“瓶子吞雞蛋”探究式教學(xué)設(shè)計(jì)的思考

段華蘭 柳福提

摘 要：在新課程改革理念指導(dǎo)下，以瓶子吞雞蛋實(shí)驗(yàn)為例，進(jìn)行情景設(shè)置，引導(dǎo)學(xué)生探究原因，驗(yàn)證并解釋結(jié)論。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行探究式教學(xué)設(shè)計(jì)來闡述探究在科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，倡導(dǎo)科學(xué)教學(xué)方式與學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：瓶子吞雞蛋；科學(xué)探究；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）7-0030-2

在新一輪基礎(chǔ)教育課程改革中，科學(xué)教師面臨著開發(fā)課程資源，進(jìn)行探究式教學(xué)的挑戰(zhàn)?？茖W(xué)教學(xué)中如何讓學(xué)生主動(dòng)參與、樂于探究、勤于動(dòng)手成為教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中思考的首要問題。在一次聽課的時(shí)候，有一位科學(xué)教師成功地完成了瓶子“吞”雞蛋的演示實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)器材為：集氣瓶、棉球、酒精、煮熟去殼的雞蛋、打火機(jī)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1[1]。實(shí)驗(yàn)步驟是先在瓶底鋪一層細(xì)沙，把浸有酒精的棉球點(diǎn)燃，放入瓶內(nèi)，再把煮熟的雞蛋剝了殼后放在瓶口，把瓶口堵?。u蛋略大于瓶口），棉球慢慢熄滅，最后發(fā)現(xiàn)雞蛋被瓶子“吞”了進(jìn)去。該實(shí)驗(yàn)取材容易，現(xiàn)象明顯，新奇有趣，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，很好地達(dá)成了教學(xué)目標(biāo)。接下來老師問學(xué)生：是什么原因?qū)е码u蛋被吞了進(jìn)去？有學(xué)生解釋道：因?yàn)槊耷蛉紵牡羝績?nèi)的氧氣，使瓶內(nèi)壓強(qiáng)減小，在大氣壓的作用下，雞蛋最后被壓入瓶中。這一解釋看似合理，其他很多學(xué)生也很贊成，在很多地方也有類似的解釋。但稍作思考，就會(huì)發(fā)現(xiàn)問題。此時(shí)，老師為了完成后面的教學(xué)計(jì)劃沒有作其他解釋，就跟學(xué)生說要想知道答案就得好好學(xué)習(xí)科學(xué)，這也可能是老師故意設(shè)置懸念。實(shí)際上，學(xué)生錯(cuò)誤的解釋就是探究式教學(xué)設(shè)計(jì)的最佳切入點(diǎn)。我們可以充分利用學(xué)生的錯(cuò)誤概念，進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究，形成科學(xué)解釋，實(shí)現(xiàn)探究式教學(xué)。下面對我們的探究式設(shè)計(jì)的思考進(jìn)行簡單介紹，希望能起到拋磚引玉的作用。

1 瓶子吞雞蛋原因的討論

瓶子能夠把雞蛋吞進(jìn)去，瓶內(nèi)壓強(qiáng)肯定減小，但不是由于燃燒消耗氧氣所致。不能直接告訴學(xué)生答案，而是從學(xué)生的解釋出發(fā)，進(jìn)一步展開討論和實(shí)驗(yàn)不斷否定原來的錯(cuò)誤觀念，讓學(xué)生主動(dòng)參與探究，得出合理解釋。這一過程富有科學(xué)探究的思想與精神，對科學(xué)教學(xué)很有幫助與啟發(fā)。

1.1 證明不是氣體減少導(dǎo)致壓強(qiáng)減小

以燃燒酒精棉球?yàn)槔谌紵^程中，雖然消耗了氧氣，卻要產(chǎn)生二氧化碳和水蒸氣，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式：C2H5OH+3O2→2CO2+3H2O，可以知道，產(chǎn)生得到的二氧化碳和水蒸氣的體積比消耗的氧氣體積要大（相同的壓強(qiáng)與溫度下）。如果燃燒的是木炭或紙片，燃燒充分的話，化學(xué)式為C+O2→CO2；如果燃燒不充分的話，化學(xué)式為2C+O2→2CO。由此可以看出，消耗多少氧氣，就會(huì)產(chǎn)生同樣多的二氧化碳或更多的一氧化碳，氣體分子數(shù)目增多了，壓強(qiáng)不是減小而應(yīng)該是增大。所以，壓強(qiáng)減小不是因?yàn)槿紵牡粞鯕狻?/p>

該觀點(diǎn)還可以用如圖2的實(shí)驗(yàn)證明。把帶活塞的兩個(gè)集氣瓶用導(dǎo)管相連，其中一個(gè)集氣瓶裝滿水，把一塊燃燒的木炭放在另一個(gè)充滿空氣的集氣瓶里，密封好，在木炭燃燒的時(shí)候（由于時(shí)間短，瓶內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱量還來不及傳遞出去），觀察導(dǎo)管里面的水位如何變化，從而判斷燃燒是否使氣體總量減少。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在燃燒的時(shí)候，導(dǎo)管里面的水位沒有變化，瓶內(nèi)的氣體沒有減少，證明前面的分析是正確的。

1.2 證明是溫度降低導(dǎo)致壓強(qiáng)減小

那究竟是什么原因?qū)е码u蛋被吞了進(jìn)去？觀察仔細(xì)的學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)木炭燃燒熄滅后，導(dǎo)管里面的液面升高甚至?xí)蜃髠?cè)集氣瓶移動(dòng)，即說明左側(cè)瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)在減小，學(xué)生提出可能是左側(cè)集氣瓶的溫度降低的原因。我們設(shè)計(jì)另一個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該假設(shè)，把瓶內(nèi)放入燃燒的棉球改為倒入一些沸水，同樣把雞蛋放入瓶口，隨著沸水不斷地冷卻，雞蛋慢慢滑入瓶里。這時(shí)大家便茅塞頓開，恍然大悟，確信雞蛋被瓶子吞進(jìn)去是因?yàn)槠績?nèi)溫度下降導(dǎo)致氣壓減小。當(dāng)然，還需要尋找理論根據(jù)來進(jìn)行解釋：把瓶內(nèi)氣體作為研究對象，近似為理想氣體，根據(jù)氣體狀態(tài)方程pV=nRT，即p=nRT/V，當(dāng)瓶內(nèi)氣體的體積、氣體的摩爾數(shù)沒有變化的情況下，燃燒后熱量不斷向四周傳遞，溫度降低，所以壓強(qiáng)減小。

通過前面的討論與實(shí)驗(yàn)，可以得出該實(shí)驗(yàn)的正確解釋應(yīng)是瓶內(nèi)的酒精（或棉球）在燃燒時(shí)，瓶內(nèi)氣體溫度升高，體積變大，大量氣體跑到瓶外；當(dāng)雞蛋放在瓶口封住氣體時(shí)，燃燒停止，瓶內(nèi)氣體熱量向四周傳遞使得氣體溫度下降，氣壓減小，外界大氣壓就將雞蛋壓入了瓶中！

1.3 新的挑戰(zhàn)——如何取出雞蛋

雞蛋被瓶子吞了進(jìn)去后，可以設(shè)置新的問題來激發(fā)學(xué)生思考并進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)論，怎樣才能完好無損地把雞蛋取出來呢？同學(xué)們能否利用大氣壓強(qiáng)的變化來解決具體問題？根據(jù)前面的解釋是否可以把瓶子倒立，讓雞蛋堵住瓶口，往瓶子外面淋熱水，使瓶內(nèi)氣體溫度升高，增大壓強(qiáng)，從而把雞蛋從瓶內(nèi)擠出來！

2 瓶子吞雞蛋探究式教學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的討論和實(shí)驗(yàn)過程，我們覺得可以充分利用這些資源來開發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)探究性課題，具體設(shè)計(jì)如下：

第一步，設(shè)置情景，提出問題。教師先把瓶子吞雞蛋的現(xiàn)象演示一遍，要求學(xué)生注意觀察，思考原因。

第二步，提出假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行探究。學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象，可能提出各種假設(shè)。鑒于學(xué)生的認(rèn)知水平與生活經(jīng)驗(yàn)，有學(xué)生認(rèn)為煮熟的雞蛋，富有一定的彈性，在重力作用下，慢慢滑入瓶里；有學(xué)生認(rèn)為由于棉球燃燒，要消耗掉瓶內(nèi)的氧氣，壓強(qiáng)減小，在大氣壓的作用下推進(jìn)瓶里；還有學(xué)生認(rèn)為燃燒溫度較高，隨著時(shí)間的增加，不斷向外傳遞熱量，自身內(nèi)能減少，溫度降低，氣體密度減小，等等。然后，讓學(xué)生分組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，著手實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證假設(shè)。

第三步，互相交流，得出結(jié)論。各組完成實(shí)驗(yàn)探究后，匯報(bào)結(jié)果，討論交流，得出結(jié)論。最后教師總結(jié)探究活動(dòng)，得出科學(xué)解釋。

第四步，利用結(jié)論解決問題。利用“如何取出雞蛋”來讓學(xué)生進(jìn)一步確認(rèn)科學(xué)解釋是否合理，完善自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。這一設(shè)計(jì)道理明晰，思路連貫，方法可控。有人提出為了避免讓學(xué)生產(chǎn)生誤解，建議把實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，在集氣瓶底部連接一個(gè)兩用打氣筒[2]，通過抽氣或打氣改變瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)，現(xiàn)象同樣明顯。但我們認(rèn)為抽氣或打氣可能會(huì)強(qiáng)化學(xué)生認(rèn)為是氣體分子數(shù)變化原因所致的觀點(diǎn)，缺乏后續(xù)的探究趣味性，達(dá)不到想要的結(jié)果。

回顧這一過程，讓學(xué)生真正親身經(jīng)歷了科學(xué)探究活動(dòng)，體驗(yàn)了探究式學(xué)習(xí)的樂趣，充滿科學(xué)探究教學(xué)思想，對學(xué)生學(xué)習(xí)方式與教師教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變有重要的啟示。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃繼奎，華文清.“瓶吞蛋”實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[J].數(shù)理天地（初中版），2003（10）：44.

[2]華繼干.由瓶子吞蛋實(shí)驗(yàn)的錯(cuò)解想到的改進(jìn)做法[J].中學(xué)物理，2011，29（6）：26.（欄目編輯 鄧 磊）