• 吸管与气压——利用日常用品解释空气压力

    普通
    • 吸管与气压——利用日常用品解释空气压力

       2个世纪前,科学家伯努利、查尔斯、玻意耳调查过速度、温度、体积和气压之间的关系。在《新一代科学教育标准》的附录H中特别主张以科学家案例研究的形式,使用科学史上的一些实例,这样有助于促进学生对于科学运作方式的理解。为了帮助我的学生认识到科学是人类努力的结果,我创作了这些杰出人物的传记。

    为了帮助我的7年级学生更好地理解伯努利、查尔斯和玻意耳等人的发现,我根据液体的规律,设计了由4个迷你学习周期组成的学习单元。学生的目标是发掘出影响气压的条件因素。学习周期1、2和3中的小组活动范例如下:为了对伯努利“气体或液体速度的增加会导致气压降低”的原理进行观察,学生将2本书相距4cm整齐摆放,拿1张纸盖住2本书之间的空隙,从开口处吹气,学生会看见纸张陷进了空隙中。

    为了检验玻意耳所阐释的气压与气体体积之间关系的规律,学生往分别连接着1个泥封瓶和1个开口瓶的漏斗中倒入水,然后他们注意到水仍然留在密封瓶的漏斗中。教师将1只泄了气的气球塞入锥形瓶中,将气球的径口展开套在瓶口上,然后将锥形瓶分别放入装有热水和冷水的烧杯中,为观察查尔斯“气体的体积随温度的升高而增加”的规律,学生观察到气球分别膨胀和收缩了。

    学生完成上述周期后,随着基础性工作的完成,可以结束上一单元的学习而开展新的吸管迷你学习周期了。我的7年级学生通过调查他们亲身经历过的事情——使用吸管喝饮料——来应用他们新构建的知识。他们的目标是解释吸管的工作原理。在对吸管迷你学习周期中的步骤——第1部分、第2部分和第3部分(见图1)进行演示后,我将探索的工作移交给我的学生,而自己充当引导者的角色。

    出于卫生方面的原因,学生拿到的都是他们自己的塑料杯和透明吸管,还应戴上化学防溅护目镜。学生向他们的塑料杯中倒入半杯水。随着4名学生分成1组坐于他们桌前,我将食用色素加入水中以便更容易观察到水位。

    “吸管”第1部分。在餐厅等候上菜的时候,学生做着他们都做过的事情:将吸管放入杯中,用手指堵住吸管顶端的开口处,再将吸管从杯中移走。学生对于他们所观察到的现象并不兴奋或惊奇。不出所料,水仍然留在了吸管中。他们在科学笔记本上记录下他们所观察到的现象。

    他们的挑战是解释水为何会留在吸管里面,并且绘制出模型图来说明他们的想法。在他们的小组中,学生讨论他们观察到的现象可能的产生原因。所有的解释都会被考虑在内,通常几分钟后便会达成共识。我们通过要求让小组成员对他们推论的过程进行比较,从而鼓励将对话和讨论作为每项活动中的一个程序步骤。我也会使用预期备忘录记录下各小组参与活动的情况。

    没有进行任何班级讨论,各小组继续参与到“吸管”第2部分的活动中。他们在距离吸管一端2cm的位置戳1个洞,将吸管放入水中,同时要保持洞口在水位线以上。学生用他们的手指堵住吸管顶端的开口,再将吸管从水中移开。此时,他们观察到吸管中几乎没有水。观察到的现象被记录下来后,各小组开始讨论针对这种现象可能的解释。与之前的情况类似,活动步骤是简单的,但是解释却具有挑战性。学生要考虑是何种原因导致了水在吸管中不同的动态特征。

    在“吸管”第3部分中,各小组把他们的吸管的位置上下颠倒并将吸管放入水杯中,同时保持第2部分戳出的洞置于水位线以下。然后学生再次将手指堵住吸管开口处并将吸管从水中移开。这一次水留在了吸管中。学生再一次在他们的笔记本上记录下所观察到的现象,作出推断,并画出模型图来解释水的动态特征。课堂结束时吸管和水杯都要丢弃,下一堂课将会提供新的实验用品(见图表1)。学生比较他们所观察的现象,并在发现阶段讨论在这些活动中产生种种现象的可能原因。

    在接下来的课堂时间里,我召集学生一起分享在探索阶段所收集到的观察结果、模型及解释说明。每名小组成员选择1张面朝下放置在他们桌上的编号索引卡,这样小组角色可以随机进行分配。今天编号1是报告人,需要向全班同学汇报小组的调查结果。所有的解释先不进行评判,而是记录在白板上以供思考,讨论便随之进行。

    依据他们从吸管得到的调查结果,第1部分,各小组解释说,他们的手指按在吸管的顶端可以阻隔空气的进入。他们推断或许是吸管下端气压的不同使得水固定在了吸管里面。基于第2部分的结果,各小组推断出当洞口位于水位线上方时,空气可以通过洞口进入吸管,同时水也就会从吸管中掉落出来。学生得出结论:当空气得以进入吸管时,吸管中的气压与室内气压没有任何区别。此时室内的气压不足以将水固定在吸管中。第3部分,洞口位于水平面以下,在经历了集体的思考之后,学生作出的解释是:由于水和手指的双重阻塞,空气不能进入到吸管中,因此水留在了吸管中。此时室内的气压就可以支撑水留在吸管中了。他们认识到这种模式存在于所有的3部分活动中。

    对于水的动态特征,大家一致认可的、比较合理的解释便是:当空气被阻隔而不能进入吸管时,受困在吸管中的空气量非常少,因此外面的气压更大,从而可以支撑住水留在吸管中。当空气可以自由地在吸管内外流动时,就不存在气压差,因此室内的空气就不能够支撑住吸管中的水柱。学生意识到在所有的3部分活动中,气压都起着作用。在调查伯努利、玻意耳和查尔斯等人的发现时,1根简易的吸管现在也被列入到日常工具清单,以及班级编选的发现当中。这个清单中的所有发现都是源于空气的压力。

    当学生开始最后阶段的小组活动时,我再次充当了引导人的角色(见图表2)。为了开展后续的探索活动,我的首要目的便是进一步加深学生对吸管工作原理的理解。现在我非常兴奋,期望诸如将水“吸”或“抽”进吸管这样常规的描述能够被正确的解释说明所取代。出于卫生方面的原因,所有学生都是用自己的专用塑料杯盛水并使用自己的吸管来饮水,很明显水爬上了吸管。

    接下来,他们在距离吸管其中一端2cm的地方戳1个洞,将其放入杯中,并使洞口位于水位线上方。预测一下结果,吸一小口水来验证他们的预测。各小组都发现习惯不能正常使用了,需要深吸一大口气才能勉强将水引入吸管。一些学生一直不断地尝试直到最终放弃。记录或推导出对这种现象的解释。现在开始,学生将吸管放入水中,并使水能够淹没洞口,预测——吸一小口水——证明他们的预测。吸管竟然可以正常使用了!为什么?该是时候来解释并阐明原理了。

    学生完成这些活动之后,我将课堂引导至讨论环节。学生解释说,当吸管上的洞口在水位线以上时,空气可以自由地在吸管内流进和流出,这样就难以喝到水。他们也认识到吸管内外的空气压力没有任何的不同。学生也提出当洞口位于水位线下方时,空气就不能进入到吸管,因为水和他们的嘴起到了塞子的作用。这样也会导致吸管内部几乎没有空气。

    重要的时刻来了:1根小小吸管的工作原理是什么?我的学生明白是气压在压迫某种东西,但又是什么东西呢?只有当学生就“吸管是因为室内气压高于吸管内气压才起作用”这一规律达成一致意见时,才能有所收获。压力推动塑料杯表面的水,迫使其进入吸管。水不是被“吸引”进入吸管的,而是被“推动”进入吸管的。学生一边描述这个现象,我一边尽力在白板上画出草图,使用箭头来说明他们的解释。我能看到学生脸上露出满意的表情。他们真的懂了!

    有时,我会在探索阶段加入第4部分活动。在这个活动中,学生在平面上放1小张正方形纸片,将吸管靠近纸张并吸气。纸张“粘”在了吸管上并且能够脱离平面。显然,此现象的解释与吸管一样:即第1部分和第3部分。这项活动也可以作为一项独立的评估来检验学生融会贯通的能力。在实验报告中附上带注解、结论的插图便是一种形式。

    影子游戏——结合影子学习有关季节的知识

    在阳光明媚的日子里,学生可到户外直接观察自己的影子。如果能引导学生在一天中任何时候都不会有建筑物或大型植物投影的地点进行活动,效果会最好。学生必须一直呆在指定区域,并告知学生不要直接观测太阳。

    学生两人一组,选择一个观测地点,用粉笔沿着他们的脚画一个圆圈,并在圆圈内写上他们的名字,这样他们就可以在当天晚些时候找到同样的位置。在圆圈的周围标明基本方向(北、南、东和西)。学生在上午10点、中午12点和下午2点轮流用粉笔画下他们的影子,并随着时间的推移用x表示太阳的方向。

    在学生的日记里,他们需要画下他们观察到的影子,并在影子中标明,随着太阳这个光源方向的变化,当天3个时刻观察的影子分别指向哪个方向。学生收集完数据后,我们向他们提一些有价值的问题,以帮助他们发现所收集的数据中存在的规律。有价值的问题是指那些学生通过自己的观察和相关的数据能够回答的问题。

    第二天,需要进行一个内容相似但更为抽象一点的活动。给两人一组的学生发放一盎司(约28克)橡皮泥、1支铅笔、1张大白纸和1个手电筒。将铅笔垂直地插入橡皮泥,并放置在白纸的中央。与此同时,将桌面想象成地球的表面或地平线,手持手电筒以一定的角度照射铅笔。记录上午6点(在桌面的水平位置上)、上午9点、中午12点(在铅笔的正上方)、下午3点和下午6点(在桌面的水平位置上)在大白纸上投射产生的影子。我们再次用以下的问题结束该活动。

    鼓励学生将他们的分析用文字写下来。接下来,学生将上述活动中收集的数据与他们在户外观察的影子的数据进行比较。为了让学生的分析更集中,我们提出以下问题。我们为学生的观察活动引入“方位角”和“高度”这两个术语,作为概念标注。以观察者的视角作为顶点,学生可以定性地观测太阳和地平线上某点之间的夹角,并且可以依据天空中太阳相对地平线的高度来描述该夹角。

    这里实际估测的是高度,在接下来的课程中,学生将使用星图软件进行测量,并记录测量结果。此时,他们就可以定性地描述太阳相对地平线的高度(中午太阳距地面最高,与地面的夹角也最大,与中午相比,早上和晚上太阳更接近地平线,且夹角更小)。根据学生的年龄和能力,他们可以通过将一个拳头放在水平面上,另一个拳头放在光源(手电筒)处来估算太阳高度角。一位学生可观察由第一位学生的胳膊形成的角度,并估算该角度(大约15°,大于15°但小于45°,大于45°但小于90°)。

    我们让学生审视他们的数据,分析影子的长度与太阳高度角之间的关系(角度越小,影子越长;角度越大,影子越短)。接着,我们让学生推断如何将以上的分析结果与现实生活中日出、日落和中午时的影子相对应。学生可以通过制作日晷来应用他们所学到的知识,他们可以每天收集数据然后对一个星期或一个月内收集到的数据进行比较。可参考“网络资源”中提供的关于制作和使用日晷的说明。

    优秀的学生可能会拓展自己的知识面,并将学到的知识与他们对影子的观察结合到一起。参考“网络资源”中提供的教案,关于如何利用学生的观察,并对所熟悉物体的高度和影子进行测量。然后他们会运用这些知识进行间接测量,以计算更高的物体如树和旗杆的高度。

    我们使用星图软件程序“星光灿烂”来探究太阳的季节性变化。学生通过软件可以访问某年某日某时的天空数据,与进行实时的自然观测相比,这种获得数据的方式更加高效地利用了课堂时间。学生可以轻松地获取与某个特定问题相关的数据,在图表中记录数据,然后分析数据,寻找规律。要想获取数据,学生需要打开软件程序,从工具栏中选择特定的日期和想要调查的地理位置。然后双击太阳,会出现一个弹出框,弹出框中显示日出、日落和太阳经过的时间,还能显示在特定的日期、时间和地点,太阳的高度和方位角信息。

    学生使用“星光灿烂”软件可以获得每个季节太阳划过天空的明显轨迹的数据(同样的数据也可以从天文数据表上获得,参见“网络资源”)。给每位学生发放一张太阳观测数据记录单。让他们查阅以下每个日期太阳的高度、方位角和轨迹,以及白天的总日照时间:春分、夏至、秋分、冬至,并在一张放大的班级记录表上记录数据。

    接着,学生根据班级记录表中的数据绘制图表。通过操作软件,他们额外添加了一天中好几个时刻的数据:上午8点、上午10点、中午12点、下午2点和下午4点。用y轴表示不同时刻记录的太阳高度,x轴表示不同时刻太阳的方位角。学生用不同颜色的彩笔在图表上标出数据,这样便于比较不同季节的数据。

    对于高年级学生或优秀学生而言,教师也可以介绍地球仪8字曲线,以及如何用它计算任何地点正午的确切时间(见“网络资源”)。将记录太阳轨迹的记录单放大到海报大小,这样学生就容易标注数据并进行全班讨论。由此产生的图形表明,随着季节更替太阳的轨迹有明显的不同。夏至太阳的轨迹比冬至高得多,春分和秋分太阳的轨迹相同。

    为了便于数据分析,向学生提出以下有价值的问题。起初,学生对太阳的不同运行轨迹感到惊讶。他们并没有预测到从一个季节到下一个季节太阳数据会有什么不同。当发现秋天和春天太阳的运行轨迹相同时,他们感到更加惊讶。在讨论的过程中,引入术语“夏至/冬至”和“春分/秋分”来命名记录单上呈现的各个时间段。

    为了积累探究经验,学生可以在线共享他们的数据,这可以作为“太阳影子项目”中的一部分(参见“网络资源”),或者他们可以直接从系统中访问影子数据,并对不同地理位置的影子数据进行比较。他们也可以对影子在一年四季中的变化进行持续一学年的记录。他们可以通过每个月在操场上观察自己的影子,并不断重温并扩大对现实世界的观察。利用数字表格记录数据将有助于对各个月的数据进行比较。

    案例来源:《国外优秀STEM教育案例集》      出版单位:《中国科技教育》杂志社

     

    • 标签:
    • 吸管
    • 气压
    • STEM
  • 加入的知识群:
    学习元评论 (0条)

    评论为空
    聪明如你,不妨在这 发表你的看法与心得 ~

    登录之后可以发表学习元评论
      
顶部