何德強(qiáng)

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有效引導(dǎo)學(xué)生在課題研究中遞進(jìn)發(fā)展——“探究礦泉水瓶能否引發(fā)火災(zāi)”案例分析

何德強(qiáng)

摘 要：以研究性學(xué)習(xí)“探究礦泉水瓶能否引發(fā)火災(zāi)”課題為例，闡述教師在物理研究性學(xué)習(xí)中有效指導(dǎo)課題研究的做法及其效果，為更好開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)提供相關(guān)范例。

關(guān)鍵詞：研究性學(xué)習(xí)；案例分析；課題研究；實(shí)驗(yàn)探究

研究性學(xué)習(xí)是學(xué)生通過(guò)親身實(shí)踐活動(dòng)獲得直接經(jīng)驗(yàn)(有時(shí)也在一定程度上參與知識(shí)的創(chuàng)造)，并在獲得直接經(jīng)驗(yàn)或參與知識(shí)創(chuàng)造的過(guò)程中養(yǎng)成科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度，掌握一定的科學(xué)方法，提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、判斷問(wèn)題以及解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)社會(huì)交往能力和團(tuán)隊(duì)精神的一種學(xué)習(xí)活動(dòng)。研究性學(xué)習(xí)課題的主要研究過(guò)程大致如圖1所示。

圖1

研究性學(xué)習(xí)為學(xué)生構(gòu)建起一個(gè)自主、體驗(yàn)、探究、合作、交往的平臺(tái)，教師在這個(gè)平臺(tái)中擔(dān)任組織者、引導(dǎo)者、合作者、學(xué)習(xí)者等多種角色，那么教師在學(xué)生研究性學(xué)習(xí)課題研究的過(guò)程中如何有效定位自己的角色、發(fā)揮自己的作用呢？下面以筆者指導(dǎo)的研究性學(xué)習(xí)課題“探究礦泉水瓶能否引發(fā)火災(zāi)”為例，談?wù)勗谕七M(jìn)該課題研究過(guò)程中的做法與體會(huì)。

一、引導(dǎo)學(xué)生將感興趣的問(wèn)題變成可研究的課題 明確研究的目標(biāo)和方向

研究性學(xué)習(xí)是具有問(wèn)題性、開(kāi)放性、主體性、綜合實(shí)踐性等特點(diǎn)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，愛(ài)因斯坦有句名言：“提出一個(gè)問(wèn)題比解決一個(gè)問(wèn)題更重要?！痹谖锢硌芯啃詫W(xué)習(xí)中，首先要解決的就是研究課題的提出。當(dāng)學(xué)生還沒(méi)有明確的選題時(shí)，我們要鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己的生活和社會(huì)實(shí)際及個(gè)人的興趣、愛(ài)好、特長(zhǎng)自主選擇和提出問(wèn)題，盡量不要給學(xué)生設(shè)置條條框框，然后教師再引導(dǎo)分類和規(guī)范。

有一位學(xué)生家長(zhǎng)看到一則有關(guān)礦泉水瓶引起火災(zāi)和車輛自燃的報(bào)道，在與孩子分享后給孩子留下了疑問(wèn)，學(xué)生便來(lái)問(wèn)筆者其中的原因，筆者只做了凸透鏡相關(guān)知識(shí)的提示，見(jiàn)他還是將信將疑，則鼓勵(lì)學(xué)生確立一個(gè)研究性學(xué)習(xí)課題自主研究一下，筆者和學(xué)生一起搜索媒體資源，又發(fā)現(xiàn)了兩則類似的報(bào)道。于是在“課題提出”部分寫了以下內(nèi)容。

看到兩則有關(guān)夏天礦泉水瓶引起火災(zāi)和車輛“自燃”的報(bào)道，如圖2、圖3所示(圖片來(lái)自于網(wǎng)絡(luò))，非常震驚，因?yàn)樯磉吅芏嗳司陀袑⒌V泉水放在車?yán)锏牟涣剂?xí)慣。

圖2　礦泉水瓶引起火災(zāi)

圖3　由于礦泉水瓶引起汽車“自燃”

無(wú)獨(dú)有偶，早在多年以前就有類似報(bào)道。國(guó)際在線消息(記者劉文俊)：土耳其消防專家近日建議公眾，不要隨意丟棄尚未喝盡的礦泉水瓶，因?yàn)檫@些瓶子可能因?yàn)樵陉?yáng)光下的聚光作用而釀成森林大火。（詳見(jiàn)：http://news.sina.com.cn/o/2009-06-12/182815780179s. shtml）

盡管事實(shí)如此，但很多人對(duì)此仍將信將疑，不少人會(huì)反問(wèn)：裝水的礦泉水瓶能看作凸透鏡嗎？就算礦泉水可以像凸透鏡那樣有聚光作用，水不是還可以降溫吸熱嗎？

選好課題是活動(dòng)成功開(kāi)展的關(guān)鍵。學(xué)生開(kāi)始接觸研究性學(xué)習(xí)時(shí)，可以由教師按學(xué)生的知識(shí)水平選擇合適的課題。隨著活動(dòng)的不斷開(kāi)展，學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)達(dá)到一定層次時(shí)，應(yīng)鼓勵(lì)他們自主選擇課題，因?yàn)檫x題的過(guò)程就是一個(gè)研究問(wèn)題、思考問(wèn)題的過(guò)程。教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課題可行性論證時(shí)，應(yīng)充分尊重學(xué)生的選擇，即使有個(gè)別的課題存在疑問(wèn)，在進(jìn)行了適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)后，也不必苛求能夠馬上達(dá)成共識(shí)，切不可將自己的想法和建議強(qiáng)加于學(xué)生。我們可以期待學(xué)生在進(jìn)入后期的研究后，如果能夠發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，再進(jìn)行矯正，重新進(jìn)入較為理想的研究狀態(tài)的話，對(duì)所有參與這一過(guò)程的學(xué)生而言，已經(jīng)是一個(gè)莫大的收獲，這也許更貼近開(kāi)設(shè)研究性學(xué)習(xí)課程的目標(biāo)。

二、促進(jìn)學(xué)生建立可行且有效的研究模型

研究課題一經(jīng)確定，一般要規(guī)劃研究方案，對(duì)于具體的自然科學(xué)類的物理課題而言，非常重要的就是根據(jù)研究的對(duì)象、物理情景、研究目標(biāo)以及自己的學(xué)識(shí)確定所研究課題對(duì)應(yīng)的基本模型，以便進(jìn)一步進(jìn)行理論分析和探究論證。

學(xué)生的主要疑問(wèn)集中在如下問(wèn)題：裝滿水的礦泉水瓶是哪種光學(xué)元件？太陽(yáng)光通過(guò)它的傳播規(guī)律是怎樣的？它有會(huì)聚作用嗎？我們?nèi)绾握撟C它的這些規(guī)律和作用？首先引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)尋求這些問(wèn)題的答案。物理研究性學(xué)習(xí)不是無(wú)源之水，它的源頭應(yīng)該還是要落腳到物理課堂教學(xué)，在此基礎(chǔ)上再鼓勵(lì)學(xué)生就近探究和拓展研究。學(xué)生在教師指導(dǎo)下在“理論分析”部分寫了以下內(nèi)容。

凸透鏡是根據(jù)光的折射原理制成的，凸透鏡是中央較厚邊緣較薄的透鏡，有雙凸、平凸以及凹凸（或正彎月形）等形狀，凸透鏡有會(huì)聚作用故又稱聚光透鏡，這都是我們中學(xué)階段所學(xué)過(guò)較為理想的球面薄凸透鏡，我們可以通過(guò)光路作圖解析它的聚光作用和成像規(guī)律。裝水的礦泉水瓶很少是球面的，與圓柱形更為接近，可近似為柱透鏡正（凸）柱透鏡對(duì)光的匯聚作用如圖4所示，負(fù)（凹）柱透鏡對(duì)光的發(fā)散作用如圖5所示。

圖4

圖5

柱透鏡有與薄透鏡相似的性質(zhì)，對(duì)于正柱透鏡來(lái)說(shuō)，主截面如同凸透鏡，平行于主截面的光通過(guò)截面EAGB后，會(huì)聚于一點(diǎn)，平行于軸的截面如同平板玻璃，對(duì)光無(wú)匯聚或發(fā)散作用。綜合起來(lái)，就會(huì)形成如圖4所示的匯聚效果，平行光通過(guò)正柱透鏡不是會(huì)聚于一點(diǎn)，而是一個(gè)聚光區(qū)F1F2，稱之為焦距帶。那么具體到哪個(gè)位置去找這個(gè)焦距帶呢？

我們可以將太陽(yáng)光視為平行光且與礦泉水瓶截面的一個(gè)切面垂直，對(duì)通過(guò)某一截面的光而言，光穿過(guò)圓形水介質(zhì)（忽略瓶壁厚度）的光路如圖6所示，由幾何關(guān)系可以得出：

圖6

結(jié)合上述推導(dǎo)，圖7是用幾何畫板軟件結(jié)合光在水中的折射（折射率為1.33）繪制的經(jīng)過(guò)截面為圓形水瓶的光的會(huì)聚效果圖，在實(shí)驗(yàn)中我們不難找到這個(gè)最亮的聚光區(qū)，這說(shuō)明以裝滿水的礦泉水瓶被看作柱透鏡討論相關(guān)問(wèn)題是合理的，在此稱這種裝滿水的礦泉水瓶叫作“瓶透鏡”。從效果圖不難推出，瓶透鏡半徑越大，所匯聚的光越多，焦距帶能量越高；假如瓶透鏡是完整的球面，它不僅能接收更多的光，而且每部分光都經(jīng)折射后匯聚于焦點(diǎn)，焦點(diǎn)處能量會(huì)更高。

圖7

從描述中不難看出，很多知識(shí)都超出了高中物理教科書(shū)的范圍，這種研究性學(xué)習(xí)改變了學(xué)生在原有的教育、教學(xué)條件下所形成的偏重記憶與理解，立足接受教師知識(shí)傳輸?shù)膶W(xué)習(xí)方式，幫助他們形成一種主動(dòng)探究知識(shí)，重視解決實(shí)際問(wèn)題的積極的學(xué)習(xí)方式。研究性學(xué)習(xí)徹底改變了我們以往那種以“教師、書(shū)本、課堂”為中心的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)為以“學(xué)生、活動(dòng)、社會(huì)”為中心的教學(xué)模式。在探究過(guò)程中，作為教師也需要和學(xué)生一樣了解、學(xué)習(xí)、研究。

三、鼓勵(lì)學(xué)生在研究過(guò)程中積極試驗(yàn)、主動(dòng)求證

物理研究性學(xué)習(xí)這種基于問(wèn)題和探究任務(wù)的方式，迫使學(xué)生提出問(wèn)題，收集材料，對(duì)研究課題進(jìn)行探索、分析、研究，在實(shí)踐操作中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度、價(jià)值觀、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維、創(chuàng)造能力，掌握科學(xué)研究的一般的基礎(chǔ)的方法，提高實(shí)踐操作、解決生活中與物理學(xué)習(xí)相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題的能力。作為實(shí)驗(yàn)科學(xué)的物理研究性學(xué)習(xí)是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)習(xí)，其中充滿樂(lè)趣也極富挑戰(zhàn)性，學(xué)生要想體會(huì)到該“如何做”，就必須親自去做。學(xué)生在“實(shí)驗(yàn)探究”部分寫了以下內(nèi)容。

瓶的材料在得到瓶透鏡匯聚能量的同時(shí)也有一些因素在不斷“帶走”能量，例如：液體顏色對(duì)折射光的選擇性，液體的吸熱能力，環(huán)境對(duì)流、被照射物體的材料反光也會(huì)向外輻射能量等。當(dāng)被照射材料為黑色或者深色時(shí)，在每個(gè)很短時(shí)間內(nèi)，當(dāng)被照射物體會(huì)聚能量的速率都大于帶走能量的速率時(shí)，被照物體上就會(huì)不斷聚積能量而升溫，當(dāng)溫度上升到物體的燃點(diǎn)時(shí)，物體有可能被點(diǎn)燃。這就需要在實(shí)驗(yàn)時(shí)有意識(shí)地控制相關(guān)變量以獲得顯著的實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)驗(yàn)一：將枯樹(shù)葉放在瓶透鏡焦距帶，大約8分鐘發(fā)現(xiàn)枯樹(shù)葉有部分被烤焦（如圖8所示）。

圖8

實(shí)驗(yàn)二：在同一地點(diǎn)讓太陽(yáng)光通過(guò)不同裝滿水的塑料瓶，用同一個(gè)光強(qiáng)照度計(jì)粗略測(cè)量各瓶透鏡焦距處的光強(qiáng)（如圖9所示），甲、乙兩瓶的半徑不同（乙的半徑較大），丙圖中瓶近似球形，通過(guò)光強(qiáng)照度計(jì)示數(shù)不難得出：半徑較大的乙瓶聚光本領(lǐng)較強(qiáng)，球形瓶透鏡比柱形透鏡聚光本領(lǐng)強(qiáng)。

圖9

實(shí)驗(yàn)三：讓太陽(yáng)光通過(guò)近似球形的瓶透鏡會(huì)聚在棕黑紙上，將熱敏電阻放在棕黑紙與橡皮泥中間，用橡皮泥把棕黑紙與熱敏電阻粘在一起，這樣通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)出熱敏電阻的阻值變化（熱敏電阻為NTC熱敏電阻），從而可以測(cè)出被照射棕黑紙的溫度變化；同時(shí)用紅外線測(cè)溫儀測(cè)出環(huán)境溫度（由于紅外測(cè)溫儀很容易受環(huán)境溫度影響，多次實(shí)踐覺(jué)得用它測(cè)量被照射黑紙溫度誤差很大，所以只用它測(cè)量環(huán)境溫度）。圖10是根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)做出的曲線。

圖10

為了盡快獲得預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)驗(yàn)三幾乎都是在有利于瓶透鏡匯聚能量且被照射物體不利于損失能量的條件下完成的，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線我們不難看出：被照射棕黑紙集聚能量的速率是大于它同時(shí)損失能量的速率的，但隨著溫度越來(lái)越高，升溫的趨勢(shì)逐漸減弱，這可能是被測(cè)物體與環(huán)境溫差越大它向外輻射能量也會(huì)越多的緣故。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)與分析無(wú)可辯駁的證明，裝滿水的礦泉水瓶是完全可能引發(fā)火災(zāi)的。但通常情況下，被遺棄的礦泉水瓶多為半瓶或小半瓶，液體的折射截面為一個(gè)弓形，弓形截面對(duì)平行光線的匯聚效果與柱透鏡類似，與溶液的折射率和弓形的半徑有關(guān)，越是呈球形裝滿水的礦泉水瓶越危險(xiǎn)。

學(xué)生在研究學(xué)習(xí)中自主、獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題，設(shè)計(jì)研究問(wèn)題的方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、操作、合理改進(jìn)、搜集與處理信息，解決問(wèn)題，逐漸形成基本正確的研究思路和研究過(guò)程。這是傳統(tǒng)課堂學(xué)生用單一的教材和幾套練習(xí)資料進(jìn)行機(jī)械式的思維訓(xùn)練和拓展所難以做到的。

四、激勵(lì)學(xué)生在探究求證后觸類旁通、學(xué)以致用

學(xué)生通過(guò)自主探究對(duì)心中的疑問(wèn)有了結(jié)論后，教師要激勵(lì)學(xué)生將這些探究成果與實(shí)踐生活相結(jié)合，不僅實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化、活化，將間接經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為直接經(jīng)驗(yàn)。而且要培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)一步探索未知世界的精神、主動(dòng)求知的精神和創(chuàng)新意識(shí)。并盡可能努力開(kāi)拓未知的領(lǐng)域。這樣學(xué)生可以逐步形成在日常生活中喜愛(ài)質(zhì)疑、樂(lè)于探索、努力求知的心理傾向，激發(fā)探索和創(chuàng)新的積極欲望。學(xué)生在課題的“應(yīng)用與建議”部分中寫了以下內(nèi)容。

為了活學(xué)活用，提如下建議：

(1)為了保護(hù)環(huán)境，減少火災(zāi)隱患

平時(shí)要多使用不透明耐高溫且環(huán)保材質(zhì)的水杯，盡量不要把裝有水的透明杯子和瓶子留在車內(nèi)、風(fēng)景區(qū)或者陽(yáng)光較強(qiáng)的地方，尤其不能在森林、加油站等易燃易爆物質(zhì)附近亂丟有水的礦泉水瓶，應(yīng)該將礦泉水瓶中的水喝完（節(jié)約用水），并將瓶壓扁后扔在垃圾桶內(nèi)或者背光儲(chǔ)存，以免引起火災(zāi)。

(2)為了拓展應(yīng)用上述探究成果

可以運(yùn)用上述“瓶透鏡”充分利用太陽(yáng)光獲得能量，例如：改良熱水器、搭建燒烤臺(tái)等，野外生存時(shí)可以利用太陽(yáng)光取火（如圖11所示）。

圖11　通過(guò)球透鏡利用太陽(yáng)光取火

五、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)課題研究，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)物理學(xué)習(xí)的趣味性、實(shí)用性、方法性、科學(xué)性，也從探索的成功中發(fā)現(xiàn)了自己的能力和特長(zhǎng)，并在以后的學(xué)習(xí)中，表現(xiàn)得更有信心、耐心和恒心。

參考文獻(xiàn)

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作者信息

何德強(qiáng)，本科，中教高級(jí)。北京市第八十中學(xué)，100102