理論實驗并行 核心素養(yǎng)凸顯
——“理想氣體的狀態(tài)方程”教學(xué)賞析

(江蘇省阜寧中學(xué),江蘇 鹽城 224400)

在由江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究室主辦的江蘇省第五屆高中物理名師論壇上，我校俞翔老師上了一節(jié)教學(xué)展示課，課題為“理想氣體的狀態(tài)方程”，這是一節(jié)基于教材、活用教材且富有創(chuàng)新的物理課。在課堂教學(xué)中，注重滲透科學(xué)方法，創(chuàng)新實驗設(shè)計，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，落實核心素養(yǎng)提升的課程目標(biāo)?，F(xiàn)摘錄部分教學(xué)片斷進(jìn)行評析，與同仁分享和交流。

1 教學(xué)片斷及評析

片斷1：理想氣體狀態(tài)方程的理論探究

本節(jié)課在氣體三條實驗定律的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生思考一定質(zhì)量的理想氣體，在三個參量壓強(qiáng)、體積、溫度同時變化時，會遵循什么樣的規(guī)律？讓學(xué)生提出猜想，再引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用控制變量法，創(chuàng)設(shè)一個中間狀態(tài)，構(gòu)建兩個特殊過程，從理論上進(jìn)行推導(dǎo)、探究。學(xué)生的思維很發(fā)散，結(jié)合逆向思維，結(jié)果提出了6種過程：先等壓后等容、先等溫后等容、先等容后等壓、先等溫后等壓、先等容后等溫、先等壓后等溫，為了更加形象、直觀，讓學(xué)生在p-V圖上畫出這6種過程(如圖1)。

圖1

學(xué)生分組探究，自行選擇一個或多個過程進(jìn)行推導(dǎo)，每個小組推薦一名同學(xué)匯報、展示推導(dǎo)過程和結(jié)果，不同的小組針對不同的過程，推導(dǎo)出了相同的結(jié)果。

評析：這個教學(xué)片斷的設(shè)計讓學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，主動作為，積極思考，相互合作，從理論上導(dǎo)出了理想氣體狀態(tài)方程，學(xué)生的思維得到了有效拓展，通過經(jīng)歷和體驗理論探究，學(xué)生的創(chuàng)新精神、邏輯推理能力、與他人合作能力、表達(dá)能力等得到了有效提高。這樣的設(shè)計還加深了學(xué)生對理想氣體狀態(tài)方程的理解，理想氣體狀態(tài)方程與氣體經(jīng)歷的過程無關(guān)，具有普適性。

為了提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，建議老師可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生在課后畫出6種過程的p-T圖或者V-T圖，繼續(xù)研究。通過上述過程的學(xué)習(xí)、研究，學(xué)生心中不免還會產(chǎn)生疑問：雖然構(gòu)建的過程多達(dá)6種，但每一種過程設(shè)定的中間狀態(tài)只有一個，這樣的過程具有特殊性，推導(dǎo)的結(jié)論是否具有普遍性？為了消除學(xué)生心中的疑惑，建議引導(dǎo)學(xué)生在初態(tài)A和終態(tài)C之間，任意構(gòu)建一個過程(如圖2)，再將這個過程分解成許許多多等容、等壓的小過程，增設(shè)若干個中間狀態(tài)，每個小過程都遵循這個規(guī)律，小過程分得越小，折線就越接近曲線，進(jìn)一步說明理想氣體狀態(tài)方程的普適性。

圖2

片斷2：理想氣體狀態(tài)方程的實驗驗證

學(xué)生通過推理得出了理想氣體狀態(tài)方程后，心中不免還會有疑問：這個結(jié)論是否符合實際？教師設(shè)計了一個實驗，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生用實驗來驗證。本節(jié)教材中沒有安排實驗，原因可能是器材難尋，同時要測量的物理量又較多。授課教師創(chuàng)新使用教材，讓實驗走進(jìn)課堂，實驗器材有：注射器、溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器(如圖3)。利用注射器可以封閉一定質(zhì)量的空氣，體積可以從刻度上直接讀出來，溫度通過溫度傳感器測出，壓強(qiáng)傳感器可以測出封閉氣體與外界大氣的壓強(qiáng)差。教師讓幾名學(xué)生合作完成實驗、得到數(shù)據(jù)，利用Excel處理、分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論(如表1)。

圖3

表1(大氣壓強(qiáng): 102400Pa，軟管體積：1.5 mL)

評析：美國物理學(xué)家密立根曾說：“科學(xué)靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗。有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面，但只有使用兩條腿才能前進(jìn)。”教者匠心獨(dú)運(yùn)，精心設(shè)計、引入實驗，不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，而且培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力，同時消除了學(xué)生心中的疑團(tuán)。教師面對困難，要敢于挑戰(zhàn)，設(shè)計實驗，教師的工作精神就是一道亮麗的風(fēng)景，為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任樹立榜樣，在潤物無聲中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

教師引導(dǎo)學(xué)生用Excel處理數(shù)據(jù)，把現(xiàn)代教育技術(shù)融入教學(xué)，讓學(xué)生掌握利用電腦處理數(shù)據(jù)的方法，與學(xué)生一起仔細(xì)分析實驗誤差以及誤差產(chǎn)生的原因，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的質(zhì)疑能力、批判思維能力，同時還加深了學(xué)生對知識的深層次理解。為了形象直觀，教者還可以引導(dǎo)學(xué)生畫出pV-T圖(如圖4)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計算機(jī)處理圖像數(shù)據(jù)的能力，進(jìn)一步提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

圖4

2 引發(fā)的思考

2.1 教學(xué)中要注重對基本物理概念和規(guī)律的深度理解，重視物理觀念的培育

基本概念、規(guī)律是物理學(xué)的基石，它們凝結(jié)著前人的汗水和智慧，凝聚著思維和方法，如慣性、牛頓運(yùn)動定律、萬有引力定律、動量守恒定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、楞次定律、理想氣體的狀態(tài)方程等。深度理解基本概念和規(guī)律，一方面就是要把隱藏在其背后的科學(xué)思維、科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)責(zé)任、經(jīng)典實驗挖掘出來，讓學(xué)生加以經(jīng)歷、體驗和感悟，內(nèi)化成自己的觀念，形成自己的思想，內(nèi)化成自己的行為，掌握研究問題、解決問題的方法，提升學(xué)生核心素養(yǎng)，讓物理學(xué)科的育人價值在課堂教學(xué)中真正落地。另一方面，就是要弄清概念的內(nèi)涵和外延，弄清規(guī)律的適用條件和范圍，從多角度、多層次加以理解，實現(xiàn)靈活遷移和應(yīng)用，切實提高解決實際問題的能力。

2.2 教學(xué)中要注重創(chuàng)設(shè)條件，將實驗引入課堂，重視探究能力培養(yǎng)

實驗是物理教學(xué)的基礎(chǔ)，將實驗引入課堂，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的動力。利用實驗可以幫助學(xué)生有效突破學(xué)習(xí)難點、化解學(xué)習(xí)疑點,加深對物理概念和規(guī)律的理解。一方面，教材中現(xiàn)有的演示實驗、探究實驗、分組實驗，切不能用在黑板上講實驗、畫實驗來代替做實驗。另一方面，涉及核心概念、核心規(guī)律，如果沒有現(xiàn)成的實驗，教師要敢于擔(dān)當(dāng)，勇于創(chuàng)造，讓創(chuàng)新實驗走入課堂、融入課堂，讓學(xué)生在解決具體的、實際的問題過程中，理解和應(yīng)用這些核心知識，切實培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力。