指向科學探究的物理綜合實踐活動的研究
——綜合實踐活動“制作醫用冷藏盒”走進課后延時服務

張海軍

(江蘇省海安紫石中學 226600)

1 引言

綜合實踐活動在培養學生學科素養和關鍵能力中的作用以及用綜合實踐活動充實延時服務的內容.

初中物理核心素養和關鍵能力包括“科學觀念”、 “科學素養”、“科學探究”和“科學態度”等四個方面.學科活動是學科核心素養形成的主要途徑，學科活動包括實踐活動和認識活動兩個方面，實踐活動是認識活動的基礎，實踐活動決定認知活動的產生和發展，實踐活動也是檢驗認識活動的標準.綜合實踐活動以學生的自主學習和探索學習為基礎，從生活和社會中確定課題，通過親身實踐，強化科學觀念，鍛煉科學思維，培養科學探究能力，形成科學態度和責任感.綜合實踐活動的開展具有很強的開放性，其內容與學生的生活密切相關但又往往表現為沒有現成的答案以及答案的不確定性，綜合實踐活動從一個話題開始但隨著新活動的不斷展開，新的問題、新的目標將會不斷生成，學生的認知和體驗不斷深入，創造性的話題不斷呈現，這就是綜合實踐活動的不斷生成性.課后延時服務給了學生更多的參與綜合實踐活動的機會，讓學生在活動中不斷提升自身的科學素養和關鍵能力.蘇科版初中物理教材中設置了9個綜合實踐活動，筆者以“制作醫用冷藏盒”談談“指向科學探究的物理綜合實踐活動的開發和研究”.

2 綜合實踐活動：制作一個醫用冷藏盒

2.1 該綜合實踐活動的背景

2.1.1為救治病人，急需將一種藥品送到偏遠的山村.這種藥品要求在0℃以下存放.由于山高路遠、氣溫較高，所以常用的保溫瓶不能滿足運輸途中保持低溫的要求，請利用常用器材設計出符合要求的“醫用冷藏盒”.

2.1.2學生具備了一定的生活經驗，掌握了一些降溫的方法，了解了一些材料的物理屬性，具備一定的科學探究能力.

該實踐活動有現實意義，且學生有能力參與.

2.2 該綜合實踐活動的推進過程

(1)問題分解，找出達成目標所要解決的問題；

(2)尋找解決問題的思路和方法；

(3)實踐操作，發現新的問題或者可以提升的空間；

(4)進一步優化和提升；

(5)向應用推進，使發明和發現能用于現實社會，或者提出向應用推進的優化建議.

2.2.1 問題分解，找出達成目標所要解決的問題

制作一個符合要求的醫用冷藏盒，需要解決的問題有：如何獲得低溫，如何保持低溫.

2.2.2 尋找解決問題的思路和方法

學生分成兩小組，一組負責尋找獲得低溫的方法，一組負責解決如何保持低溫.先看第一組學生的活動推進過程.甲同學提出：可以用冰塊吸熱獲得低溫，乙同學提出：冰塊制冷可能較難獲得0℃以下較低的溫度，建議用干冰升華來獲得低溫.另外一組學生認為應該想辦法隔熱才能讓保溫瓶保持低溫，于是他們分頭尋找隔熱性比較好的材料.

2.2.3 實踐操作，發現新的問題或者提升的空間

第一組的同學經過商量決定利用干冰升華來獲得低溫，干冰可以從酒店獲得.將50g的干冰投入到盛有100g 25℃的水的保溫瓶中，1分鐘測得水溫為4攝氏度，2分鐘水完全結成冰，3分鐘保溫瓶內溫度降到在零下10℃，4分鐘保溫瓶內溫度仍然為10℃，停止測溫.大家都很滿意干冰獲得低溫的效果，集中討論偏遠山村獲得干冰的方法，偏遠山村即使有酒店也不一定有干冰，如何獲得干冰成為同學們面臨的又一個問題.就在這時保溫瓶蓋嘭一聲飛了出去，嚇了所有人一大跳.怎么回事？大家一商量就得出了結論：干冰升華變成二氧化碳氣體增加了保溫瓶內氣體壓強，二氧化碳氣體將瓶塞推了出去發出了巨響.如何防止這種現象再次出現？這一實驗引出了兩個新的問題.第二小組的同學找到了泡沫、多孔海綿、棉絮等材料，分別將這三種材料塞滿冷藏盒與保溫瓶之間的空隙，將100g的冰塊放入保溫瓶，在保溫瓶蓋上鉆個孔將溫度計感溫部件插入保溫瓶中，蓋好蓋，60分鐘后，讀出溫度計示數分別為2℃、6℃、8℃，120分鐘后讀得溫度計示數分別為8℃、16℃、17℃，由此可見：隔熱性能最好的是泡沫.但同學們發現隨著時間的推移保溫瓶內的溫度越來越高，看來泡沫也不能隔絕熱傳遞，那如何保持保溫瓶內溫度保持0℃以下且基本保持不變呢？

2.2.4 進一步優化和提升

兩組同學都遇到了不同的問題，第一小組的同學發現，干冰能夠獲得較為理想的低溫，但帶來兩個問題，那用冰能不能達到干冰升華制冷的效果呢？同學們從冰箱冷藏室中拿出一塊191g的零下18℃的冰袋放入保溫瓶中，向保溫瓶中注入200g 25.7℃的水(模擬放入的藥品)，蓋好蓋子，每隔5分鐘讀溫度計的示數，讀得的溫度計的示數分別為14.1℃、11.7℃、9.1℃、8.3℃、7.5℃、7.0℃、6.4℃、5.8℃、5.7℃、5.8℃.由溫度計示數可以看出，低溫的冰沒能將保溫瓶內溫度降到0℃以下.如果要得到更低的溫度，冰的數量要更多.看來冰可以制冷，但要獲得0℃以下的低溫，冰的效果不算太好.大家經過商量覺得應該還是想辦法用干冰升華來制冷.那怎么解決遇到的兩個問題呢？大家感覺現有大家的經驗和經歷無法解決這個問題，困惑中，有同學提出可以上網搜索，經過搜索，大家還真獲得了一種制取干冰的方法：用一個粗布袋套在裝有二氧化碳的滅火器的噴口上按下閥門，大量的二氧化碳從噴嘴噴出，一陣大量的白霧噴出后，打開布袋就可以看到白色的干冰.大家試了一下果然獲得了一些干冰.那如何解決一段時間后，由于二氧化碳氣體的增多而使保溫瓶內壓強過大的問題呢？當然可以通過定時通氣減壓來防止壓強太大，但這務必會降低冷卻效果.另一小組的同學經過商量發現要保持溫度基本不變，一方面可以盡可能選用隔熱性能比較好的材料之外，還可以不斷制冷.兩組同學合并在一起共同商量“如何能夠持續制冷”.干冰制冷又帶來了一個新的問題“如何讓干冰能夠持續緩慢升華制冷”，干冰在常溫下升華很快，很難做到緩慢升華.這時有同學提出：可不可以尋找到更好的制冷的方法.同學們查資料、咨詢老師，功夫不負有心人，有同學從老師那邊得到一種方法：用硝酸銨溶解于水可以獲得低溫.同學們進行了如下操作：向保溫瓶中注入100g的水，然后向其中加入20g的顆粒狀硝酸銨，5分鐘后保溫瓶內溫度為2.2℃適當攪拌后溫度降為1.1℃，但維持時間很短，原因可能是環境溫度較高，再加入20g硝酸銨，稍加攪拌，溫度計示數變為-0.8℃,再加入20g硝酸銨，稍加攪拌，溫度計示數變為-2.0℃，再加入20g硝酸銨，稍加攪拌，溫度計示數變為-4.2℃,再加入20g硝酸銨，稍加攪拌，溫度計示數變為-5.4℃.實驗獲得成功，而且同學們還發現加入硝酸銨的多少會直接影響保溫瓶內的溫度，這樣就可以通過改變硝酸銨量的多少來控制保溫瓶內的溫度.

2.2.5 向應用推進，使發明和發現能用于現實社會，或者提出向應用推進的優化建議同學們利用常用的器材制作了一個簡易冷藏盒(如圖1、2)，最外層為學生從家帶過來的收納盒，上為插入式溫度計，內為泡沫，底部為雙層泡沫.

圖1 圖2

實踐過程1：

向盒中裝250g、25℃的水，加入100g顆粒狀硝酸銨，輕搖冷藏盒(模擬運輸過程中的晃動同時也起到加快硝酸銨溶解于水)，溫度計示數變為20.2℃，繼續加入100g硝酸銨，溫度計示數變為16.1℃，繼續加入100g硝酸銨，溫度計示數最低降為10.3℃，繼續加入100g硝酸銨，溫度計示數降為8.6℃，繼續加入100g硝酸銨，溫度計示數為8.5℃，溫度計示數變化不大，繼續加入100g硝酸銨，溫度計示數仍為8.5℃，溫度計示數不再變化.為什么呢？打開蓋子，大家發現水中仍然有大量的硝酸銨顆粒，請教老師后才知道，當硝酸銨溶液變成飽和溶液后硝酸銨將不再溶解于水中.同學們經過激烈的討論和論證后，決定先用冰塊來降溫然后再用硝酸銨來降低溫度和保持溫度.

實踐過程2：

向盒中裝250g、25℃水，加入200g的冰袋，10分鐘后溫度降為6.5℃，加入100g顆粒狀硝酸銨，輕搖冷藏盒，溫度計示數變為1.6℃，繼續加入100g硝酸銨，溫度計示數變為-3℃，繼續加入100g硝酸銨，溫度計示數最低降為-5.9℃，后來穩定在-4℃.

該方法可行，可以適當增加硝酸銨的數量來延長保持-4℃的時間.

實踐反思：冷藏盒內沒有放入所需儲存的藥品，如果放入藥品，實際效果可能會降低一些，可以通過調節冰塊的數量和硝酸銨的數量來達到預期溫度要求.水的數量要控制好，太少了，硝酸銨溶液易飽和，太多了容易溢出.該盒的密封性還要再做改進.

繼續優化：

同學們結合實踐中發現的問題對原冷藏盒進行了改進，希望能達成更好的效果或者能推向社會.

冷藏盒結構如圖3：

圖3

①收納盒②泡沫板③導熱隔板④溫度計⑤儲存硝酸銨的盒子(下端有下開的閥門)⑥儲水盒

使用方法：

將適量的水放入⑥，將冰塊放入冷藏盒中間，將硝酸銨放入⑤，將藥品放入冷藏盒中間位置，蓋好蓋子，根據溫度計示數適時打開⑤的底部開關放入適量的硝酸銨.

總之，在今后的教學中可以結合學生的實際設計出更多的實踐活動，如制作彈簧測力計、天平、體重計、彈力車、調光燈、密度計、新能源照明燈等等，豐富學生的課后延時服務時段的生活，在活動中提升學生的學科素養和關鍵能力.