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初中科学注射器系列实验设计实施

2019/09/03 阅读:

摘要:注射器因其“气压可调”和“体积可度量”的特点,在中学科学实验中发挥着独特的作用.基于《义务教育初中科学课程标准(2011版)》和浙教版《科学》教材,设计了估测大气压、吸烟的危害与多用土炮的注射器系列实验,分析了教学实施效果,并介绍了系列实验设计的思路.

关键词:注射器;实验设计;教学实施

实验教学是物理教学的重要组成部分,也是落实课程目标,全面提高学生科学素养的重要途径[1].其中,利用常见仪器进行教学材料的二度开发是有效方法之一.注射器虽然是一种普通的医疗器械,但在中学科学实验中发挥着独特作用,已越来越受到广大科学实验工作者的钟爱.本文从注射器“气压可调”和“体积可度量”两个特点出发,基于《义务教育初中科学课程标准(2011年版)》(以下简称课程标准)和浙教版《科学》教材(以下简称教材),设计了注射器在初中科学教学中的系列实验,并分析了教学实施情况[2,3].

1估测大气压

1.1背景分析

对于学生而言,大气压虽然处处存在于日常生活中,但恰因过于常见,导致学生对大气压的认识处于模糊状态.为了帮助学生建构大气压存在及大小的相关认知,课程标准要求学生通过实验认识大气压的大小,并建议用实验估测大气压的大小.但教材删去了托里拆利实验,在“大气压的大小”模块仅介绍了空盒气压计和水银气压计两种测量工具,如图1所示,而学生在作业评价中经常涉及利用注射器进行大气压估测的练习.为解决这些矛盾,有必要设计操作性强的大气压估测实验,让学生通过设计与实施实验,思考并测量大气压的大小.图1浙教版教材内容

1.2实验设计

在上述背景下,笔者设计了如图2所示实验装置,利用注射器(5mL)和两个弹簧测力计(10N)、刻度尺、铁质T型钩、细线和橡皮帽等材料相配合进行实验.在这个实验装置中,注射器(5mL)所承受的大气压力(一个标准大气压下)约为12N,因此需要两个量程10N的测力计.连接好如图2所示的装置,先后两次拉动注射器活塞,第一次拉动活塞,测量活塞与注射器壁的摩擦力,记录测力计的示数之和为F1.在第二次测量前,首先排尽注射器内空气,再用橡皮帽堵住注射器小口,慢慢往外拉动活塞,测量摩擦力与大气压力之和,记录测力计示数之和为F2;两次示数之差F2-F1即大气压力F.然后用刻度尺量出注射器的长度L,体积V即注射器的容积,体积与长度之商VL即为活塞的表面积S,根据:

1.3教学实施分析

在八年级学生第一学期学习大气压章节时,笔者与合作教师开展了相关学习活动.在课堂引入部分,让每个实验小组把注射器的活塞推至注射器底部,并用橡皮帽堵住注射器的小孔,然后用另一只手去拉活塞,发现需要较大的力才能拉动,且松手后活塞又被压回筒内.在教师引导下,学生开始思考是什么力量将活塞压回去及如何测量这个力等问题.学生的投入状态被激发,教师顺势而为,让学生根据事先设计的思维导图(图3),以组内合作,组间竞争的方式,开展估测大气压的学习活动.注射器估测大气压的教学活动有利于学生将科学知识技能、科学推理思维方法等融于一体,其教学实施过程呈现以下功能特点:(1)完成大气压部分的课标及教学要求,帮助学生更深入地建构大气压的存在及大小的认知.(2)在活动过程中,利用思维导图与教师的引导作为学习支架,帮助学生厘清问题研究的焦点与进程,部分学生呈现出高投入的学习状态,教学进程顺畅.(3)在教学过程中,学生思维呈现发散趋势.如在测量改进部分,学生针对误差来源,提出不一样的解决思路,例如有人建议用数字化测力计代替弹簧测力计做到精准测量,也有人提出解决读数不稳定的问题时可以利用乐高小车编写程序,实现匀速直线运动,从而测量示数.值得说明的是,本实验设计部分思维含量较高,但在实验实施部分,需要用到的材料较多,尤其在固定注射器等操作层面,需要教师事先准备好KT板等材料并掌控课堂秩序.在实验实施环节,笔者建议在实验活动分析完成后,分发材料施测,以保障课堂秩序.

2吸烟的危害

2.1背景分析

教育的核心旨在于立德树人,无论是三维目标还是核心素养,都强调培养与促进学生的思想道德素养、科学文化素养、健康素养[4].因此在科学教学中利用好课程资源去落实这一目标是非常重要的.课程标准明确要求学生不吸烟,不酗酒,形成健康的生活方式,并且知道良好的生活习惯是健康的保障.教材在九年级下册第三章第6节中安排了“吸烟危害健康”的内容,并设置了探究活动,主题是“香烟的烟雾对小白鼠的影响”,如图4所示.此实要求用香烟烟雾和小白鼠等进行长周期对照实验,来探究烟雾对小白鼠生命活动的影响.虽然教材设置的实验符合课程标准的要求,但在日常教学中,此实验对实验资源以及教师的掌控能力提出的要求较高,导致许多教师在教授这一部分内容时,往往只是一言带过,不多加引导.而根据中国疾病预防控制中心发布的《2014中国青少年烟草调查报告》显示,中国吸烟者超过3亿,并有7.4亿非吸烟者遭受二手烟危害,《中国烟民市场状况调查报告》指出烟民平均吸烟量为每日17支,并且大多数烟民形成于青少年(14~22周岁)阶段[5].可以想见,国民吸烟状况十分严峻,笔者认为这背后一部分原因应归咎于基础教育阶段时期的健康教育,换言之,我们对青少年的健康教育不够.因此,在“吸烟危害健康”这部分内容中,如何通过注射器气压可调、体积可度量等特点设计相关实验来模拟吸烟的危害是笔者思考的重点.

2.2实验设计

在这一节内容教学中,不宜直接向学生空口描述吸烟的危害,需要基于证据与实验.因此,笔者设计了如图5所示的实验装置,将吸烟的危害可视化.此装置利用注射器(100mL)、橡皮管、香烟、棉絮、火柴和热胶枪等材料配合来工作.连接好图示装置,通过热胶枪将注射器与橡皮管密封相连.在橡皮管中塞入一小团棉絮,此时橡皮管模拟的是气管,注射器模拟的是肺.将香烟与橡皮管相连,用火柴点燃烟头,往外慢慢拉动活塞.此时注射器内气压低于外部气压,通过创设低压环境,将香烟烟雾压入注射器内.图5吸烟的危害实验装置

2.3教学实施分析

在教授这部分内容时,合作教师进行了教学效果观测.在教学过程中,教师通过适当引导,让学生观察实验现象:当烟雾贮满100mL的注射器时,香烟只燃烧了约十分之一.并将烟民日均吸烟量数据以PPT的形式呈现,学生通过推算可知普通烟民一天吸17支烟,产生的烟雾量是巨大的.随后,教师引导学生将橡皮管中的棉絮取出,可发现棉絮发黄明显,如图6所示,学生在看到这个现象之后,非常惊讶并议论.从这些现象中,可以判定取得了一定的教学效果.进一步反思吸烟的危害教学过程,归结了该实验教学的3个特点,并就第3点开展了课后延伸活动.图6发黄棉絮(1)实验现象明显,对比清晰,情感震撼实验过程中产生了两处对比,一处是从橡皮管中取出的发黄的棉絮与原始的白棉絮对比,可让学生产生吸烟的危害既视感;另一处则利用了注射器体积可度量的特点,学生通过对比香烟的燃烧量(约0.1支)与产生的烟雾体积(100mL),倒推吸1根乃至17根香烟,产生的烟雾量大小,从而从量的角度直观体会吸烟给人体带来的巨大危害.(2)取材简单,学生参与度强本实验选用的材料简单易得,在学校实验室中都可取得,降低了探究实验的难度;此外,通过教学观察发现:学生在参与这个实验时,兴致高昂,反响热烈(图7).(3)实验可拓展,课外可延伸注射器中的香烟烟雾还可用于继续探究香烟烟雾对生物的影响(例如金鱼),为香烟烟雾的后续处理提供新思路.根据这个思路,学生将注射器中的香烟烟雾注射到养金鱼的水中,并设置对照组,周期性地观察香烟烟雾对金鱼生命活动的影响,从而达成与教材用小白鼠进行探究实验“异曲同工”的效果.在延伸实验活动中,学生对这类实验表现出极大的热情与极高的参与度(图8和图9).

3多用“土炮”

3.1背景分析

在学习热机工作原理时,四冲程是教学的重难点,但教材在设置这部分内容时,没有安排活动帮助学生建构做功冲程概念(图10).而在作业评价中,做功冲程等概念经常作为考查的难点出现.热机四冲程尤其是做功冲程是十分抽象的概念,如无实验支持,会给学生理解热机做功和功能关系转化带来困难.此外,在实验教学和作业评价中,教师经常会强调熄灭酒精灯时应用灯帽盖灭,不能用嘴吹灭,但许多学生甚至教师不知为什么不能用嘴吹灭(图11).原因在于用嘴吹可能会使火苗顺着棉线吹向酒精灯内部,酒精灯内部是空气与乙醇的混合气体,遇到火苗易产生爆炸的危险.因此,通过注射器可营造高压环境的特点,对这些概念用实验的方式进行深层次建构,是笔者思考这个问题的出发点.

3.2实验设计

为了实现实验现象从“无”到“有“,笔者设计了一个简易“土炮”装置,如图12所示.该装置利用注射器(10mL)、点火器、细绳、乙醇、棉签、橡皮帽、电烙铁和热胶枪等材料相配合组装而成.在该实验中,注射器具有“炮筒”的作用.如图12所示装置中的点火器是打火机中用于点火的装置,利用电烙铁与热胶枪将注射器与点火器组装在一起,并用橡皮帽堵住注射器口.为保障安全,在注射器头与尾处用细绳相连.用蘸过分析纯乙醇的棉签在注射器壁上涂抹一周,并用捂热法让乙醇气体挥发,与空气充分混合.此时按下点火器,即可点燃乙醇与空气的混合气体,产生火花,活塞被猛烈地推出注射器,并伴随巨响.笔者设计的“土炮”实验,不仅能够通过眼睛观察,而且还能通过耳朵听到声音,给学生留下深刻的印象,对知识的掌握会很牢固.在本实验中,同时也要充分考虑安全问题,防止造成人身伤害.

3.3教学实施分析

初中生对于新奇的现象充满好奇,根据皮亚杰的认知发展理论,其认知水平仍处于形式运算阶段的初期.因此,教学仍要以实验手段为主,促进其认知水平发展,学生通过亲身感受,可以在脑海中留下深刻印象,深度建构有关认知.土炮实验不仅可用于模拟做功冲程过程,也很好地说明酒精与空气混合后,遇到明火的危险性.在热机四冲程教学中,教学难点在于理解四冲程的功能转换关系,教师可以演示土炮实验模拟做功冲程过程,并辅以实验慢动作视频,学生可以看到发射过程中的火花,从而更加顺畅地理解能量转换的过程.同样,在接触酒精灯的实验中,教师可以将土炮演示实验或者慢动作视频回放作为教学环节的组成部分,向学生说明酒精与空气混合后,遇到明火的危险性,因此不能用嘴吹.本实验设计兼具实用性与趣味性,存在许多优点:(1)该装置简单易得,成本低廉;(2)实验现象震撼,易激发学生的兴趣;(3)通过实验现象分析或者慢动作视频回放可以建构对做功冲程过程与酒精灯不能用嘴吹灭的深入理解.

4结束语

上述注射器系列实验设计隐含了两条线索,一条是注射器本身器材的明线,另一条是注射器气压可调的暗线.当注射器中气压接近真空时,可以进行大气压的估测实验,为低压时,可以做吸烟的危害实验,为高压时,可以制成简易“土炮”装置,同时利用体积可度量的特点实现量的控制和体积变化的对比.在教学实施中,每一个设计可以作为各自部分的教学材料,将3个设计组合在一起则可以开展有关注射器的复习课.值得说明的是,在设计一类器材系列实验时,笔者遵循的逻辑是:从日常教学与作业评价中关注同一类器材的出现频次,并分析其常见的原因,原因通常与器材本身的设计特点有关,如注射器常见的原因在于其“气压可调”和“体积可度量”两个特点,然后对照课程标准与教材来寻找教学中的痛点,结合器材特点进行实验的二度开发.在教学实施过程中融学科知识技能、思维方法、观念精神等于一体,渗透立德树人理念,以实验效果引而不发为宜.

参考文献

1杨万琴,马静,张轶炳.注射器在与真空度相关实验中的应用及原理分析.物理通报,

2017,36(11):82~852中华人民共和国教育部.义务教育初中科学课程标准(2011年版).北京:北京师范大学出版社,2011

3朱清时.义务教育课程标准实验教科书•科学(八年级上,九年级上,九年级下).杭州:浙江教育出版社,2013

4田慧生.落实立德树人根本任务全面深化课程教学改革.课程•教材•教法,2015(1):3~8

5刘砚青.三亿烟民的戒烟难题.芳草(经典阅读),2015(16):34~35

作者:冯达 方涛 单位:浙江省杭州滨和中学

初中科学注射器系列实验设计实施

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