可贵的探究意外的收获
一、发现问题
和往常一样,利用一节课时间指导学生做了“固体的熔化和凝固”的探究实验,整堂课进行得都非常顺利,各小组都完成了石蜡的熔化和凝固、海波的熔化实验,也得出了相应的结论。但是海波的凝固过程比较缓慢,由于时间关系无法完成,所以在此基础上,又根据教参要求,给学生讲了晶体凝固是熔化的逆过程,引导学生分析得出:凝固过程放出热量,温度不变;晶体的凝固点与其熔点相同。并按照常规大体做出了海波的凝固图像。
那么未完成的实验怎么办呢?于是我就安排一个小组,利用课后时间记录海波凝固过程的数据。不久,学生到我,交给我一组数据和图像。数据显示,海波在达到凝固点之后并没有凝固,而是先降到41.5℃之后温度又缓慢回升,最后达到凝固点完成凝固。看到这个结果,我首先是对的正确性产生了怀疑,但是当我详细询问了实验操作的过程之后,却没有发现什么问题。那怎么会是这样的结果呢?说实话,由于以前我也没有完整地记录过这个实验的详细过程,于是决定和学生一起重新做这个实验。
二、实验探究
实验装置如图,用水浴法给海波加热至熔化,然后取下热水杯,让海波在空气中自然冷却,记录凝固时间、温度以及状态,直到海波完全凝固为止。实验发现,同一支温度计测得海波的熔点是48℃,而凝固时温度一直下降到41.2℃时,试管底部才出现了晶体的海波并逐渐变大,然后液态海波温度逐渐升高,在试管中心区域温度达到42.8℃时,试管中间也迅速出现多个条状晶体,然后温度继续升高,最后稳定在48℃保持不变,完成了整个凝固过程。实验数据和图像如下:
之后,我又反复几次做这个实验,结果都基本相同。是什么原因呢?
三、解决问题
原来,晶体凝固时确实存在一个温度下降至凝固点以下,然后回升至凝固点的过程。在温度回升至凝固点的过程中,液体开始结晶,释放热量,温度升高。达到凝固点之后,结晶中放出结晶潜热与冷却时散失的热量达到平衡,所以温度不变,完全结晶后温度开始下降。怎样解释这个温度下降的过程呢?经过理论和实验研究发现:在晶体三相变化中,固相的形成包括“成核”和“晶体的生长”两个过程。海波液体在冷却到48℃时没有出现结晶,而是温度继续下降的现象叫做过冷现象。此时的液体状态叫过冷态,也叫亚稳态。亚稳态是液—固相变的前提条件。新相的形成必须经过“过饱和”或“过冷”等条件。当相变过程的驱动力破坏了亚稳态后,才使得相变向着
析晶的方向进行。结晶中心是在亚稳态中形成的,在上述实验条件下,若不存在外界提供的结晶中心,则需在亚稳态中首先形成自发的小分子集团,成为结晶中心。这就是海波液—固相变过程中出现冷却到凝固点温度时没有结晶出现,而是温度下降到41.2℃再回升至凝固点的过程才开始结晶的缘故。如果在亚稳态出现时向液体中提供异质结晶中心,则核胚在异质结晶中心上生成。所以一般用海波演示晶体的凝固实验时,当温度降至48℃时向液体中加入少量的海波作为结晶中心,晶体在此基础上就可以生长了,此时所形成的海波晶体熔化—凝固曲线就与教材上相同了。我实验的结果也是这样,在向液态海波中加入少量海波晶体后,液体中围绕这些晶核开始结晶,温度一直稳定在48℃,直到完全凝固。但在没有向液体中提供异质结晶中心的情况下,做出教材上的图像则是不科学的。一般教材上可能考虑到这种情况的复杂性,为了照顾初中生的接受能力,所以出现的凝固曲线,回避了温度下降至凝固点以下再回升的过程。
但是我并没有把答案告诉学生,而是让他们也回去通过各种途径来尝试解释这种现象。对这个现象,学生们的表现除了疑惑,更多的是兴奋,就像发现新大陆一样,他们感到他们发现了教材上的“错误”!因此,他们的积极性空前高涨。他们有的上网查资料,有的有专业知识的亲朋好友请教,结果果然没有让我失望。很快,大家再次聚到一起,交流各自的“成果”,到了问题的答案。
虽然学生对这些理论并不能完全明白,但是对于这样的结果,他们既为解决了这样一个问题而感到兴奋,又因为没有推翻教材上的结论而有一些失望,但总的来说,成就感溢于言表。
意外收获实验结束后,我在上课时作了总结,充分肯定了学生的实验结果,对他们这一发现进行了大力表扬。然后我又对这种现象加以了简单解释,同时对学生说明,有很多物理现象其实十分复杂,初中阶段只能学习一些最基本、最简单的规律,更多、更深的知识要到高中、大学去深入研究和发现。有能力的同学可以在学好课本知识的基础上,广泛阅读,深入探究,拓宽知识面,深化知识结构。同时,在今后的物理实验中要更加注重尊重客观事实、反映客观事实,并且要抓住实验中的“意外偶然现象”,并做出合理的解释,这样才能有助于发现新的科学规律,好多科学家的创造发明也正是如此。
四、实验反思
实验结束了。学生对晶体凝固过程的过冷现象恐怕也只是一知半解。但是反思整个过程,我深深的感觉到,对于学生来讲,这次探究过程知识方面收获恐怕是次要的。重要的是,这样的过程极大的激发了学生学习物理、进行科学探究的兴趣和热情,开阔了视野,而且使他们比较完整的经历了物理研究中的实验探究、资料查询以及理论探究过程,获得疑惑、焦虑、失望、以及
成功等情感体验,懂得了科学研究中交流合作的重要性。同时培养了学生实事求是的科学态度和科学素养,提高了发现问题、分析问题、解决问题的能力。
在此基础上,我还感觉到,作为物理教师,对于要求学生做的实验,教师一定要亲手做过,不能简单地凭经验,凭想当然。只有当实事求是的科学态度成为教师自身的一种习惯,才更加有助于培养学生的良好科学习惯和科学态度。