陳夢麟 凌一洲 任紅艷

摘要：?基于科學(xué)探究與藝術(shù)創(chuàng)作融合的理念，開發(fā)、實施和評價“油層上綻放的彩色液滴”的實驗活動。賞析在油層上擴散爆裂的彩色液滴作品，在實驗中尋找證據(jù)并做出合理推理以解釋美麗現(xiàn)象的成因——馬蘭戈尼效應(yīng);利用控制變量法探究實驗條件對結(jié)果的影響，利用發(fā)現(xiàn)的規(guī)律創(chuàng)作獨特的藝術(shù)作品?；诂F(xiàn)場觀察、訪談和學(xué)生作品分析的評價表明，學(xué)生收獲了藝術(shù)、科學(xué)及其相互融合的學(xué)習(xí)成果。

關(guān)鍵詞：?學(xué)生實驗活動;?科學(xué)探究;?藝術(shù)創(chuàng)作;?融合教學(xué)

文章編號：?1005-6629（2021）09-0067-05

中圖分類號：?G633.8

文獻標(biāo)識碼：?B

1??引言

科學(xué)用藝術(shù)的手法，藝術(shù)用科學(xué)的眼界，都揭示大千世界表觀的多樣性與內(nèi)質(zhì)的統(tǒng)一性，揭示大千世界諸種現(xiàn)象背后的規(guī)律與意義?？茖W(xué)與藝術(shù)都具有追求美的動因，共同用美陶冶人的情操、改善人的精神氣質(zhì)與生活品質(zhì)[1]。藝術(shù)與科學(xué)承載著人類無盡的想象力，只有將感性的幻想與理性的論證相結(jié)合才能真正出現(xiàn)創(chuàng)造與創(chuàng)新[2]。在教學(xué)實踐中實現(xiàn)科學(xué)與藝術(shù)的碰撞與融合，共同促進學(xué)生審美素養(yǎng)和創(chuàng)造性思維的發(fā)展，成為眾多教育工作者追求的目標(biāo)[3，4]。

作為化學(xué)課程的重要學(xué)習(xí)方式，科學(xué)探究是學(xué)生積極主動地獲取科學(xué)知識、認識和解決科學(xué)問題的重要實踐活動，對于激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在認知興趣和培養(yǎng)證據(jù)推理、宏觀辨識與微觀探析等核心素養(yǎng)有著不可替代的價值[5]。而藝術(shù)創(chuàng)作用形象思維和深入的理性思考探索事物，也兼具感性體驗和理性教化的雙重特征。教學(xué)中科學(xué)探究與藝術(shù)創(chuàng)作的融合能相互促進，讓學(xué)生在思維活躍、判斷敏銳的學(xué)習(xí)狀態(tài)下充分調(diào)動視覺、觸覺、嗅覺等感官分析思考解決問題，發(fā)展感知美、鑒賞美、創(chuàng)造美的審美素養(yǎng)，激發(fā)探索未知、完善自我、創(chuàng)新創(chuàng)造的意識[6]。

2??活動開發(fā)

2.1??活動設(shè)計思路

本活動以馬蘭戈尼爆裂實驗作為載體。馬蘭戈尼爆裂涉及酒精性質(zhì)、表面張力、揮發(fā)速率等一系列科學(xué)問題。首先對該實驗進行簡化處理，使之適合中學(xué)教學(xué)對安全、便捷和育人功能的需要，使用乙醇、水、色素和植物油等生活中常見的材料就能完成。其次探索不同實驗條件對實驗現(xiàn)象的影響，以追求藝術(shù)化的呈現(xiàn)。

2.2??實驗原理與方法

兩種表面張力不同的液體界面之間存在張力的梯度會使液體流動，這種現(xiàn)象稱為馬蘭戈尼效應(yīng)（Marangoni?Effect）。凱澤（Keiser）、杜瑞（Durey）等研究了由馬蘭戈尼效應(yīng)導(dǎo)致馬蘭戈尼爆裂（Marangoni?Bursting）的迷人現(xiàn)象及原理[7，8]。把一定濃度的酒精溶液滴到油層表面，當(dāng)乙醇的含量較高時，液滴會向外擴散，乙醇的揮發(fā)使得溶液中水的比例增大，由于水的表面張力高于乙醇，液滴向外擴散就會停止。而液滴邊緣處的乙醇揮發(fā)速率最大，導(dǎo)致液滴中心區(qū)域的乙醇含量比邊緣處高，因此液滴中心區(qū)域的表面張力較低。液滴中心與邊緣區(qū)域表面張力的差異形成了自中心向外的流動，導(dǎo)致液體在液滴邊緣處聚集，形成一個圓形輪廓，邊緣輪廓的破碎生成向外噴射的小液滴，即產(chǎn)生了馬蘭戈尼爆裂現(xiàn)象。

實驗所需材料如下：?95%乙醇、食用色素、水、葵花籽油、滴管、試管、橡膠塞、培養(yǎng)皿、紙巾、手機、手機支架等。

實驗步驟如下：?在培養(yǎng)皿中倒入厚度約0.5cm的葵花籽油層。在帶橡膠塞的試管中配制乙醇與水、色素的混合溶液，逐漸增大乙醇與水的比例。將手機固定，找到合適的拍照角度，開始錄像。用滴管把乙醇-水-色素的混合液滴于油層，觀察液滴的變化?？刂苹旌弦簼舛炔蛔儯淖兓旌弦旱螖?shù)，觀察液滴變化。改變其他條件，例如色素顏色、滴加位置和先后順序等，重復(fù)實驗。

在試管中配制混合液后要及時用橡膠塞密封，減少酒精揮發(fā)。如果需要重復(fù)使用葵花籽油，可以用一片薄紙巾貼于油層表面，吸走表層彩色混合溶液。若彩色液滴進入油層內(nèi)部可以用滴管吸出。（注意實驗材料均不可食用）

2.3??實驗預(yù)期結(jié)果

改變乙醇與水的比例進行實驗，實驗結(jié)果見圖1（室溫28℃，滴入1滴混合液）。當(dāng)酒精濃度較小時，液滴不會擴散（圖1a）。當(dāng)增加酒精濃度至大于某臨界值，液滴先向外擴散，接著擴散停止，然后經(jīng)過爆裂式擴散成無數(shù)小液滴。

混合液中酒精的比例越高，擴散范圍越大，形成的液滴越?。▓D1b～e），因為酒精的表面張力比水小，此時爆裂形成的小液滴表面張力較小。

選擇95%酒精（圖2a、圖2b）、選擇95%酒精與水的體積比為4∶1（圖2c、圖2d）的濃度，改變色素顏色、滴加滴數(shù)、滴加位置等因素，同樣由于酒精揮發(fā)的不均勻性導(dǎo)致表面張力出現(xiàn)差異，使得液滴呈現(xiàn)美妙的形態(tài)。這些圖片作品和實驗視頻也將作為教學(xué)素材。

2.4??活動目標(biāo)

本次活動的目標(biāo)如下：?（1）欣賞“油層上綻放的彩色液滴”實驗視頻和照片，能夠從作品構(gòu)成要素、顏色、構(gòu)圖、創(chuàng)意等角度賞析作品的藝術(shù)性;（2）能夠在實驗中尋找證據(jù)，利用證據(jù)和資料解釋“馬蘭戈尼爆裂”現(xiàn)象，運用控制變量法探究液滴變化規(guī)律，發(fā)展宏觀辨識與微觀探析等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);（3）能夠結(jié)合實驗原理和規(guī)律設(shè)計藝術(shù)作品，體驗和理解科學(xué)與藝術(shù)的融合與聯(lián)系。

3??活動實施

3.1??活動設(shè)置

活動時長為2.5小時，活動參與者為20名江蘇省某重點高中的高一年級學(xué)生，分為10組。他們在小學(xué)科學(xué)課上通過簡單實驗認識了表面張力但還不理解表面張力的實質(zhì);在初中實驗課或日常生活中接觸過酒精并對酒精的性質(zhì)有一定的直觀認識。在這次活動中，他們需要在教師的引導(dǎo)下，主動觀察、思考與交流，積極地建構(gòu)表面張力的微觀本質(zhì)、分子間引力和斥力等科學(xué)知識，并結(jié)合乙醇易揮發(fā)等性質(zhì)推理解釋馬蘭戈尼爆裂現(xiàn)象，運用探究所得的科學(xué)原理與科學(xué)規(guī)律加以想象、創(chuàng)作并拍攝藝術(shù)作品。

3.2??活動過程

活動主要分為作品賞析、原理探討、規(guī)律探索、自由創(chuàng)作四個環(huán)節(jié)，詳細內(nèi)容見表1。

2.?如何用語言描述你在實驗中觀察到的實驗現(xiàn)象？

3.?思考液滴為什么會先擴散后爆裂？可能與什么因素有關(guān)？在實驗過程中清晰地看見細節(jié)的同時，思考美麗背后的科學(xué)原理。尋找證據(jù)提出猜想，以證據(jù)和資料作為依據(jù)，表達想法或傾聽他人的意見，正確理解馬蘭戈尼效應(yīng)并解釋馬蘭戈尼爆裂現(xiàn)象。以學(xué)生的探究過程驅(qū)動教學(xué)，學(xué)生為了更好地創(chuàng)作作品需要掌握科學(xué)原理，在實驗過程中收集證據(jù)深入思考，從美麗的宏觀現(xiàn)象逐漸深入到微觀本質(zhì)的探討，養(yǎng)成善于觀察、勇于質(zhì)疑的良好品質(zhì)。

規(guī)律探索結(jié)合實驗原理，你認為液滴的大小、數(shù)量、擴散范圍等與什么因素有關(guān)？首先結(jié)合已掌握的原理進行分析，然后運用控制變量法進行實驗，檢驗想法是否正確。各組交流分享本組發(fā)現(xiàn)的實驗規(guī)律。這一階段是對上一環(huán)節(jié)的深化，讓學(xué)生靈活運用表面張力的本質(zhì)和酒精揮發(fā)速率來解釋變量導(dǎo)致液滴產(chǎn)生不同現(xiàn)象的原因，學(xué)會知識遷移。

自由創(chuàng)作請根據(jù)你所發(fā)現(xiàn)的實驗規(guī)律，選擇合適的條件，發(fā)揮想象力進行自由創(chuàng)作。以小組合作的形式構(gòu)思、創(chuàng)作、改進、再創(chuàng)作，運用手機拍攝清晰美觀、富有創(chuàng)意的作品。激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維，鼓勵他們用聯(lián)通、整合的思維進行創(chuàng)意設(shè)計，用藝術(shù)的眼光和追求美的心靈創(chuàng)作美的作品。

3.3??活動片段實錄

本文重點介紹原理探討和自由創(chuàng)作兩個具有特色的環(huán)節(jié)。原理探討環(huán)節(jié)凸顯了將“證據(jù)推理”作為一種學(xué)習(xí)化學(xué)的基本方法的使用價值，學(xué)生在實驗過程中不斷探索，感知科學(xué)美，通過多方收集證據(jù)解釋科學(xué)美;自由創(chuàng)作環(huán)節(jié)充分體現(xiàn)了科學(xué)美與藝術(shù)美的結(jié)合，學(xué)生在理解實驗原理的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮想象力并創(chuàng)造美。

3.3.1??原理探討環(huán)節(jié)

教師以問題為主線，引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生問題沖突。學(xué)生首先根據(jù)實驗報告中的實驗步驟進行初步操作，在動手過程中思考實驗原理。實驗之后組織學(xué)生分析美麗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，由于這些學(xué)生的化學(xué)物理等學(xué)科基礎(chǔ)較好，他們在教師的引導(dǎo)下積極表達自己的猜想，并結(jié)合實驗探究過程中發(fā)現(xiàn)的證據(jù)和先驗知識支持他們的觀點。部分教學(xué)過程如下。

師：?[提問]液滴為什么會先擴散后爆裂？可能與什么因素有關(guān)？你猜想的依據(jù)是什么？

生：?[觀點]我覺得跟酒精的性質(zhì)有關(guān)。[證據(jù)]在油層上滴入一滴水沒有發(fā)生變化，酒精濃度小的時候液滴也不會運動，而只有當(dāng)酒精濃度高于一定值時，液滴才會發(fā)生運動。

師：?[追問]具體說說是酒精的什么性質(zhì)呢？

生：?[推理]可能是混合液中酒精的揮發(fā)導(dǎo)致了液滴的運動。[證據(jù)]整個實驗過程中能明顯聞到酒精氣味。

師：?[追問]很好，想到酒精易揮發(fā)的性質(zhì)。繼續(xù)思考為什么一滴水不會擴散，而酒精濃度高于一定值的液滴就會擴散呢？

生：?[觀點]可能與表面張力有關(guān)。實驗中我感覺混合物的液滴在滴入后從擴散到收縮的過程就像受到某種力的作用。[證據(jù)]以前科學(xué)課上做過表面張力的實驗，一個硬幣能承載幾十滴水。但是平時實驗滴一滴酒精時馬上就會攤開。

師：?[資料1]表面張力的微觀本質(zhì)。[資料2]在常溫狀態(tài)下水、酒精的表面張力大小。

生：?[證據(jù)]水的表面張力大于酒精。[推理]從微觀看，水表面分子的拉力更大，而酒精溶液的表面分子的拉力變小，所以一滴水不移動，而一滴酒精溶液會擴散開。

師：?[追問]為什么液滴會擴散停止而后又收縮爆裂呢？

生：?[觀點]我認為這是酒精揮發(fā)和表面張力共同導(dǎo)致的。[推理]應(yīng)該是隨著酒精的揮發(fā)，混合物中水的比例增大，表面分子的拉力變大，所以液滴先擴散后停止。

師：?[追問]表面張力的本質(zhì)是表面分子之間的拉力，我們從受力的角度分析為什么液滴又會收縮爆裂形成小液滴呢？

生：?[證據(jù)]物理課中學(xué)過，物體運動狀態(tài)發(fā)生改變是受力不平衡所導(dǎo)致。[推理]說明液滴攤開之后，表面分子的拉力不同，拉力小的分子被拉力較大的分子拉動，最終又達到力的平衡狀態(tài)。

師：?[總結(jié)]其實同學(xué)們已經(jīng)總結(jié)出規(guī)律了，這個規(guī)律就是馬蘭戈尼效應(yīng)（Marangoni?Effect）。

當(dāng)學(xué)生能夠推理出表面分子的拉力不平衡導(dǎo)致液滴運動，教師適時提出馬蘭戈尼效應(yīng)的定義，進一步帶領(lǐng)學(xué)生了解馬蘭戈尼效應(yīng)如何導(dǎo)致“馬蘭戈尼爆裂”現(xiàn)象。

3.3.2??自由創(chuàng)作環(huán)節(jié)

學(xué)生運用實驗原理和規(guī)律開始自由創(chuàng)作，嘗試改變液滴的大小、數(shù)量、顏色、擴散方式等構(gòu)成要素，用手機拍攝藝術(shù)作品。選取一張視頻截圖或照片向同伴展示，并從實驗條件、創(chuàng)作意圖等角度介紹本組作品。選擇其中4位同學(xué)的作品見圖3。

學(xué)生為作品撰寫了生動的賞析詞，節(jié)選如下：?圖3a名為“漣漪”，在酒精溶液中加入閃粉作為雜質(zhì)變量，探索了雜質(zhì)對擴散現(xiàn)象的影響，并給作品帶來陽光下漣漪擴散、水光瀲滟的奇妙視覺感;圖3b名為“星辰”，液滴爆裂如同宇宙大爆炸，形成的小液滴即星辰，它們色彩紛呈，不斷向邊緣擴張，漫無目的地流浪，直到與彼此相遇，化為更加深沉、變幻莫測的星云;圖3c名為“爛漫”，橙色與藍色的小液滴交融又分離，這些液滴仿佛有生命般歡快地跳動，天真爛漫;圖3d名為“海獅先生”，作品在各色液滴擴散后仿佛一個可愛幽默的海獅笑臉，用手機軟件在照片上添加一個胡須貼紙后變得更加形象。色素顏色清新鮮艷，未擴散的液滴形成海獅先生的豆豆眼，海獅先生大張的嘴完整地呈現(xiàn)了液滴爆裂的動態(tài)變化。畫面幽默詼諧且清新明朗，使人不禁想起溫暖淳樸的童年，讓科學(xué)現(xiàn)象在鏡頭之中親切了起來。

4??活動評價

4.1??評價內(nèi)容與方法

采用現(xiàn)場觀察、半結(jié)構(gòu)化訪談及學(xué)生作品分析等質(zhì)性評價方法，評價學(xué)生在科學(xué)、藝術(shù)及其融合層面的學(xué)習(xí)目標(biāo)達成情況?，F(xiàn)場觀察在活動過程中完成，主要關(guān)注學(xué)生發(fā)言和活動參與情況;半結(jié)構(gòu)化訪談在活動后進行，參與者是隨機邀請的5名學(xué)生，包括2個開放型問題，即有哪些印象深刻的活動體驗以及對科學(xué)與藝術(shù)的關(guān)系如何理解;對學(xué)生作品從原理運用、畫面創(chuàng)意和作品介紹等角度進行分析。收集這些定性數(shù)據(jù)以評價學(xué)生的審美能力和對科學(xué)規(guī)律的掌握和應(yīng)用情況。

4.2??藝術(shù)層面的學(xué)習(xí)成果

在作品賞析環(huán)節(jié)，學(xué)生關(guān)于鑒賞“油層上綻放的彩色液滴”實驗視頻和照片的藝術(shù)性的發(fā)言表明，他們不僅關(guān)注了畫面的整體特征，還關(guān)注到畫面的構(gòu)成要素，體現(xiàn)了學(xué)生對美的感知力和鑒賞力。典型的回應(yīng)有：?“作品色彩鮮艷，比較有創(chuàng)意，與生活中美好的事物聯(lián)系起來了”“改變液滴的大小、數(shù)量和擴散方式形成了不同形態(tài)的動態(tài)美，像花朵盛開一樣。”

在自由創(chuàng)作環(huán)節(jié)，從學(xué)生的作品及介紹可以看出，他們在充分理解實驗原理的基礎(chǔ)上，將原理靈活運用在作品創(chuàng)作過程中。幾幅作品將實驗現(xiàn)象與生活中的水波、宏觀的宇宙、可愛的海獅等聯(lián)系起來。采用多種色彩搭配，不僅具有豐富的想象力，而且還生動清晰地表達了作品的寓意，充分展示了學(xué)生對美的鑒賞力、表現(xiàn)力和創(chuàng)造力。

4.3??科學(xué)層面的學(xué)習(xí)成果

原理探討環(huán)節(jié)和規(guī)律探索環(huán)節(jié)中，學(xué)生積極尋找實驗證據(jù)，利用證據(jù)和教師提供的資料推理得出，不同的表面張力和酒精的揮發(fā)共同影響著實驗現(xiàn)象，理解了“馬蘭戈尼爆裂”現(xiàn)象的原理，并運用控制變量法探究了液滴變化的規(guī)律。例如，一些學(xué)生在交流時發(fā)言：“混合液中酒精的比例變大之后，最后形成的小液滴分布范圍變廣了。這是酒精的表面張力比水小，隨著酒精濃度的增加，液滴的擴散范圍就會增大的緣故”;“水的比例越高，爆裂結(jié)束之后得到的液滴越大，數(shù)量越少。因為水的比例越高，表面分子的拉力就會越大，最終形成的液滴也相應(yīng)會大一些”。不少學(xué)生通過實驗發(fā)現(xiàn)，酒精濃度對爆裂液滴的大小、數(shù)量、擴散范圍有決定性影響，并嘗試用所學(xué)新知從微觀分子層面解釋原因。當(dāng)然，也有部分學(xué)生表示解釋規(guī)律對他們來說仍具有挑戰(zhàn)性，需要課下進一步理解和學(xué)習(xí)。

4.4??科學(xué)與藝術(shù)融合層面的學(xué)習(xí)成果

在活動中，學(xué)生不僅感受并鑒賞了科學(xué)美和藝術(shù)美，還能結(jié)合實驗原理和實驗探究得出的科學(xué)規(guī)律改變構(gòu)成要素，運用想象力和藝術(shù)技法創(chuàng)作獨特的藝術(shù)作品。在訪談過程中，學(xué)生描述了印象深刻的體驗，例如：?“當(dāng)我發(fā)現(xiàn)液滴滴入后并不是紋絲不動，反而形成了美麗的動態(tài)圖畫時，便產(chǎn)生了濃厚的探究興趣”“我經(jīng)常因操作不當(dāng)毀掉之前的造型而感到遺憾，但液滴又會擴散出更奇妙的圖案，也給人很享受的感覺”“我們在創(chuàng)作時將配好的溶液滴到油層上，在某一瞬間突然發(fā)現(xiàn)擴散中的三色液滴如同三朵花，中間還呈現(xiàn)漸變色，當(dāng)時就被科學(xué)形成的美給吸引住了”。在反復(fù)嘗試的過程中，學(xué)生敏銳地感知到了科學(xué)現(xiàn)象的震撼與豐富的美，體驗到了科學(xué)與藝術(shù)融合的魅力。

此次活動還加深了學(xué)生對科學(xué)與藝術(shù)關(guān)系的理解。學(xué)生對訪談的另一個問題“結(jié)合自己的活動體驗，你如何理解科學(xué)與藝術(shù)的關(guān)系”發(fā)表見解如下：?“科學(xué)給藝術(shù)發(fā)展注入動力，藝術(shù)豐富了科學(xué)的趣味性。科學(xué)和藝術(shù)融合的活動非常吸引我，讓我感受到科學(xué)和藝術(shù)都是追求美的”“科學(xué)與藝術(shù)相互關(guān)聯(lián)，科學(xué)讓藝術(shù)更有理性深度，藝術(shù)讓科學(xué)走進生活，科學(xué)與藝術(shù)都是承載對生活的探索與熱愛的媒介”?？梢?，在活動中他們切身感受到科學(xué)與藝術(shù)的緊密聯(lián)系，兩者相互促進也共同發(fā)展，都向往美、追求美與創(chuàng)造美，他們表示參加科學(xué)與藝術(shù)融合的活動很有意義。

5??結(jié)束語

科學(xué)與藝術(shù)對美的探究和追求讓兩者在審美方面交匯[9]?？茖W(xué)探究與藝術(shù)創(chuàng)作融合的活動讓學(xué)生在真實而愉悅的體驗中發(fā)展了自身的審美素養(yǎng)。這項活動存在的局限性在于，參與者是重點高中的優(yōu)秀學(xué)生，先驗知識、學(xué)習(xí)投入和創(chuàng)作熱情均可能高于平均水平。因此，本活動在針對不同學(xué)情的學(xué)生實施時，可能需要進行適當(dāng)?shù)母木?，為學(xué)生提供更多的支持和引導(dǎo)?？傊?，未來的研究值得繼續(xù)挖掘化學(xué)學(xué)科之美，開發(fā)更多注重學(xué)生實驗、科學(xué)探究和藝術(shù)創(chuàng)作過程的化學(xué)活動。

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