有效引導學生在課題研究中遞進發展——“探究礦泉水瓶能否引發火災”案例分析

何德強

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有效引導學生在課題研究中遞進發展——“探究礦泉水瓶能否引發火災”案例分析

何德強

摘 要：以研究性學習“探究礦泉水瓶能否引發火災”課題為例，闡述教師在物理研究性學習中有效指導課題研究的做法及其效果，為更好開展研究性學習提供相關范例。

關鍵詞：研究性學習；案例分析；課題研究；實驗探究

研究性學習是學生通過親身實踐活動獲得直接經驗(有時也在一定程度上參與知識的創造)，并在獲得直接經驗或參與知識創造的過程中養成科學精神和科學態度，掌握一定的科學方法，提高綜合運用所學知識發現問題、提出問題、判斷問題以及解決問題的能力，增強社會交往能力和團隊精神的一種學習活動。研究性學習課題的主要研究過程大致如圖1所示。

圖1

研究性學習為學生構建起一個自主、體驗、探究、合作、交往的平臺，教師在這個平臺中擔任組織者、引導者、合作者、學習者等多種角色，那么教師在學生研究性學習課題研究的過程中如何有效定位自己的角色、發揮自己的作用呢？下面以筆者指導的研究性學習課題“探究礦泉水瓶能否引發火災”為例，談談在推進該課題研究過程中的做法與體會。

一、引導學生將感興趣的問題變成可研究的課題 明確研究的目標和方向

研究性學習是具有問題性、開放性、主體性、綜合實踐性等特點的學習活動，愛因斯坦有句名言：“提出一個問題比解決一個問題更重要。”在物理研究性學習中，首先要解決的就是研究課題的提出。當學生還沒有明確的選題時，我們要鼓勵學生根據自己的生活和社會實際及個人的興趣、愛好、特長自主選擇和提出問題，盡量不要給學生設置條條框框，然后教師再引導分類和規范。

有一位學生家長看到一則有關礦泉水瓶引起火災和車輛自燃的報道，在與孩子分享后給孩子留下了疑問，學生便來問筆者其中的原因，筆者只做了凸透鏡相關知識的提示，見他還是將信將疑，則鼓勵學生確立一個研究性學習課題自主研究一下，筆者和學生一起搜索媒體資源，又發現了兩則類似的報道。于是在“課題提出”部分寫了以下內容。

看到兩則有關夏天礦泉水瓶引起火災和車輛“自燃”的報道，如圖2、圖3所示(圖片來自于網絡)，非常震驚，因為身邊很多人就有將礦泉水放在車里的不良習慣。

圖2　礦泉水瓶引起火災

圖3　由于礦泉水瓶引起汽車“自燃”

無獨有偶，早在多年以前就有類似報道。國際在線消息(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，因為這些瓶子可能因為在陽光下的聚光作用而釀成森林大火。（詳見：http://news.sina.com.cn/o/2009-06-12/182815780179s. shtml）

盡管事實如此，但很多人對此仍將信將疑，不少人會反問：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？

選好課題是活動成功開展的關鍵。學生開始接觸研究性學習時，可以由教師按學生的知識水平選擇合適的課題。隨著活動的不斷開展，學生的研究性學習達到一定層次時，應鼓勵他們自主選擇課題，因為選題的過程就是一個研究問題、思考問題的過程。教師指導學生進行課題可行性論證時，應充分尊重學生的選擇，即使有個別的課題存在疑問，在進行了適當的指導后，也不必苛求能夠馬上達成共識，切不可將自己的想法和建議強加于學生。我們可以期待學生在進入后期的研究后，如果能夠發現問題，再進行矯正，重新進入較為理想的研究狀態的話，對所有參與這一過程的學生而言，已經是一個莫大的收獲，這也許更貼近開設研究性學習課程的目標。

二、促進學生建立可行且有效的研究模型

研究課題一經確定，一般要規劃研究方案，對于具體的自然科學類的物理課題而言，非常重要的就是根據研究的對象、物理情景、研究目標以及自己的學識確定所研究課題對應的基本模型，以便進一步進行理論分析和探究論證。

學生的主要疑問集中在如下問題：裝滿水的礦泉水瓶是哪種光學元件？太陽光通過它的傳播規律是怎樣的？它有會聚作用嗎？我們如何論證它的這些規律和作用？首先引導學生根據自己所學尋求這些問題的答案。物理研究性學習不是無源之水，它的源頭應該還是要落腳到物理課堂教學，在此基礎上再鼓勵學生就近探究和拓展研究。學生在教師指導下在“理論分析”部分寫了以下內容。

凸透鏡是根據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，凸透鏡有會聚作用故又稱聚光透鏡，這都是我們中學階段所學過較為理想的球面薄凸透鏡，我們可以通過光路作圖解析它的聚光作用和成像規律。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）柱透鏡對光的匯聚作用如圖4所示，負（凹）柱透鏡對光的發散作用如圖5所示。

圖4

圖5

柱透鏡有與薄透鏡相似的性質，對于正柱透鏡來說，主截面如同凸透鏡，平行于主截面的光通過截面EAGB后，會聚于一點，平行于軸的截面如同平板玻璃，對光無匯聚或發散作用。綜合起來，就會形成如圖4所示的匯聚效果，平行光通過正柱透鏡不是會聚于一點，而是一個聚光區F1F2，稱之為焦距帶。那么具體到哪個位置去找這個焦距帶呢？

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

圖6

結合上述推導，圖7是用幾何畫板軟件結合光在水中的折射（折射率為1.33）繪制的經過截面為圓形水瓶的光的會聚效果圖，在實驗中我們不難找到這個最亮的聚光區，這說明以裝滿水的礦泉水瓶被看作柱透鏡討論相關問題是合理的，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，而且每部分光都經折射后匯聚于焦點，焦點處能量會更高。

圖7

從描述中不難看出，很多知識都超出了高中物理教科書的范圍，這種研究性學習改變了學生在原有的教育、教學條件下所形成的偏重記憶與理解，立足接受教師知識傳輸的學習方式，幫助他們形成一種主動探究知識，重視解決實際問題的積極的學習方式。研究性學習徹底改變了我們以往那種以“教師、書本、課堂”為中心的教學模式，轉為以“學生、活動、社會”為中心的教學模式。在探究過程中，作為教師也需要和學生一樣了解、學習、研究。

三、鼓勵學生在研究過程中積極試驗、主動求證

物理研究性學習這種基于問題和探究任務的方式，迫使學生提出問題，收集材料，對研究課題進行探索、分析、研究，在實踐操作中培養學生科學態度、價值觀、創新精神、創新思維、創造能力，掌握科學研究的一般的基礎的方法，提高實踐操作、解決生活中與物理學習相關的實際問題的能力。作為實驗科學的物理研究性學習是實踐性很強的學習，其中充滿樂趣也極富挑戰性，學生要想體會到該“如何做”，就必須親自去做。學生在“實驗探究”部分寫了以下內容。

瓶的材料在得到瓶透鏡匯聚能量的同時也有一些因素在不斷“帶走”能量，例如：液體顏色對折射光的選擇性，液體的吸熱能力，環境對流、被照射物體的材料反光也會向外輻射能量等。當被照射材料為黑色或者深色時，在每個很短時間內，當被照射物體會聚能量的速率都大于帶走能量的速率時，被照物體上就會不斷聚積能量而升溫，當溫度上升到物體的燃點時，物體有可能被點燃。這就需要在實驗時有意識地控制相關變量以獲得顯著的實驗效果。

實驗一：將枯樹葉放在瓶透鏡焦距帶，大約8分鐘發現枯樹葉有部分被烤焦（如圖8所示）。

圖8

實驗二：在同一地點讓太陽光通過不同裝滿水的塑料瓶，用同一個光強照度計粗略測量各瓶透鏡焦距處的光強（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，通過光強照度計示數不難得出：半徑較大的乙瓶聚光本領較強，球形瓶透鏡比柱形透鏡聚光本領強。

圖9

實驗三：讓太陽光通過近似球形的瓶透鏡會聚在棕黑紙上，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，這樣通過萬用表測出熱敏電阻的阻值變化（熱敏電阻為NTC熱敏電阻），從而可以測出被照射棕黑紙的溫度變化；同時用紅外線測溫儀測出環境溫度（由于紅外測溫儀很容易受環境溫度影響，多次實踐覺得用它測量被照射黑紙溫度誤差很大，所以只用它測量環境溫度）。圖10是根據實驗記錄數據做出的曲線。

圖10

為了盡快獲得預期的實驗效果，實驗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，從實驗數據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損失能量的速率的，但隨著溫度越來越高，升溫的趨勢逐漸減弱，這可能是被測物體與環境溫差越大它向外輻射能量也會越多的緣故。

通過上述實驗與分析無可辯駁的證明，裝滿水的礦泉水瓶是完全可能引發火災的。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弓形，弓形截面對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，越是呈球形裝滿水的礦泉水瓶越危險。

學生在研究學習中自主、獨立地發現問題、提出問題，設計研究問題的方案，通過實驗、操作、合理改進、搜集與處理信息，解決問題，逐漸形成基本正確的研究思路和研究過程。這是傳統課堂學生用單一的教材和幾套練習資料進行機械式的思維訓練和拓展所難以做到的。

四、激勵學生在探究求證后觸類旁通、學以致用

學生通過自主探究對心中的疑問有了結論后，教師要激勵學生將這些探究成果與實踐生活相結合，不僅實現知識的內化、活化，將間接經驗轉化為直接經驗。而且要培養學生進一步探索未知世界的精神、主動求知的精神和創新意識。并盡可能努力開拓未知的領域。這樣學生可以逐步形成在日常生活中喜愛質疑、樂于探索、努力求知的心理傾向，激發探索和創新的積極欲望。學生在課題的“應用與建議”部分中寫了以下內容。

為了活學活用，提如下建議：

(1)為了保護環境，減少火災隱患

平時要多使用不透明耐高溫且環保材質的水杯，盡量不要把裝有水的透明杯子和瓶子留在車內、風景區或者陽光較強的地方，尤其不能在森林、加油站等易燃易爆物質附近亂丟有水的礦泉水瓶，應該將礦泉水瓶中的水喝完（節約用水），并將瓶壓扁后扔在垃圾桶內或者背光儲存，以免引起火災。

(2)為了拓展應用上述探究成果

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

圖11　通過球透鏡利用太陽光取火

五、結束語

經過課題研究，學生可以發現物理學習的趣味性、實用性、方法性、科學性，也從探索的成功中發現了自己的能力和特長，并在以后的學習中，表現得更有信心、耐心和恒心。

參考文獻

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作者信息

何德強，本科，中教高級。北京市第八十中學，100102