讓學(xué)生在自主探究中認識科學(xué)本質(zhì)

伍小斌

科學(xué)課程以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為宗旨，通過科學(xué)探究的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生體驗科學(xué)探究活動的過程和方法，發(fā)展初步的科學(xué)探究能力。教師應(yīng)根據(jù)《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》能動地發(fā)揮作用，成為學(xué)生學(xué)習(xí)活動的組織者、引導(dǎo)者和促進者，使學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)在主動學(xué)習(xí)科學(xué)的過程中得到發(fā)展。

核心素養(yǎng)的提出對學(xué)習(xí)方式和教學(xué)模式變革提出了更高的要求，以講授為中心應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)習(xí)為中心，以問題的驅(qū)動為橋梁，讓學(xué)生在對真實問題的追尋中，形成個性化的知識結(jié)構(gòu)。教師在引導(dǎo)學(xué)生問題化學(xué)習(xí)的過程中，應(yīng)以認知建構(gòu)的方式去重組問題，讓學(xué)生在問題與問題的聯(lián)系中，在科學(xué)探究實驗的過程中，進行知識和思維的碰撞。

下面以“物質(zhì)的比熱”教學(xué)設(shè)計為例，說明如何讓學(xué)生通過實驗，體驗“比熱”這一概念產(chǎn)生和建構(gòu)的過程。

一、教學(xué)任務(wù)

“物質(zhì)的比熱”是浙教版初中七年級《科學(xué)》中比較難學(xué)的內(nèi)容。這個模塊的教學(xué)目標(biāo)有四個層次的要求：一是觀察生活事例，知道物體吸收或放出熱量的多少跟物體的質(zhì)量、溫度、物質(zhì)種類有關(guān)；二是通過實驗，體驗質(zhì)量相同的不同物質(zhì)，升高或降低相同的溫度時吸收或放出熱量是不同的，知道物質(zhì)的這種性質(zhì)可以用比熱表示；三是通過實例分析，體驗不同比熱物質(zhì)在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用，認識科學(xué)、社會、技術(shù)的關(guān)系；四是通過有關(guān)實驗探究，體驗科學(xué)探究的樂趣，培養(yǎng)實事求是的科學(xué)態(tài)度。

七年級學(xué)生的知識儲備和思維水平偏低，比熱的概念對他們來說是比較抽象的。本冊教材只要求初步掌握比熱的定性概念，為八年級、九年級的定量計算和問題解決打基礎(chǔ)。

二、教學(xué)過程

（一）聯(lián)系生活 激活舊知

教師提問：同學(xué)們回想一下，什么時候物體會發(fā)燙？學(xué)生可能回答：晴朗的夏天，馬路會發(fā)燙；人運動時身體會熱起來；煤氣燒水，水會燒開；鉆木取火，木頭會發(fā)燙。

教師進一步追問：哪些現(xiàn)象是因為吸收熱量而發(fā)燙的？讓學(xué)生體會“物體吸收熱而發(fā)燙”與“生物體運動散熱”“摩擦產(chǎn)生熱”之間的區(qū)別。

【設(shè)計意圖】學(xué)生日常生活中對熱量以及熱量傳遞已經(jīng)有一定的經(jīng)驗，這是學(xué)習(xí)新知的基礎(chǔ)和生長點。教師適時追問，讓本節(jié)課的學(xué)習(xí)指向更加明確。

（二）創(chuàng)設(shè)情境 問題驅(qū)動

1.小和尚燒水

教師展示圖片并講述和尚燒水的故事：從前有個小和尚為大家燒開水，中途發(fā)現(xiàn)柴不夠了，水燒不開。小和尚問師父：“怎么辦呢？”師父反問大家：“你們說該怎么辦？”有的說趕快去找柴，有的說去借柴，有的說去買柴，師父一直在搖頭。

教師設(shè)問：那么師父心中的答案是什么呢？（學(xué)生回答）

揭示答案：師父說：“為什么不把壺里的水倒掉一些呢？”從物理的角度看，師父的辦法可行嗎？

提出猜想：升高相同的溫度，水的質(zhì)量越大需要吸收熱量越多，水的質(zhì)量越小需要吸收熱量越少？

2.馬爾代夫海島之旅

教師展示模擬“馬爾代夫海島之旅”場景。太陽：取暖器。沙灘：一盆沙子。海水：一盆水。用溫度計測量，它們的起始溫度是一樣的。打開取暖器，讓“陽光”照耀“沙灘”和“海水”。一會兒讓學(xué)生觸摸“馬爾代夫沙灘”的沙子和水。

提問：熱傳遞時，物體吸收熱量的多少除了與它的質(zhì)量、初始溫度有關(guān)外，還可能跟什么有關(guān)呢？

師生提出猜想：相同質(zhì)量物體，吸收熱量的多少可能與物質(zhì)的種類有關(guān)。

【設(shè)計意圖】通過故事和模擬情境，學(xué)生在直接的感性體驗中思考并提出猜想。這一環(huán)節(jié)能極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，體現(xiàn)“從生活走向科學(xué)”的課程理念。

（三）實驗驗證 自主發(fā)現(xiàn)和建構(gòu)

1.教師演示實驗：驗證老和尚的辦法可不可行

教師用兩個同樣規(guī)格的燒杯，一杯水多，一杯水少，同時加熱。讓學(xué)生觀察哪杯水先開，驗證老和尚的辦法可不可行。

討論：老師的實驗是怎么設(shè)計的？哪個是自變量？哪個是因變量？哪些是控制因素（基本相同）？

【設(shè)計意圖】這個環(huán)節(jié)雖然不是教學(xué)重點，但有利于學(xué)生理解實驗設(shè)計的基本思路：確定自變量和因變量、控制無關(guān)變量，為下面的自主探究做好鋪墊。

2.學(xué)生設(shè)計實驗方案：驗證物體吸收熱量多少是否與物質(zhì)種類有關(guān)

（1）教師布置任務(wù)。物體吸收熱量多少是否與物質(zhì)種類有關(guān)呢？請同學(xué)以小組為單位設(shè)計簡要的實驗方案。大家積極思考，相互交流，分工合作完成。參考設(shè)計指南：畫出實驗示意圖；口述實驗過程；記錄實驗數(shù)據(jù)。

（2）學(xué)生分組討論設(shè)計方案，教師巡視指導(dǎo)交流，拍照記錄各組方案并及時上傳電腦等待分享。

（3）請2～3組的學(xué)生代表上臺分享實驗方案。分享時，組內(nèi)學(xué)生可補充說明，組間相互提醒，進一步完善方案。

（4）教師點評學(xué)生的方案。注意糾正實驗中關(guān)鍵步驟的疏忽和錯誤，在初溫測定、溫度計擺放位置、升高溫度多少的選擇等方面給予指導(dǎo)。

【設(shè)計意圖】通過師生交流討論解決實驗設(shè)計的難點，對控制變量法及轉(zhuǎn)換法等進行滲透。引導(dǎo)學(xué)生分組討論設(shè)計方案，組織學(xué)生進行方案的分享交流，這樣的合作學(xué)習(xí)大大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有利于提高課堂的效率。最后，教師通過點評，引導(dǎo)學(xué)生解決設(shè)計方案中的不足，幫助學(xué)生完善實驗方案。

3.完善方案 分組自主開展實驗

（1）分組完善小組的實驗方案，領(lǐng)取實驗器材，分工合作，高效完成實驗。

（2）實驗過程中，教師巡視，對各組操作進行指導(dǎo)，用視頻、照片記錄一些較好或者不足的實驗操作。

（3）實驗結(jié)束后，教師先圖文分析學(xué)生操作上的一些問題，如溫度計碰底或碰壁、溫度計未充分與被測物體接觸等。

（4）隨后選擇兩組詳細匯報實驗過程及結(jié)果，統(tǒng)計各組的結(jié)果。估計學(xué)生有以下兩種典型的實驗方案。

方案一：以“加熱時間”為自變量。用相同酒精燈加熱相同質(zhì)量的水和砂石，升高相同的溫度，水需要加熱時間長，而砂石需要加熱時間短。

方案二：以“溫度升高”為因變量。用相同酒精燈加熱相同質(zhì)量的水和砂石，加熱相同的時間，水溫度升高慢，而砂石溫度升高快。

【設(shè)計意圖】讓學(xué)生在課堂上根據(jù)自己設(shè)計的方案，分組進行實驗的探究。在實驗操作中，體驗實驗的過程和方法，總結(jié)兩種典型實驗設(shè)計的步驟，自主建構(gòu)驗證性實驗的程序性知識。

4.分析結(jié)果 歸納結(jié)論

（1）實驗方案一

教師設(shè)問：相同質(zhì)量的水和砂石，升高溫度相同，加熱時間與吸收熱量是什么關(guān)系？

歸納結(jié)論：相同質(zhì)量的水和砂石，升高相同溫度，水需要加熱的時間長，因此吸收熱量多，砂石需要加熱的時間短，因此吸收熱量少。

推理可得：相同質(zhì)量的水和砂石，降低相同溫度，則水放出熱量多，砂石放出熱量少。

（2）實驗方案二

教師設(shè)問：相同質(zhì)量的水和砂石，加熱時間相同，升高溫度快慢與吸收熱量是什么關(guān)系？

歸納結(jié)論：相同質(zhì)量的水和砂石，加熱時間相同，水溫度升高慢，因此吸收熱量多，砂石溫度升高快，因此吸收熱量少。

可以讓學(xué)生討論：這樣的反向推理成立嗎？

推理可得：相同質(zhì)量的水和砂石，散熱相同時間，水溫度下降慢，因此散發(fā)熱量多，砂石溫度下降快，因此散發(fā)熱量少。

【設(shè)計意圖】方案二中最能引發(fā)學(xué)生的思辨和爭議，讓學(xué)生自動糾正不正確的前科學(xué)概念：溫度升高慢，吸收熱量少；溫度升高快，吸收熱量多。反向推理的討論可鍛煉學(xué)生的申辯式思維，任何科學(xué)推論在沒有實驗數(shù)據(jù)證實之前，都可以存疑。

（3）驗證猜想 得出結(jié)論

通過對實驗數(shù)據(jù)的分析、歸納、推理，學(xué)生自然而然得出結(jié)論：熱傳遞過程中，物體吸收（放出）熱量多少與構(gòu)成物質(zhì)的種類有關(guān)。

師生歸納：根據(jù)實驗記錄的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)這一特性反映出相同情況下物質(zhì)容納熱量的多少，科學(xué)上為了簡化，將這種特性叫作比熱容，簡稱比熱。

【設(shè)計意圖】讓學(xué)生知道科學(xué)實驗的最終目的是發(fā)現(xiàn)和建構(gòu)知識。學(xué)生在實驗探究和分析中，將實驗發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為科學(xué)概念，在動腦思辨中超越日常經(jīng)驗，體驗建構(gòu)概念、發(fā)現(xiàn)規(guī)律的愉悅，最終在各自的認知結(jié)構(gòu)中建立起比熱的初步概念。

（四）鞏固概念 學(xué)以致用

（1）水銀的比熱是水、砂石、玻璃、水銀四種物質(zhì)中最小的，這有什么意義？

（2）若相同質(zhì)量的A、B兩塊玻璃，在陽光下曬相同的時間，A溫度升高快，B溫度升高慢，這說明什么呢？如果你要裝修房子，希望用哪一塊？

（3）教師口述場景，請大家閉上眼睛，共同想象在海島沙灘上行走時，踩在沙灘上和海水中的不同感受，引導(dǎo)學(xué)生分析其原因。

【設(shè)計意圖】通過練習(xí)，讓學(xué)生用新學(xué)的知識和方法解決實際問題，鞏固新知，加深理解。最后師生互動、回歸生活，想象不在身邊的場景，避免通常簡單劃一的課堂小結(jié)，更能引發(fā)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。

探究是人類的天賦，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，促進學(xué)生掌握科學(xué)探究的技能，推動學(xué)生以科學(xué)探究為路徑，更好地建構(gòu)科學(xué)概念和認識科學(xué)本質(zhì)是我們科學(xué)教學(xué)的一項重要任務(wù)。