氣體的等溫變化中兩種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理路徑的比較

任虎虎

摘 要：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中蘊(yùn)含著猜想、類比等思維方法和“求真”的科學(xué)精神，是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維能力和提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)的良好載體，充分利用和挖掘這一環(huán)節(jié)，能達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力的目的。本文通過(guò)兩種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理路徑的實(shí)踐和比較，說(shuō)明良好的學(xué)習(xí)路徑和過(guò)程對(duì)于思維能力的培養(yǎng)和看待問(wèn)題視角的養(yǎng)成的重要性。

關(guān)鍵詞：氣體的等溫變化；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；學(xué)習(xí)路徑；思維能力；視角

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）11-0054-3

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。物理教學(xué)離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)探究，但是實(shí)驗(yàn)探究不只是測(cè)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。筆者認(rèn)為學(xué)生從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)到自己得出物理規(guī)律才是實(shí)驗(yàn)探究的核心，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程中蘊(yùn)含著猜想、類比、建模等物理思維方法和“求真”的科學(xué)精神。教學(xué)過(guò)程中要充分挖掘和利用這一環(huán)節(jié)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力和實(shí)驗(yàn)探究能力，提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的得出

在 “氣體的等溫變化”實(shí)驗(yàn)中，借助DIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用分組實(shí)驗(yàn)的形式。保持溫度不變（環(huán)境溫度由溫度傳感器測(cè)出：28.8 ℃），實(shí)驗(yàn)中把注射器的活塞向外拉（不易漏氣），測(cè)出體積，再通過(guò)壓強(qiáng)傳感器測(cè)出了多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中一小組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1（下文中作圖都以這一組數(shù)據(jù)為例）。

2 兩種數(shù)據(jù)處理路徑

路徑一：

在實(shí)驗(yàn)探究得出數(shù)據(jù)后，課堂上直接讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算壓強(qiáng)p和體積V的乘積，然后作圖處理得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

師：請(qǐng)觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有什么特點(diǎn)？

生1：在氣體的等溫變化中，體積越大，壓強(qiáng)越??？

師：壓強(qiáng)p和體積V之間可能會(huì)存在什么定量的關(guān)系呢？

生2：計(jì)算壓強(qiáng)p和體積V的乘積。

師：通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)什么？

生3：壓強(qiáng)p和體積V的乘積幾乎相等。

師：為了形象、直觀地得出壓強(qiáng)p和體積V的關(guān)系，用什么方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？

生4：作圖法。

師：作什么圖像能更好地得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論呢？

生5：作p-1/V圖像。

學(xué)生活動(dòng)1：利用自己小組得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖。

利用上述數(shù)據(jù)得出的圖像如圖1所示。

師：大家可以歸納得出什么結(jié)論？

生6：一定質(zhì)量的理想氣體，在溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)和體積成反比。

師：實(shí)驗(yàn)誤差主要是哪些因素造成的呢？

生7：讀數(shù)，拉活塞時(shí)不是很緩慢等。

路徑二：

在這一學(xué)習(xí)路徑中，設(shè)置了以下5個(gè)層級(jí)：（1）由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作p-V圖像；（2）作p-1/V圖像；（3）對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正，重新作p-1/V圖像；（4）用不完全歸納法得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論；（5）實(shí)驗(yàn)誤差分析。

師：由所測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何得到p和V之間的具體關(guān)系？

生1：可以作圖像。

學(xué)生活動(dòng)1：利用Excel得出上述表中p-V圖像，如圖2所示。

師：由圖像大家可以看出p和V之間是什么關(guān)系？

生2：反比函數(shù)。

但是，學(xué)生又不是很確定。

師：如何進(jìn)一步確定p和V之間是不是成反比關(guān)系呢？以前有沒(méi)有遇到過(guò)類似的問(wèn)題？

生3：可以算p和V的乘積是不是一個(gè)常數(shù)。

生4：作p-1/V圖像，看是不是一條過(guò)原點(diǎn)的直線。以前作過(guò)“a-1/m”圖像。

學(xué)生活動(dòng)2：算p和V的乘積，依次為3030.0、3036.2、3043.8、3045、3050、3055。作p-1/V圖像，如圖1所示。

師： p和V的乘積一直在變大，圖像也沒(méi)有完全過(guò)原點(diǎn)，這不能認(rèn)為是偶然誤差。不能放過(guò)這一細(xì)節(jié)，請(qǐng)看看實(shí)驗(yàn)裝置，找找是什么原因引起的？

生5：壓強(qiáng)傳感器和注射器之間的軟管也有體積，沒(méi)有考慮在內(nèi)。

學(xué)生活動(dòng)3：利用游標(biāo)卡尺測(cè)軟管的內(nèi)徑和長(zhǎng)度，算出其體積約為0.63 mL（內(nèi)徑約為4 mm，長(zhǎng)度約為5 cm），對(duì)體積進(jìn)行修正后，重新作p-1/V圖像，如圖3所示。

師：大家可以歸納得出什么結(jié)論？

生6：一定質(zhì)量的理想氣體，在溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)和體積成反比。

師：實(shí)驗(yàn)誤差主要是哪些因素造成的呢？

生7：讀數(shù)，拉活塞時(shí)不是很緩慢等。

3 兩種路徑的對(duì)比分析

1.路徑一的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：大多數(shù)課堂上呈現(xiàn)的是這一學(xué)習(xí)路徑，一方面它節(jié)省上課時(shí)間；另一方面它也能較好地完成教學(xué)目標(biāo)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

缺點(diǎn)：首先，這一學(xué)習(xí)路徑和過(guò)程是教師預(yù)設(shè)的結(jié)果，不具有生成和開(kāi)放性；其次，缺少探究一波三折的過(guò)程，不利于培養(yǎng)猜想、類比、建模等科學(xué)思維能力。

2.路徑二的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：首先，這一學(xué)習(xí)路徑以學(xué)生為主體，很好地做到了預(yù)設(shè)與生成、自主與合作、獨(dú)白與對(duì)話的統(tǒng)一；其次，開(kāi)放性的問(wèn)題和活動(dòng)，提供發(fā)揮想象力的空間，有助于科學(xué)思維能力的培養(yǎng)和看待問(wèn)題視角的養(yǎng)成。

缺點(diǎn)：耗時(shí)，受課堂教學(xué)時(shí)間的限制。

雖然后者比較耗時(shí)，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該采用該種學(xué)習(xí)路徑。

思維能力和看待問(wèn)題的視角是學(xué)生的關(guān)鍵能力，這些能力的培養(yǎng)孕育在學(xué)習(xí)的路徑和過(guò)程中，而不是公式或結(jié)論。因此，教學(xué)時(shí)設(shè)計(jì)良好的課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)和“曲徑通幽”的學(xué)習(xí)過(guò)程是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

[1]翟小銘，郭玉英，李敏鎬.構(gòu)建學(xué)習(xí)進(jìn)階：本質(zhì)問(wèn)題與教學(xué)實(shí)踐策略[J].教育科學(xué)，2015（2）：47-51.

[2]郭玉英，姚建欣.基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)[J].課程·教材·教法，2016（11）：64-68.

[3]盧煒杰，吳先球，王笑君.三種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的誤差分析和教學(xué)探討[J].物理教學(xué)，2013（12）：22-23.

（欄目編輯 王柏廬）endprint