李科敏

以通電燈泡為道具的科學探究課的教學設計及實踐

李科敏

設計并組織了一場以通電燈泡為道具的科學探究課，學生在開展科學探究的過程中，既學到了熱傳遞方面的科學知識，鍛煉了實驗操作能力，又訓練了語言表達能力，培養(yǎng)了探索精神和理論聯(lián)系實際的作風。

通電燈泡;科學探究;教學設計

在科學探究課中，學生在教師的指導下，以完成探究課題作為目標牽引，學生不僅可以主動獲取知識和技能，也可以訓練語言表達能力和辯證思維能力，還可以培養(yǎng)探索精神、科學態(tài)度和理論聯(lián)系實際的作風。在教學中，筆者將全班學生分成若干個探究小組，每組6－7人，設計并組織了一場以通電燈泡為道具的科學探究課。

一 創(chuàng)設情境提出問題

教師:有兩個完全相同的白熾燈泡甲和乙，其額定功率是100W(或60W)，現(xiàn)在同時給甲乙兩燈泡通電(強調實驗的操作步驟和應注意的事項)，控制燈泡兩端的電壓，使甲燈正常發(fā)光、乙燈的燈絲微紅(即剛剛點亮)，通電3－5分鐘后再斷電，讓學生用手仔細感受兩燈泡各處的冷熱程度。然后，一起交流自己的發(fā)現(xiàn)，并向全班報告本組發(fā)現(xiàn)的結果。

學生A:甲燈(正常發(fā)光)的玻璃處處幾乎一樣地燙手。

學生B:乙燈(燈絲微紅)只有位于燈絲正上方的玻璃燙手，其它部位的玻璃幾乎沒有變熱。如下圖所示。

教師:如果改變燈絲放置的位置、發(fā)光的狀態(tài)，又會出現(xiàn)什么情況呢?

學生開始用實驗尋求答案。

學生B只改變燈泡放置的位置重復上述實驗。即待燈泡溫度降到室溫，把燈絲上方的玻璃置于燈絲的下方等位置，重復上述實驗，然后自豪地報告:當乙燈的燈絲微紅時，燈絲正上方的玻璃總是最熱的;當甲等的燈絲正常發(fā)光時，玻璃處處幾乎是一樣燙手。這兩個結論與燈泡放置的位置無關。

學生C只改變燈泡的發(fā)光狀態(tài)重復上述實驗。即待燈泡溫度降到室溫，讓原來正常發(fā)光的甲燈變?yōu)闊艚z微紅，讓原來燈絲微紅的乙燈變?yōu)檎０l(fā)光。通過實驗后發(fā)現(xiàn):不論是甲燈還是乙燈，若燈絲處于微紅狀態(tài)，其正上方的玻璃總是逐漸變得燙手，而其它部位的溫度幾乎和室溫一樣;若燈絲正常發(fā)光，燈泡各處的玻璃變得一樣燙手。

二 指導方法，引導探究

1.匯報實驗結果，展開學習討論。

教師:同學們發(fā)現(xiàn)“燈絲微紅一段時間后，其頂部玻璃的溫度高而其它部位的溫度幾乎不變;若燈絲正常發(fā)光，整個燈泡玻璃的各處很快變得幾乎一樣燙手”。為什么會出現(xiàn)這些現(xiàn)象呢?要探究發(fā)生這些現(xiàn)象的本質，首先應該了解熱傳遞的方式和規(guī)律。請大家查閱相關資料，并把自己獲得的結論整理好，然后與大家一起交流討論。

2.匯報查詢結果，展開學習討論。

教師:同學們，請就熱傳遞問題，先討論各自的看法，然后再報告你們獲得的相關知識。

學生A:兩個接觸的物體只要冷熱不同就會發(fā)生熱傳遞，而且熱總是從熱物體傳到冷物體，直到兩個物體一樣熱為止。

學生B馬上補充:同一物體上如果存在冷熱不同也可以發(fā)生熱傳遞。例如，在冬天，我的腳冰涼時，我常用自己溫暖的手把腳握熱呢。

學生C:熱傳遞有傳導、對流、輻射三種方式。傳導是固體傳熱的主要方式，它是由于固體中大量分子、原子或電子的相互碰撞，而使熱量沿著固體從溫度較高部分傳到溫度較低部分的過程;對流是液體或氣體傳熱的主要方式，它是液體或氣體中較熱部分和較冷部分之間通過循環(huán)流動而使溫度趨向一致的傳熱過程;輻射是傳熱的又一方式，它是受熱物體通過電磁場輻射的方式向外傳遞熱量的過程，物體的溫度越高，相應的輻射越強。

學生B:各種物質傳導熱的本能不同，金屬(如鐵、鋁等)傳導熱的本能較強，是熱的良導體;玻璃、陶瓷、木材等非金屬傳導熱的本能較差，是熱的不良導體。產生對流的根本原因是由于液體或氣體通常具有熱脹冷縮的性質而導致液體或氣體的循環(huán)流動。輻射傳熱不需要像傳導、對流那樣必須借助介質，例如地球和太陽之間的空間有很長一段距離是真空(即沒有物質)，但太陽的熱量仍然可以通過輻射的方式傳到地球上來。

教師:不良導體可以傳導熱嗎?

學生D充滿自信地說:不良導體應該可以傳導熱。我媽在家經(jīng)常用陶瓷壇子蒸雞，蒸出來的雞還特別香呢，這說明陶瓷(不良導體)也能傳導熱。還有，燃燒著的木頭，靠近燃燒處很燙手，這說明木頭這種不良導體也是可以傳導熱的。總之，不良導體可以傳熱，只是傳得慢一些而已。

教師:如果壇子蒸出來的雞真的很香，大家再探究一下為什么會很香?這對提高做菜的水平一定很有參考價值哦。此外，靠近燃燒處的木頭變得燙手，是不是還可能有其它原因呢?

學生D:嗯。我再想想……熱會不會從燃燒處以對流或輻射的方式沿木頭向外傳遞呢?

學生C:對流也是熱傳遞的一種方式，但它只能發(fā)生在液體或氣體之中。通常是這樣的，位于下面的液體(或氣體)若受熱就會自動向上運動，同時它上面的冷液體(或冷氣體)會隨之向下運動形成對流，在對流的過程中，熱液體(或熱氣體)把熱從下面向上傳遞。燃燒的木頭中應該很難發(fā)生對流傳熱吧，因為木頭中沒有液體和氣體啊。

學生D:在對流傳熱中，熱可否從液體(或氣體)的上面向下面?zhèn)鬟f呢?

學生B:一般只能從下面向上傳熱。這是因為液體(或氣體)受熱時體積會膨脹，膨脹后的液體(或氣體)只會向上運動。

學生D:為什么受熱膨脹后的液體或氣體只能向上運動呢?

學生F:受熱膨脹后的液體或氣體肯定受到一個比其重力更大的、方向向上的作用力。

教師:是的，這個方向向上的作用力肯定存在，至于它的性質留給大家以后繼續(xù)探討。

學生C:熱傳遞還有一種方式是輻射。傳導和對流需要借助介質才能傳遞熱，而輻射不需要依靠介質，它是熱同時向四周傳播的一種方式。例如真空不能發(fā)生熱的傳導或對流，但可以借助輻射傳遞熱?？梢?，輻射應該是燃燒的木頭向外傳導的一種方式。

學生D:這樣說來，熱從木頭的燃燒處傳到其它部位，應該是通過傳導和輻射兩種方式傳遞的。

學生A:我覺得主要是通過輻射的方式傳遞的，因為木頭畢竟是熱的不良導體。

學生D:我覺得主要是通過傳導的方式傳遞的，因為輻射在木頭中傳遞會受到很大的阻礙，就好像我們在水中行走會受到很大阻力一樣。

教師:木頭燃燒時，沿著木頭傳遞熱量，傳導和輻射到底哪個更強，請大家查閱相關資料再繼續(xù)設法探討。剛才，大家就熱傳遞問題進行很好的交流，請哪位同學來做個總結?

學生總結:略。

［設計意圖］:讓學生在討論交流中學習熱傳遞方面的知識，并培養(yǎng)學生的語言交流表達能力和辯證思維的能力，也為探究白熾燈泡產生的不同現(xiàn)象做好知識準備。

3.針對問題探究，尋找本質原因。

教師:現(xiàn)在我們一起來討論燈絲發(fā)光時其周圍玻璃變熱的原因。

學生A:我通過查閱相關資料發(fā)現(xiàn)，正常發(fā)光的100W燈絲的溫度可以高達2000℃，它此時主要依靠輻射的方式向四周傳遞熱量。由于輻射不需要依靠介質，所以向四周各個方向輻射的強度是相同的，從而導致燈泡上各處的玻璃都變得燙手。

學生E:我查閱過相關資料，發(fā)現(xiàn)為了阻止鎢絲在高溫下?lián)]發(fā)，40W以上的白熾燈泡內都充氮氣、氬氣等惰性氣體。既然有氣體存在，燈絲正常發(fā)光時，對流和傳導也應該是燈絲向外傳遞熱量的方式，只是在相同時間內對流和傳導傳遞的熱量遠小于輻射傳遞的熱量?；蛘哒f，燈泡正常發(fā)光時，對流和傳導相對較弱，燈絲產生的熱量主要是以輻射的方式向外傳向燈泡各部位，因而，我們還是感到燈泡各部位是一樣的。

教師:學生E剛才的解釋，大家感到合理嗎?

學生A和B:應該是圓滿地解釋了上述問題。

教師:那燈絲微紅一段時間后，為什么會出現(xiàn)只燈絲頂部的玻璃燙手呢?

學生沉思。

學生F:燈絲微紅時，燈絲的溫度較低，它產生的熱量主要是以對流的方式傳向燈泡玻璃，而輻射和傳導傳遞的熱量與對流的相比已變成次要部分，而對流是受熱氣體向上流動傳熱的過程，所以會出現(xiàn)只燈絲頂部玻璃燙手而其它部位幾乎沒有變熱的現(xiàn)象。

學生C:我同意F同學的看法。由于燈絲的溫度越高，它向外輻射熱的本領越強，所以，100W燈絲微紅時因其溫度較低導致輻射較弱而主要以對流的方式向外傳熱，燈絲正常發(fā)光時因其溫度很高而主要以輻射向外傳熱。

教師:很好。現(xiàn)在大家都認為“燈絲微紅時只有其頂部玻璃變熱是由于燈泡內的氣體產生對流所致”。你們能設計一個實驗來驗證這個說法嗎?

學生沉思。

學生E:我查閱資料時發(fā)現(xiàn)，25W的白熾燈泡內是真空。如果100W燈絲微紅時是因燈泡內氣體對流導致其頂部變熱是正確的話，那么，讓25W燈絲微紅一段時間，燈泡頂部應該和其它部位一樣熱，因為它內部是真空不可能產生對流傳熱，此時，傳熱的方式只可能是輻射。

這是一個好主意。學生們立即興奮地找來了一個25W的白熾燈泡進行實驗。

學生F:25W燈絲微紅一段時間后，燈泡上各處確實是一樣熱!這說明100W燈絲微紅時確實主要靠燈泡內的氣體對流來傳遞熱的。

學生A好奇地問:100W白熾燈泡中為什么要充有氮氣、氬氣?

學生F:我已經(jīng)查閱相關資料，這是為了阻止鎢絲在高溫下?lián)]發(fā)掉而延長鎢絲的使用壽命，因為100W燈泡發(fā)光時溫度太高了。此外，這還可以平衡一些大氣壓強對燈泡產生的壓力起到保護燈泡不被壓爆的作用。還有呢?就是可以拉動相應的消費，促進經(jīng)濟發(fā)展和增加就業(yè)機會。

學生A:氮氣、氬氣為什么能阻止鎢絲在高溫下?lián)]發(fā)?

大家都感到茫然了。

教師:大家以后再去查閱相關資料繼續(xù)探討這個問題。

［設計意圖］:創(chuàng)設民主自由的探究氛圍，使學生在討論交流和實驗操作的過程中，既獲得相關的物理知識又促使學生手腦的協(xié)調發(fā)展，既享受到科學探究的酸甜苦辣，又訓練學生的科學精神和創(chuàng)新思維。

4.教師總結。

剛才，我們對通電燈泡在不同受熱情況下出現(xiàn)的不同現(xiàn)象進行了探究，知道了熱傳遞的條件(相接處的兩個物體有溫度差)和熱傳遞的三種方式(傳導、對流、輻射)等規(guī)律，發(fā)現(xiàn)“在燈絲微紅時，100W的白熾燈因燈泡內充有氣體而主要通過對流傳熱，從而使得燈絲頂部的玻璃會變得更熱;而25W的白熾燈因燈泡內是真空(沒有氣體)而主要依靠輻射傳熱，因而其燈絲頂部的玻璃和其它部位的一樣熱。在正常發(fā)光時，燈絲的溫度很高，主要是依靠輻射把熱傳向燈泡玻璃，所以，總會感到燈泡各處幾乎一樣很熱?！绷硗猓瑢W們在這次探究中表現(xiàn)出來的積極性和主動性都值得提倡和表揚，希望大家堅持下去，這樣，你們不僅可以學到許多有趣的知識，還可以培養(yǎng)自己多方面的能力。

三 教學反思

這次探究課以通電燈泡為道具，引導學生帶著探究的問題去查閱資料，主動學習了有關熱傳遞的物理知識，并嘗試利用熱傳遞知識解決了探究的課題。在探究的過程中，學生不僅獲得了相關知識，鍛煉了實驗操作技能，訓練了學生的語言表達能力和辯證思維的能力，而且體驗了科學探究的酸甜苦辣，培養(yǎng)了學生的探索精神、科學態(tài)度和理論聯(lián)系實際的作風。

A Teaching Design and Practice of Scientific Inquiry Using Lighting Bulbs as Props

Li Kemin

A scientific inquiry using lighting bulbs as props is designed and organized.Students have not only learned the knowledge of the heat transfer and the operation ability，but the language ability，the inspiration of discovery and the principle of integrating theory with practice in the process of scientific research has been developed.

lighting bulbs;scientific inquiry;teachingdesign

G642.0

A

1672－6758(2012)03－0018－2

李科敏，博士，副教授，湖南理工學院，湖南·岳陽。郵政編碼:414006

湖南省普通高等學校教學改革研究項目“借助改進和設計實驗提升師范生綜合素質的研究”，項目編號:287

Class No.:G642.0Document Mark:A

(責任編輯:蔡雪嵐)