在实验探究中培养有创新潜力的早期人才
潘加健
物理实验是物理课程的重要部分，科学探究是物理实验中最具挑战性的教学内容.中学物理教学的一个重要任务，是发现和培养在科学素养、学识经验、交流合作和创新决策等不同方面具有足够潜力和修养的科技人才.笔者认为实验探究应该是这些人才能够被早期发现和培养的有效途径.为此，笔者参与了江苏省教育科学十二五规划2013年初中专项重点自筹课题《基于科技创新人才早期培养模式的初中少年科学院发展新模式的实践研究》.采取课堂教学与课外实践相结合的办法，让学生在实验探究中全面提高自身的综合素养.我校学生课外实践活动的主要形式是以树人少年科学院为载体的研究性学习共同体.
《温度的测量》是学生第一次学习和使用的测量工具，是学生学习物理的真正开始.该节课的重点是温度计的原理与使用.通常的教学是教师先出示常用温度计、实物挂图让学生观察，引导学生思考温度计的构造、原理.然后让学生通过测量烧杯中水的温度，归纳出使用方法.这样的教学过程表面上是顺畅的，学生也经历了实验的过程，温度计使用方法的得出也是水到渠成的.但事实上，学生的思维是被动的.因为学生是机械地模仿教材上的设计进行的，教学的过程显然缺乏严谨的抽象与概括、分析与综合、推理与判断的过程.这样的教学是不利于学生科学素养的提高和科技创新人才的早期发现与培养的.
1课堂教学片段
教师：（出示图1所示的自制温度计）老师这里有一只玻璃瓶，瓶内装满浅红色的液体，用中间插有玻璃管的橡皮塞将液体封住，橡皮塞的上方有一小段液柱， 液柱显浅红色，是为了便于观察其在玻璃管中的上升或下降.大家讨论一下，用这只玻璃瓶能分辨出讲台上的甲、乙两杯水温度的高低吗？
学生：（思考、讨论）能够，只要将玻璃瓶先放入甲杯水中，观察玻璃管中液柱平衡时液面的位置.然后将玻璃瓶放入乙杯水中，如果此时玻璃管中液柱上升，说明乙杯水的温度比甲杯水高，如果玻璃管中液柱下降，说明乙杯水的温度比甲杯水低.
教师：这种判断方法有理论依据吗？
学生：有，玻璃瓶放入温度高的水中后，玻璃瓶内液体的温度将升高，体积将增大，玻璃管中的液柱将升高.其理论依据是液体具有热胀冷缩的性质.
教师：你们同意这种观点吗？（同意，教师让该学生上讲台实验验证）.
学生：（演示实验）刚才的实验显示，辨别甲、乙两杯水温度高低时，玻璃管中液柱的升高或降低的幅度不大，说明该装置的演示的可视性不够.
教师：那么采取怎样的措施，能使玻璃管中液柱能灵敏上升或下降呢？（学生合作讨论后回答）
学生1：可以将玻璃管变细一些，玻璃管中的液柱由于横截面积的减小，使液柱升高的高度增大.
学生2：可以换大一些的玻璃瓶，瓶中由于液体质量的增加使膨胀后的体积增大得更多，玻璃管中液柱上升的高度就会更大.
学生3：还可以将玻璃瓶中的液体换成热膨胀性能更好的液体，增大其膨胀后的体积，使液柱升得更高.
教师：刚才的三位同学从不同的角度采取不同的方法，其目的都是为了增大液柱上升的高度.由此也给我们提供一个值得探究的问题，由于时间关系，该问题的探究留在课外进行.各小组按照“提出问题、猜想假设、设计实验、收集数据、分析论证、得出结论”这几个环节进行，“合作交流”的环节留在下堂课上进行.
教师：利用这个玻璃瓶能测甲、乙两杯水温度的大小吗？
学生：不能，因为玻璃管上缺少刻度.
教师：那么如何给它刻上温度的刻度呢？（引导学生自学教材，找到温度计刻度的方法）
学生：（讨论、交流）先将该玻璃瓶放在冰水混合物中，玻璃管中液柱稳定时在其上表面处刻上0 ℃，然后将其放入一个标准大气压下的沸水中，在玻璃管上刻下100 ℃，再在0 ℃到100 ℃之间均匀地刻上100等份，每一份就是1 ℃.
教师：现在用这个已经在玻璃管上刻有温度刻度的玻璃瓶，就能测物体的温度了，我们先给它取个名字，（学生异口同声回答：温度计）用这样的温度计测量物体的温度方便吗？说明理由.
学生甲：（自由讨论）不方便，因为玻璃瓶的体积太大，玻璃管太粗，测量精度不够.
学生乙：玻璃管端口没有封闭，移动时液体容易从端口流出，不方便携带.
教师肯定了学生的回答，并让学生从构造、刻度、使用范围方面思考，比较实验室温度计、寒暑表、体温表的异同点.再通过测量水温的实验归纳出温度计的使用方法.最后，提醒学生课外以小组为单位，围绕温度计的精度问题进行实验探究，下堂课交流展示.
2课外实验探究
各小组在课外进行实验探究，现将其中比较典型的探究报告整理如下.
2.1提出问题
温度计的精度与哪些因素有关？
2.2猜想假设
猜想一：温度计的精度可能与玻璃泡的大小有关；
猜想二：温度计的精度可能与玻璃管的粗细有关；
猜想三：温度计的精度可能与管内测温液体有关.
2.3设计与实验
2.3.1实验器材
图2是部分学生利用实验室提供的器材进行探究的.其中玻璃瓶分别选容积为30 mL、60 mL和125 mL的小、中、大三种，玻璃管选直径为3 mm、4 mm和5 mm的细、中、粗三种，并在玻璃管上贴上刻度线（不是温度线），便于记录液柱升高的格数.烧杯和用高锰酸钾配制的红色的水，为便于观察液柱的刻度，烧水壶用来提供热水，水槽中配制浅红色的水也便于观察.
2.3.2实验步骤
（1）先用三个大小不同的玻璃瓶代表玻璃泡的大小不同，瓶内装满相同的水，相同的玻璃管上刻有相同的刻度线.将三个玻璃瓶分别同时置于装有冷水和热水的水槽中，分别观察水柱上升的高度，如图3所示.
（2）再用刻有相同刻度线但粗细不同的三个玻璃管，通过三个相同的橡皮塞将三个装满相同水的相同玻璃瓶口封柱.将三个玻璃瓶分别同时置于装有冷水和热水的水槽中，分别观察水柱上升的高度，如图4所示.
（3）最后在三个相同的玻璃瓶内装满酒精、水、煤油，用三个刻有相同刻度线的相同的玻璃管通过三个相同的橡皮塞封柱玻璃瓶口.将三个玻璃瓶分别同时置于装有冷水和热水的水槽中，分别观察水柱上升的高度，如图5所示.
2.4收集数据
（1）验证猜想一的实验记录如表1所示.（二次示数的高度差，如图6所示）
玻璃泡越大，其热膨胀而增加的体积就越多，液柱升高的高度就越高.即玻璃泡越大的温度计精度越高.
由表2可知，温度计的精度与玻璃管的粗细有关.在玻璃泡的大小相同、测温液体升高的温度相同时，其热膨胀而增加的体积ΔV虽然相同，但由ΔV=sh可知：s越小，h就越大，也就是说：玻璃管越细，液柱升得越高.即玻璃管越细的温度计，其精度就越高.
由表3可知，温度计的精度与测温液体有关，在玻璃泡的大小相同、玻璃管的粗细相同时，不同测温液体由于其热膨胀的性能不同，使它们虽然升高相同的温度，热膨胀程度大的液体其增大的体积多，液柱升得就高.即测温液体热膨胀性能高的温度计的精度也高.在水、煤油、酒精这三种测温液体中，酒精的热膨胀性能最好，用它作温度计的测温液体，其灵敏度比较高，水的灵敏度比酒精低得多，所以不用水作温度计的测温液体.（水在4 ℃以下具有反膨胀特性、水的比热容大等都是不能作测温液体的原因）
2.6得出结论
综上所述，温度计的精度与玻璃泡的大小、玻璃管的粗细、测温液体的热膨胀性能等因素有关.玻璃泡越大、玻璃管越细、测温液体的热膨胀性能越好，温度计的精度就越高.
2.7实际应用
利用该结论，人们制成了精度高的能测量人体温度的体温计，如图7所示.其玻璃泡比普通的温度计要大得多，玻璃管比普通的温度计要细得多，水银的热膨胀性能比普通的温度计中的酒精或煤油要好得多，所以体温表的分度值能达到0.1 ℃，其精度比分度值为1 ℃的普通温度计要提高10倍.由于体温表要离开人体读数，所以增设了“缩口”， 测体温时水银膨胀能通过缩口回升到上面玻璃管里，读体温计时，体温计能离开人体，水银遇冷收缩，水银柱来不及退回玻璃泡，就在缩口处断开，仍然指示原来的温度.体温计量程为35 ℃～42 ℃，这可以减小体温计的长度，缩小体温计的包装体积，便于随身携带.
物理实验是物理课程的重要部分，科学探究是物理实验中最具挑战性的教学内容.中学物理教学的一个重要任务，是发现和培养在科学素养、学识经验、交流合作和创新决策等不同方面具有足够潜力和修养的科技人才.笔者认为实验探究应该是这些人才能够被早期发现和培养的有效途径.为此，笔者参与了江苏省教育科学十二五规划2013年初中专项重点自筹课题《基于科技创新人才早期培养模式的初中少年科学院发展新模式的实践研究》.采取课堂教学与课外实践相结合的办法，让学生在实验探究中全面提高自身的综合素养.我校学生课外实践活动的主要形式是以树人少年科学院为载体的研究性学习共同体.
《温度的测量》是学生第一次学习和使用的测量工具，是学生学习物理的真正开始.该节课的重点是温度计的原理与使用.通常的教学是教师先出示常用温度计、实物挂图让学生观察，引导学生思考温度计的构造、原理.然后让学生通过测量烧杯中水的温度，归纳出使用方法.这样的教学过程表面上是顺畅的，学生也经历了实验的过程，温度计使用方法的得出也是水到渠成的.但事实上，学生的思维是被动的.因为学生是机械地模仿教材上的设计进行的，教学的过程显然缺乏严谨的抽象与概括、分析与综合、推理与判断的过程.这样的教学是不利于学生科学素养的提高和科技创新人才的早期发现与培养的.
1课堂教学片段
教师：（出示图1所示的自制温度计）老师这里有一只玻璃瓶，瓶内装满浅红色的液体，用中间插有玻璃管的橡皮塞将液体封住，橡皮塞的上方有一小段液柱， 液柱显浅红色，是为了便于观察其在玻璃管中的上升或下降.大家讨论一下，用这只玻璃瓶能分辨出讲台上的甲、乙两杯水温度的高低吗？
学生：（思考、讨论）能够，只要将玻璃瓶先放入甲杯水中，观察玻璃管中液柱平衡时液面的位置.然后将玻璃瓶放入乙杯水中，如果此时玻璃管中液柱上升，说明乙杯水的温度比甲杯水高，如果玻璃管中液柱下降，说明乙杯水的温度比甲杯水低.
教师：这种判断方法有理论依据吗？
学生：有，玻璃瓶放入温度高的水中后，玻璃瓶内液体的温度将升高，体积将增大，玻璃管中的液柱将升高.其理论依据是液体具有热胀冷缩的性质.
教师：你们同意这种观点吗？（同意，教师让该学生上讲台实验验证）.
学生：（演示实验）刚才的实验显示，辨别甲、乙两杯水温度高低时，玻璃管中液柱的升高或降低的幅度不大，说明该装置的演示的可视性不够.
教师：那么采取怎样的措施，能使玻璃管中液柱能灵敏上升或下降呢？（学生合作讨论后回答）
学生1：可以将玻璃管变细一些，玻璃管中的液柱由于横截面积的减小，使液柱升高的高度增大.
学生2：可以换大一些的玻璃瓶，瓶中由于液体质量的增加使膨胀后的体积增大得更多，玻璃管中液柱上升的高度就会更大.
学生3：还可以将玻璃瓶中的液体换成热膨胀性能更好的液体，增大其膨胀后的体积，使液柱升得更高.
教师：刚才的三位同学从不同的角度采取不同的方法，其目的都是为了增大液柱上升的高度.由此也给我们提供一个值得探究的问题，由于时间关系，该问题的探究留在课外进行.各小组按照“提出问题、猜想假设、设计实验、收集数据、分析论证、得出结论”这几个环节进行，“合作交流”的环节留在下堂课上进行.
教师：利用这个玻璃瓶能测甲、乙两杯水温度的大小吗？
学生：不能，因为玻璃管上缺少刻度.
教师：那么如何给它刻上温度的刻度呢？（引导学生自学教材，找到温度计刻度的方法）
学生：（讨论、交流）先将该玻璃瓶放在冰水混合物中，玻璃管中液柱稳定时在其上表面处刻上0 ℃，然后将其放入一个标准大气压下的沸水中，在玻璃管上刻下100 ℃，再在0 ℃到100 ℃之间均匀地刻上100等份，每一份就是1 ℃.
教师：现在用这个已经在玻璃管上刻有温度刻度的玻璃瓶，就能测物体的温度了，我们先给它取个名字，（学生异口同声回答：温度计）用这样的温度计测量物体的温度方便吗？说明理由.
学生甲：（自由讨论）不方便，因为玻璃瓶的体积太大，玻璃管太粗，测量精度不够.
学生乙：玻璃管端口没有封闭，移动时液体容易从端口流出，不方便携带.
教师肯定了学生的回答，并让学生从构造、刻度、使用范围方面思考，比较实验室温度计、寒暑表、体温表的异同点.再通过测量水温的实验归纳出温度计的使用方法.最后，提醒学生课外以小组为单位，围绕温度计的精度问题进行实验探究，下堂课交流展示.
2课外实验探究
各小组在课外进行实验探究，现将其中比较典型的探究报告整理如下.
2.1提出问题
温度计的精度与哪些因素有关？
2.2猜想假设
猜想一：温度计的精度可能与玻璃泡的大小有关；
猜想二：温度计的精度可能与玻璃管的粗细有关；
猜想三：温度计的精度可能与管内测温液体有关.
2.3设计与实验
2.3.1实验器材
图2是部分学生利用实验室提供的器材进行探究的.其中玻璃瓶分别选容积为30 mL、60 mL和125 mL的小、中、大三种，玻璃管选直径为3 mm、4 mm和5 mm的细、中、粗三种，并在玻璃管上贴上刻度线（不是温度线），便于记录液柱升高的格数.烧杯和用高锰酸钾配制的红色的水，为便于观察液柱的刻度，烧水壶用来提供热水，水槽中配制浅红色的水也便于观察.
2.3.2实验步骤
（1）先用三个大小不同的玻璃瓶代表玻璃泡的大小不同，瓶内装满相同的水，相同的玻璃管上刻有相同的刻度线.将三个玻璃瓶分别同时置于装有冷水和热水的水槽中，分别观察水柱上升的高度，如图3所示.
（2）再用刻有相同刻度线但粗细不同的三个玻璃管，通过三个相同的橡皮塞将三个装满相同水的相同玻璃瓶口封柱.将三个玻璃瓶分别同时置于装有冷水和热水的水槽中，分别观察水柱上升的高度，如图4所示.
（3）最后在三个相同的玻璃瓶内装满酒精、水、煤油，用三个刻有相同刻度线的相同的玻璃管通过三个相同的橡皮塞封柱玻璃瓶口.将三个玻璃瓶分别同时置于装有冷水和热水的水槽中，分别观察水柱上升的高度，如图5所示.
2.4收集数据
（1）验证猜想一的实验记录如表1所示.（二次示数的高度差，如图6所示）
玻璃泡越大，其热膨胀而增加的体积就越多，液柱升高的高度就越高.即玻璃泡越大的温度计精度越高.
由表2可知，温度计的精度与玻璃管的粗细有关.在玻璃泡的大小相同、测温液体升高的温度相同时，其热膨胀而增加的体积ΔV虽然相同，但由ΔV=sh可知：s越小，h就越大，也就是说：玻璃管越细，液柱升得越高.即玻璃管越细的温度计，其精度就越高.
由表3可知，温度计的精度与测温液体有关，在玻璃泡的大小相同、玻璃管的粗细相同时，不同测温液体由于其热膨胀的性能不同，使它们虽然升高相同的温度，热膨胀程度大的液体其增大的体积多，液柱升得就高.即测温液体热膨胀性能高的温度计的精度也高.在水、煤油、酒精这三种测温液体中，酒精的热膨胀性能最好，用它作温度计的测温液体，其灵敏度比较高，水的灵敏度比酒精低得多，所以不用水作温度计的测温液体.（水在4 ℃以下具有反膨胀特性、水的比热容大等都是不能作测温液体的原因）
2.6得出结论
综上所述，温度计的精度与玻璃泡的大小、玻璃管的粗细、测温液体的热膨胀性能等因素有关.玻璃泡越大、玻璃管越细、测温液体的热膨胀性能越好，温度计的精度就越高.
2.7实际应用
利用该结论，人们制成了精度高的能测量人体温度的体温计，如图7所示.其玻璃泡比普通的温度计要大得多，玻璃管比普通的温度计要细得多，水银的热膨胀性能比普通的温度计中的酒精或煤油要好得多，所以体温表的分度值能达到0.1 ℃，其精度比分度值为1 ℃的普通温度计要提高10倍.由于体温表要离开人体读数，所以增设了“缩口”， 测体温时水银膨胀能通过缩口回升到上面玻璃管里，读体温计时，体温计能离开人体，水银遇冷收缩，水银柱来不及退回玻璃泡，就在缩口处断开，仍然指示原来的温度.体温计量程为35 ℃～42 ℃，这可以减小体温计的长度，缩小体温计的包装体积，便于随身携带.
