“正确认识地球自转对漩涡方向的影响”研究性学习活动的组织与实施

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  一、背景简介
  
  从2005年到2006年,我带领学生开展了题为“寻找地球自转证据”的研究性学习活动。学生通过参观、考察、调查、采访、模拟实验、野外观测、天文摄影等活动,体验了科学研究的基本方法,获得了全方位的教育。此项目不仅在全国青少年科技创新大赛中获奖,还引出了一个新的研究课题——“水流漩涡方向是否与地球自转有关”。
  不少学生在文献研究中找到了“南北半球漩涡方向相反”以及“牙签法”这两个“证明地球自转”的证据,同时也发现了资料中出现的一些矛盾。于是,新的研究就此展开了……
  
  二、问题的发现
  
  在课堂交流时,有学生提出了这样的疑问:“怎么有些资料上写北半球漩涡顺时针转,有些写逆时针转呀?”“有的文章上说漩涡左旋,有些资料上说漩涡右旋。”“肯定有人写错了,但是到底是谁写错了呢?”学生讨论得非常投入。经过分析,大家认为资料上出现矛盾的原因有几种可能性。
  1.两种说法中,肯定有一种是错误的。我们有必要对其进行研究,证明哪些资料上的描述才是正确的。证明的方法非常简单,只要证明我们所在地(北半球)的漩涡方向是顺时针还是逆时针即可,南半球的漩涡方向应该相反。
  2.两种说法其实是一致的,只不过是不同文章的作者观察角度不同而已。假设漩涡的方向是一定的,从上面往下看如果是顺时针的话,从下往上看就是逆时针的了。如果是这样,我们也有必要把“观察角度”这个前提条件研究清楚。我们需要通过实验来证明,在北半球,在从上往下观察的前提下,漩涡是顺时针的还是逆时针的。
  3.两种说法都不完全正确。可能在人们实验的过程中,确实出现了顺、逆时针旋转的不同现象,于是就出现了不同的描述。倘若如此,有可能是因为某些人的实验不够精确,某些因素干扰了他们的实验的结果;但也可能地球的自转根本就与漩涡的方向无关,所以无论在南、北半球,漩涡转动的方向都是不确定的。
  通过讨论,大家一致认为第一种假设的可能性最大,第二种可能性稍小,而第三种可能性几乎不存在。因为那么多科学家和专业人士都通过实验验证了地球自转影响漩涡方向(资料中是这样写的),这个结论甚至被写在了少儿百科全书(台湾某版本)和高中地理教辅用书上,我们还有什么理由来怀疑呢?
  
  三、问题的明确和提出
  
  经过讨论,学生梳理出了以下几个需要研究的问题。(见表1)
  
  我们的研究性学习活动引起了学校领导的关注,科学教育出身的系主任也加入了研究的行列,他提供的资料显示:“地球自转致使南半球水流漩涡呈逆时针旋转”是错误的。于是,一个更关键的问题出现了——地球自转到底能否影响水的运动状态而决定漩涡的方向。大家带着疑问赶紧着手查阅资料。最后通过网络查到了一些有用的资料。我们发现已经有不少人对此问题有所怀疑,尽管他们没有提出任何可靠的证据,不过看来这个问题真的值得推敲了。
  
  四、研究的方法和过程
  
  有了以往研究性学习的基础,学生很快提出了文献研究(查阅资料)、问卷调查、科学实验等研究方法。
  学生通过图书、报刊和网络的查询,发现人们对这个问题的认识非常模糊。资料上矛盾重重,有人认为地球自转影响漩涡的方向早已是科学事实;有人认为地球自转只是漩涡形成因素的一个方面,而且影响极其微弱;有人认为地球自转根本就不能影响漩涡的方向。他们通过网络上的论坛留言等途径研究发现,人们对相关问题有两种倾向性认识:认为地球自转影响水流运动的,提出了“科氏力”,也就是地球自转偏向力为理论依据,并以地球上洋流的运动、“付科摆”的运动以及“水中漂浮牙签转动”等“事实”加以说明;而认为地球自转对水流运动没有影响的资料,查来查去,也只有那么两篇文章和一些人的主观认识,(虽然学生查到了数十篇文章,但都是由两篇文章反复转载的)没有提出任何可靠的实践依据。所以,文献研究的结果,似乎预示着前者更具有说服力。
  采取调查法研究的学生也提供了初步的调查结果。起初,学生制订了调查问卷,在教师的协助下对中小学生进行了调查,但是结果很不理想,因为多数学生对这个问题一无所知,他们的判断没有理性的思考和可靠的依据。后来,学生在家长的帮助下通过网络,在天文论坛上进行调查,(初期曾在4个不同的天文、科技论坛网站发帖讨论)得到了一些有用的信息。还有些学生通过网络向国外的小学或大使馆发出了共同研究的邀请。几次调查的结果如表2所示。
  
  调查的结果似乎也对“地球自转影响漩涡方向”的结论更有利一些,但是,实践才是检验真理的唯一标准,学生纷纷开始了各种实验活动。无论在课堂上还是在家里,大家进行了数百次的实验。起初,学生为了方便,采用一次性纸杯进行实验,但是很快发现,这样做有太多的干扰因素。后来,为了实验的准确,大家纷纷选用塑料脸盆、浴盆进行实验。其结果是,漩涡的方向有顺时针、有逆时针,还有几乎不动的现象,而且是干扰因素排除得越彻底,水越趋于不动。这又好像在告诉我们,漩涡方向很可能与地球的自转无关。
  我们能否就此得出结论,证明地球自转与漩涡方向无关呢?答案是否定的。有可能地球自转影响不了漩涡方向,但也有可能是我们的实验不够精确。我们首先需要寻找实验中可能出现的错误,只要实验不存在问题,我们就已经通过实证研究的方法证明了在小尺度范围内,地球自转不能影响漩涡转动的方向。很可惜,我们的实验确实存在问题,各种可能影响水流方向的干扰因素没有完全排除掉。风向的影响、温差的影响、震动的影响、容器结构的影响,都可能改变实验结果。我们已经非常努力地在排除无关变量的影响了——实验地点由实验室转移到了没有人员、温度变化和风向变化干扰的温室里。为了让水完全静止下来再进行实验,我们想出了从侧面观察水面反光情况的方法,并发现,一般要将水静置3天以后才完全看不到水面反光的抖动现象。我们的每次实验都是在这样严格的控制下进行的。回家实验的张念汝同学更是认真,为了排除干扰,她将主卫封闭了3天,以免影响了主卫浴盆里水的静止状态。如此严格的控制,使问题集中在了一点,那就是我们无法保证打开开关或拔掉塞子时,不会引起水的任何振动。这个问题始终得不到解决。
  真是“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。在我们苦思而不得其解的时候,突然问的一闪念让我豁然开朗。何必非让水漏出去呢?如果在静止时水没有受到地球偏向力的影响,没有发生任何旋转运动,漏出时应该也不能旋转而形成漩涡;如果在没有受到其他外力作用的情况下,漏出的水旋转了,就说明它一定受到了地球偏向 力的影响,那么容器中的水即使不往外漏,一定也会受到地球偏向力而旋转。所以,我们只要知道容器中的水是否受地球偏向力的影响而转动不就可以了吗?学生也理解了我的想法,有的学生当时就提出:“我们过去找到的资料上就有这样的实验,在水面上放一根牙签或泡沫塑料、锯末什么的,过几个小时会发现它们发生了顺时针的旋转,这就说明水在容器中本身就在缓慢地旋转,漏出时当然也会旋转形成漩涡了。”但也有的学生说:“好像不是这样的。以前我们做实验的时候不是总要等水完全静止下来吗?如果容器中的水真的在转动,就永远不可能静止下来,而我们发现3天的时间就足够让水完全静止下来了。”漂浮的牙签到底能否转动呢?我们还是需要再试一试。
  实验被简化了许多,但是还要控制干扰因素。学生有的用牙签、有的用塑料纸、有的用泡沫塑料,分别用不同的容器进行着实验。我也带领几个骨干在温室中按照不同的方案进行实验,并用固定的相机进行记录。为了防止气流的干扰,我还用大玻璃罩将实验装置扣在里面。和以往的实验不同,这个实验需要往容器中加满水,否则漂浮的物体容易自动漂浮到容器边缘而无法转动。放入漂浮物后,起初,我们可以看到它无规则地缓缓转动,这说明水还没有静下来,放置三天以后,我们开始记录它的初始位置。然后,根据资料上的描述,每隔几小时进行一次观察和记录。但是,无论实验重复多少次,结果都是一样的,水中的漂浮物纹丝不动!结果令我震惊,那么多资料中介绍的这几个甚至被高中地理教师用来教学的实验,竟然轻而易举被证明是完全错误的!为什么这么多年就没有被人指出来呢?
  此后,我们又多次重复了前面进行的漩涡实验,结果和以前的实验完全一致——干扰因素排除得越彻底,实验现象越趋于一致——几乎看不到漩涡!
  
  五、初步结论
  
  经历了近一年的研究,我们得出了自己的结论:在小尺度范围内,地球自转偏向力对水流的运动不会造成影响,漩涡的方向与地球自转无关。我们实验的容器最大直径达到了1米,足以证明抽水马桶中的漩涡不是由地球自转造成的了。回想起来,如果在实验的过程中我们能够解决“拔掉塞子产生振动”的问题,或许就始终不会出现漩涡,我们就能够更早地得出结论。经历了这次研究,学生又在原有基础上迈进了一步。如果说“寻找地球自转的证据”是重复前人的研究过程,那么“正确认识地球自转对水流方向的影响”就是一次真正的科学研究活动。在这个过程中,学生采取了多种常用科研方法,还充分利用网络资源等现代信息技术作为支撑。通过研究,学生形成了一些共识,下面是我的整理结果。
  1.不要“唯书唯上”,实践才是检验真理的标准。为什么“地球自转影响漩涡方向”、“牙签法证明地球自转”的错误认识流传如此持久、广泛?主要的原因是它来自“专家的研究”、“书本的结论”。生活中,我们可以轻易发现,漩涡有顺时针的,也有逆时针的。这时人们会怎样想?大概很少有人敢于怀疑专家说的是错的、书上写的是错的。这是“唯书唯上”的意识使然。或许受传统文化的影响,这种思想在我国非常严重,它严重地束缚着人们的思维,特别是抑制着人们创造性的发挥。研究结束后,我对所有查阅过的资料进行了整理,发现了这样一个现象:对“自转影响漩涡方向”的质疑,国外最多,港台次之,大陆最少。至少这是我所掌握的资料显示的结果。我们多次看到港台中学网站上关于这个问题的讨论,而我们几乎没有。或许我们的学生正在忙着在书本堆里挣扎,无暇顾及这些吧。
  2.科学研究来不得半点马虎,要想得到准确的结论,实验必须一丝不苟。起初的实验,学生没有控制好干扰因素,实验结果不能说明任何问题。后来在不断改进实验的过程中,学生不仅让实验更具有说服力,而且考虑问题变得更加周全,做事变得更加细致。即使我们的研究结论是错误的,这些收获也是我们研究的一种成功。
  3.理论的应用是有条件的,超越了这个条件,正确的理论也会变成谬误。正如地球偏向力,在大尺度条件下成立,在小尺度下就不能对水流产生影响。
  4.人们的实践意识亟待加强,千万不要人云亦云,否则会使错误的认识泛滥成灾。“三人成虎”的现象在生活中并不少见,本来是没有的事或错误的事,说的人多了,也就变成存在的、正确的了。我们承认,这些传播错误言论的人大部分是无心的,他们只是把听到的又告诉了别人。如何才能做到不信谣言、不传谣言呢?关键要加强实践意识。有些事只要亲自试一下就真相大白了。例如水面漂浮牙签的实验,被那么多人所引用,看来就没有一个认真去做的,否则,它的错误早应该被指出来了。记得一年前,网络上满是支持“地球自转决定漩涡方向”的信息,而今,充斥于网络的更多的是反驳这种认识的文章。而反驳的来源,依旧是那两篇来源于美国的科普文章。支持与反驳其实都没有错,错的是大家都在说,都在引用别人的文章来说明问题,但是真正能自己沉下心来进行实验证明的太少了1
  5.一种现象的背后可能隐藏着多种原因,就像漩涡,容器结构、气温变化、风向影响、周围环境都可能决定它的转动方向。所以,我们要学会从多侧面、多角度去分析。
  
  六、问题与讨论
  
  历时一年的研究并没有让我们豁然开朗,各种疑惑反而更多了。到底还有多少所谓的“科学事实”是错误的?到底在多大的尺度上地球自转才能对漩涡的方向产生影响?
  前一个问题不是我们能够解决得了的,后一个问题我们一直想研究,只是受条件所限,目前尚无法开展。资料上所描述的实验装置直径达6英尺,我们很想研究在这个尺度下地球自转是否对漩涡的方向发生影响。如果可以,则证明1962年美国麻省理工学院机械工程系主任谢皮罗教授的实验是正确的,我们可以再制作一些小一点的容器,直到找到一个“临界点”,从而发现多大尺度下,地球自转能对漩涡的形成产生作用;如果不可以,那我们就证明了资料中所介绍的被无数科学家重复过的实验是错误的。这是我们下一步研究的方向。
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