100g硝酸铵,温度计示数最低降为-5.9℃,后来稳定在-4℃.该方法可行,可以适当增加硝酸铵的数量来延长保持-4℃的时间.
实践反思:冷藏盒内没有放入所需储存的药品,如果放入药品,实际效果可能会降低一些,可以通过调节冰块的数量和硝酸铵的数量来达到预期温度要求.水的数量要控制好,太少了,硝酸铵溶液易饱和,太多了容易溢出.该盒的密封性还要再做改进.继续优化:
同学们结合实践中发现的问题对原冷藏盒进行了改进,希望能达成更好的效果或者能推向社会.冷藏盒结构如图3:
①收纳盒②泡沫板③导热隔板④温度计⑤储存硝酸铵的盒子(下端有下开的阀门)⑥储水盒
使用方法:
将适量的水放入⑥,将冰块放入冷藏盒中间,将硝酸铵放入⑤,将药品放入冷藏盒中间位置,盖好盖子,根据温度计示数适时打开⑤的底部开关放入适量的硝酸铵.
总之,在今后的教学中可以结合学生的实际设计出更多的实践活动,如制作弹簧测力计、天平、体重计、弹力车、调光灯、密度计、新能源照明灯等等,丰富学生的课后延时服务时段的生活,在活动中提升学生的学科素养和关键能力.
参考文献:
[1]余文森.论学科核心素养的课程论意义[J].教育研究,2018,39(03):129-135.
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