李佩寧

很多科普讀物上經(jīng)常會提到，納米材料被譽為21世紀(jì)最有前途的新型材料。當(dāng)組成材料的微粒尺寸達到納米級（1納米=10-9米）時，會產(chǎn)生許多讓人意想不到的奇特的光、電、磁、熱、力和化學(xué)等方面的性質(zhì)。如將金屬制成納米粉末后就變成了黑色，且不導(dǎo)電，機械強度也大幅度提高。

事實上，21世紀(jì)可以說是材料尤其是新材料的世紀(jì)。不僅是納米材料，各種材料在不同狀態(tài)下性能的改變都可能決定一項工程或一項發(fā)明的成敗，而后者可能會推動整個人類文明的飛躍。因此，了解材料的性能，在社會經(jīng)濟條件的允許下恰當(dāng)使用材料是非常必要且具有重要意義的。材料性能學(xué)指出，分析材料性能包含四要素——表征（規(guī)律）、機理、影響因素和測試，要由此來闡述每一種材料性能，注重基本理論和工程應(yīng)用的結(jié)合，并注意到不同材料的共性和個性，才能完整表現(xiàn)一種特定的材料。其中，測試是非常重要的一環(huán)。

一、課程重點

本課程通過讓學(xué)生了解材料性能的概念以及科學(xué)家進行科學(xué)實驗的方法，培養(yǎng)學(xué)生對有效運用工具、記錄數(shù)據(jù)并最終得出科學(xué)結(jié)論的完整過程的認(rèn)識。同時，營造學(xué)生可以在動手實踐中深入感受和理解科學(xué)實驗的課堂氛圍。

【涉及領(lǐng)域】工程學(xué)、物理學(xué)、設(shè)計、藝術(shù)

【建議年級】小學(xué)中年級

【建議時間】125分鐘

二、課程任務(wù)

讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家進行實驗的步驟和基本方法，激發(fā)學(xué)生了解現(xiàn)象、學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生用文字記錄實驗數(shù)據(jù)和實驗現(xiàn)象，并做出分析。

三、課程步驟

1.導(dǎo)入（15分鐘）

第一步：介紹進行科學(xué)實驗的基本方法和材料性能的概念，詢問學(xué)生對材料性能的認(rèn)識?？茖W(xué)的實驗方法主要包括六個重要步驟：一是觀察，即對事實和事件的詳細(xì)記錄;二是對問題進行定義，定義是有確切程序可操作的;三是提出假設(shè)，即提出對一種事物或一種關(guān)系的暫時性解釋;四是檢驗，即收集證據(jù)和檢驗假設(shè)，要能提供假設(shè)所需的客觀條件，并找到方法來測量相關(guān)參數(shù);五是發(fā)表研究結(jié)果，即科學(xué)信息必須公開透明，真正的科學(xué)關(guān)注的是解決問題;六是建構(gòu)理論。

材料的性能可分為兩類。一是特征性能，屬于材料本身固有的性質(zhì)。包括常見的如熱學(xué)性能（如熱容、熔沸點等）、力學(xué)性能（如拉伸強度、抗沖強度等）、電學(xué)性能（如電導(dǎo)率、電阻率等）、磁學(xué)性能（鐵磁性）、光學(xué)性能（如光的反射、折射以及發(fā)光等性質(zhì)）、化學(xué)性能（如耐腐蝕性、催化性能等），不常見的如耐疲勞強度、介電性能、離子交換性能等（選擇了解即可）。二是功能物性，指在一定條件和一定限度內(nèi)對材料施加某種作用時，通過材料將這種作用轉(zhuǎn)化為另一形式功能的性質(zhì)。包括熱電轉(zhuǎn)換性能（如熱敏電阻）、光熱轉(zhuǎn)換性能（如太陽能平板型集熱器）、光電轉(zhuǎn)換性能（如太陽能電池）、力電轉(zhuǎn)換性能、磁光轉(zhuǎn)換性能、電光轉(zhuǎn)換性能、聲光轉(zhuǎn)換性能等，主要用于能量轉(zhuǎn)換。

之后，讓學(xué)生判斷“是否能夠擋雨遮風(fēng)”屬于材料的哪一類性能（答案是透性，應(yīng)當(dāng)屬于特征性能）。

第二步：簡單介紹透性的產(chǎn)生原因。透性的好壞取決于物體的致密程度——是否允許水分子在短時間內(nèi)穿透過去。水分子間存在很強的氫鍵作用，使其具有一定的粘性和張力，這使得水并不容易通過細(xì)小的孔洞。須強調(diào)的是，許多物體只是短時間內(nèi)的透性不好，不代表水永遠(yuǎn)不能穿過去。這也是要進行實驗驗證的原因。

2.宣布任務(wù)一及評價量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務(wù)】需要測定給定的幾種很薄的物質(zhì)材料的透性，讓學(xué)生設(shè)計實驗，制定評價標(biāo)準(zhǔn)，完成實驗，并列出結(jié)果。宣布任務(wù)后，呈現(xiàn)評價量規(guī)（見表1）。

【材料】水、移液器、繪圖紙、報紙、各種材料的織物（如絲綢、棉布、人造纖維布等）、蠟紙、塑料薄膜、毛根、手工棒、剪刀、膠水、膠帶

宣布任務(wù)和評價量規(guī)后，教師要繼續(xù)詢問各組如下一些問題。

（1）以什么作為測量透性的評價標(biāo)準(zhǔn)？

（2）對被測試的各種材料要進行什么準(zhǔn)備？是否需要進行必要的形變或者其他處理？

（3）哪些變量需要被統(tǒng)一嚴(yán)格控制以保證實驗結(jié)果的可靠性？（如溫度）

（4）怎樣用圖表表示實驗結(jié)果？必須要記錄哪些數(shù)據(jù)？是否還需要其他測量工具以使測量更準(zhǔn)確？

詢問后，給各組少量時間進行溝通準(zhǔn)備。每個人都要寫下自己的想法和實驗計劃，然后小組討論執(zhí)行什么樣的實驗計劃。

3.任務(wù)一的執(zhí)行（20分鐘）

正式執(zhí)行實驗任務(wù)。要求學(xué)生依照評價量規(guī)，并應(yīng)考慮以下內(nèi)容。

（1）你的預(yù)測是什么？你們組的預(yù)測是什么？怎樣用一句話或者很少的文字概括？

（2）你的設(shè)計是什么？你們組的設(shè)計是什么？分為幾步？

（3）你們組以什么作為測量透性的評價標(biāo)準(zhǔn)？

（4）實驗執(zhí)行時應(yīng)該注意哪些方面？

（5）如果要進行多次實驗，而使用的材料有限，有什么注意事項？

（6）如何用圖表呈現(xiàn)觀察結(jié)果？是否在實驗前就設(shè)計了圖表的框架？框架包括哪些內(nèi)容？為何如此設(shè)計？

（7）小組的分工如何？

4.總結(jié)和反思（25分鐘）

全部小組完成后，組織討論以下問題。

（1）最終哪種材料是透性最好的？哪種是最差的？

（2）如果要制作雨傘或者其他雨具，透性最差的那種材料是否為最佳選擇？為什么？除了透性，還應(yīng)考慮什么因素？

（3）材料科學(xué)家怎樣描述他們的研究和研究結(jié)果？

5.宣布任務(wù)二及評價量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務(wù)】讓學(xué)生選擇最佳材料制作一把小雨傘，并寫一句廣告詞來強調(diào)雨傘的性能。宣布任務(wù)后，呈現(xiàn)評價量規(guī)（見表2）。

【材料】水、移液器、繪圖紙、報紙、各種材料的織物、蠟紙、塑料薄膜、毛根、手工棒、剪刀、膠水、膠帶

宣布任務(wù)和評價量規(guī)后，教師要繼續(xù)詢問如下一些問題。

（1）雨傘的傘骨有什么特點？雨傘張開后是如何保證傘骨和傘骨之間的距離相等而不會無法完全展開？這些特點是否容易借鑒？為什么？

（2）你制作的雨傘能否經(jīng)受較大的雨水從上向下的沖擊？怎樣解決這一問題？

詢問后，給予少量時間讓各組進行溝通準(zhǔn)備。每個人都要寫下自己的想法和設(shè)計方案，然后小組討論使用哪種設(shè)計方案、如何撰寫說明書、以什么樣的形式呈現(xiàn)說明書。

6.任務(wù)二的執(zhí)行（20分鐘）

正式執(zhí)行制作任務(wù)。要求學(xué)生依照評價量規(guī)，并應(yīng)考慮以下內(nèi)容。

（1）你們組選取了什么材料制作小雨傘的傘面？為什么這樣選擇？

（2）除了考慮透性，你們還思考了哪些問題？得出了什么結(jié)論或者遇到了什么問題？

（3）小雨傘制作的難點在哪里？是否可以通過改進設(shè)計而予以解決？

（4）小組的分工如何？

7.總結(jié)和反思（25分鐘）

全部小組完成后，組織討論以下問題。

（1）如果將小雨傘改裝成小遮陽傘，還需要進行哪些調(diào)整？為什么？

（2）如果要制作可多次重復(fù)利用的雨衣，哪種材料較適合？需要考慮哪些方面？為什么？（如從透水性、透氣性、疲勞強度、材料強韌性等方面進行考察）

（3）如果我們要成立一家公司，通過制作這種小雨傘來盈利，你覺得還有哪些方面需要繼續(xù)調(diào)查和實驗？為什么？