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神奇的饮水鸟
更新日期:2012-4-8    作者:罗洁华    编辑:admin    点击量:10564

应用玩具培养学生的创造力(上)

作者:刘炳昇 史慧敏    文章来源:教学仪器与实验   

案例:永动机不可能

——揭开奇异饮水鸟的奥秘

作者:刘炳昇  史慧敏

 

如图1所示的玩具,称之为饮水鸟,在饮水鸟旁的小碗中注水近满,再把饮水鸟的头按低,使其嘴喙插入至水中,片刻后释放,仔细观察出现的现象。


1

只见小鸟缓缓进入低头过程,振荡几下以后,低头到把嘴喙插入小杯的水中,然后抬起头来。不一会,它又低下头去,重复上述过程,往复不断地运动。

这一现象是十分吸引学生的,很容易激发起学生的好奇心。但在通常情况下,由于学生回答不了产生这种奇特现象的原因,因此好奇心得不到满足,动机也就很快消失。另一种情况是学生去问教师,教师把原理向学生通俗地解释一遍,学生作为一个接受者,听后,理解了它的道理,学到一些知识,但却失去了一个自我探索的机会,当然也就不能领会参与探索过程的乐趣及其中的科学方法。

为了创设学生探索活动的情境,首先必须对学生有所了解,针对学生的水平,提供适合于他们的创造平台。例如,对于一般高中的学生,可以把饮水鸟外表的漆全部除去,使学生能够清楚地看到它的内部结构,并给出较多的已知条件。这样饮水鸟就成为了一个系统科学方法上的“白箱”(即系统信息是完全明确的),让学生通过自学获得一定的准备知识后去解释自己观察发现的现象。如果对象是水平较好的学生,则可以把饮水鸟颈部玻璃管外的漆刮去,使学生通过这一“窗口”,搜集到部分的信息,然后再进行探索。此时,饮水鸟就成了一个系统科学方法上的“灰箱”(即只能得到系统的部分信息)。如果对象是相当优秀的学生,则可以使学生完全看不到饮水鸟的内部,让学生通过外部现象的观察来进行探索,此时,饮水鸟就成了一个系统科学方法上的“黑箱”(系统内部的信息完全不明)。在这三种情况下,解决问题的难度是不一样的,我们称之为问题的“解答距”不一样。

针对不同的学生设置不同的“解答距”,可以使每个学生在解决问题时都能得到相应的发展,也可以设置一连串解答距逐渐变化的问题,使学生既面临问题的挑战,又不致因问题过难而终止。

为了激发学生探究的动机,应当从深层次上使学生产生疑问。明确地告诉学生,这种玩具内部没有诸如电池、发条等的动力源,学生们就会思考,为什么饮水鸟会不停地运动?它是一种永动机吗?我们在学物理时,有一个最重要的观点,就是:能量不会无中生有,永动机不可能!但饮水鸟为什么会不停地运动?为了回答上面的问题,有必要进行深入地探究。

如果没有一定的知识基础,学生的探究活动也无法进行,因此,需要给学生一定的知识准备。对于水平比较好的学生,可以放手让他们自己去寻找信息源,对于能力水平较低的学生,则应给予更多的帮助。

 

[知识准备]

本课题涉及到的知识主要是物理学和哲学知识。具体有:

1.有固定转动轴物体的平衡条件:物体所受外力的合力矩等于零。静止的物体,如果合力矩不为零,就要发生转动。

2.毛细现象:物体中存在很细的管道或间隙时(称为毛细管),对物体浸润的液体就会沿毛细管上升,像吸水纸、毛巾之类的物体能吸水就是这种原因。

3.蒸发致冷:液体在汽化时,部分液体的分子变为气体分子,分子的能量变大,这种能量的增加是靠液体内能的减小来补偿的,因此蒸发时液体的温度要降低。

4.饱和汽:敞开容器中的液体表面要不断地向空气中蒸发,加盖后,随着蒸发的进程,封闭空间中汽的密度越来越大,到一定的程度达到饱和,即进入空气中的分子数与返回液体中的分子数相等,此时的汽称为饱和汽。饱和汽的性质与理想气体不同,饱和汽压的大小与气体的体积无关,随温度的升高(降低)而迅速地加大(减小)。像乙醚这种液体,饱和汽压随温度的变化特别灵敏。

5.能量守恒定律:能量不会无中生有,也不会有中变无,只能是由一种形态转变为另一种形态,或者由一个物体转入另一个(一些)物体中。永动机不可能实现。封闭的系统不可能走向有序。

 

[实践与研究]

为探索饮水鸟的奥秘,需要在观察和实验中解决下列问题:

①.见到哪些现象?想到了哪些问题?

②.想象出它的内部结构,并分析饮水鸟连续动作的原因。怎样思考的?根据哪些现象提出问题和作出假设?

③.能否用另一种方式的实验来验证我们提出的假说?最终的结论是如何得来的?

④.这种“机器”能否看成是一种永动机?为什么?

上述问题,不应和盘托出,教师采取的行动要适应学生的特定要求,要善于选择指导学生的时机和方法。鼓励学生自己提出问题和互相讨论。从如下一个学生的论文中可以看到学生的探究过程及其收获。

 

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