基于核心素養(yǎng)的物理活動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“內(nèi)能”為例

陳強(qiáng)燕

(江蘇省石莊高級(jí)中學(xué),江蘇 南通 226531)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面，活動(dòng)教學(xué)的本質(zhì)就是讓學(xué)生積極主動(dòng)參與課堂活動(dòng),進(jìn)行科學(xué)探究,并對(duì)觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行歸納、整理和分析,有效地提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和發(fā)散性思維能力,充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性,讓學(xué)生成為活動(dòng)的主體,不斷提升其核心素養(yǎng)。

1 設(shè)計(jì)思想

“內(nèi)能”一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容包括內(nèi)能的概念、影響內(nèi)能大小的因素、改變物體內(nèi)能的方式及其實(shí)質(zhì)三部分。

1.1 設(shè)計(jì)思路

教師利用演示實(shí)驗(yàn)“無(wú)污染空氣響炮”引入新課，創(chuàng)設(shè)情境,類比得出分子動(dòng)能和分子勢(shì)能,引出物體的內(nèi)能。通過觀察、閱讀,分析歸納得出影響內(nèi)能大小的因素。通過任務(wù)導(dǎo)引，總結(jié)出改變物體內(nèi)能的兩種方式。通過實(shí)例分析,演示實(shí)驗(yàn)“自制熱功轉(zhuǎn)換儀”,歸納出改變內(nèi)能的實(shí)質(zhì)。通過解釋“無(wú)污染空氣響炮”的奧秘、觀看“神舟十號(hào)升空視頻”的小活動(dòng),反饋鞏固教學(xué),呼應(yīng)開頭,提升學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和民族自豪感。

1.2 教學(xué)重點(diǎn)

本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)為：改變內(nèi)能的兩種方式及其實(shí)質(zhì)。步驟一是自主活動(dòng),感性體驗(yàn)：如何增加鐵絲的內(nèi)能？知道改變內(nèi)能有不同途徑;步驟二是分類比較，獲知改變物體內(nèi)能的不同途徑、方法,知道改變內(nèi)能的兩種方式;步驟三是應(yīng)用分析、完善認(rèn)識(shí)。通過對(duì)鐵絲放入熱水、壓縮空氣、空氣對(duì)風(fēng)車做功等的實(shí)例分析,理解改變內(nèi)能的兩種方式——熱傳遞和做功是等效的。

1.3 教學(xué)難點(diǎn)

本節(jié)的教學(xué)難點(diǎn)為：物體對(duì)外界做功時(shí)溫度、內(nèi)能的變化。通過演示“自制熱功轉(zhuǎn)換儀”,使做功改變內(nèi)能時(shí)的溫度變化直觀可視,直觀感受到外界對(duì)物體做功,溫度升高,內(nèi)能增大;物體對(duì)外界做功，溫度降低，內(nèi)能減少。

本節(jié)課重視核心素養(yǎng)的培養(yǎng),努力通過生活現(xiàn)象、演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)等活動(dòng),運(yùn)用類比、實(shí)驗(yàn)探究、歸納總結(jié)、建模等物理方法,帶領(lǐng)學(xué)生逐步認(rèn)識(shí)影響內(nèi)能大小的因素、改變物體內(nèi)能的方式及其實(shí)質(zhì),鼓勵(lì)學(xué)生用物理知識(shí)解釋生活中的現(xiàn)象。教學(xué)中要求學(xué)生主動(dòng)參與,在觀察現(xiàn)象、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)探究、合作交流等過程中，體會(huì)透過現(xiàn)象看本質(zhì)的思維方法,享受學(xué)習(xí)的樂趣,認(rèn)識(shí)交流與合作的重要性,激發(fā)學(xué)生為祖國(guó)科學(xué)進(jìn)步而奮斗的熱情。

2 教材分析

“內(nèi)能”是滬教版物理第五章第三節(jié)的內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容包括內(nèi)能、改變物體內(nèi)能的方式等。本節(jié)是本章內(nèi)容承上啟下的關(guān)鍵,通過內(nèi)能的學(xué)習(xí)，既鞏固分子動(dòng)理論,又為熱機(jī)等知識(shí)的學(xué)習(xí)做鋪墊。

3 學(xué)情分析

本節(jié)課的學(xué)習(xí)需要機(jī)械功與能、能量以及分子動(dòng)理論等知識(shí)準(zhǔn)備,學(xué)生已熟知這些內(nèi)容。內(nèi)能概念較抽象,學(xué)生缺乏感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)也缺少物體對(duì)外做功溫度降低的直觀感受。

八年級(jí)學(xué)生的思維正處于從形象思維向抽象思維的過渡階段，雖接觸過類比方法,但是學(xué)生的實(shí)驗(yàn)觀察、分析能力還有待提高。應(yīng)注意利用學(xué)生好奇、好動(dòng)、好強(qiáng)的心理特點(diǎn),以感性認(rèn)識(shí)為依托,激發(fā)學(xué)生思維,通過理性分析和判斷,獲取新知,培養(yǎng)他們的抽象思維能力。

4 教學(xué)目標(biāo)

(1) 物理觀念：從生活化的系列活動(dòng)情境的探究中建立內(nèi)能的概念，知道影響內(nèi)能的因素，知道改變物體內(nèi)能的兩種方式，知道內(nèi)能改變的實(shí)質(zhì)，會(huì)運(yùn)用內(nèi)能知識(shí)解決生活中的實(shí)際問題。

(2) 科學(xué)思維：通過改變鐵絲的溫度的活動(dòng),知道做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能,感受比較、歸類的科學(xué)方法。

(3) 實(shí)驗(yàn)探究：通過實(shí)驗(yàn)的演示、觀察和分析,自主建構(gòu)分子勢(shì)能的概念、做功改變內(nèi)能的實(shí)質(zhì)。

(4) 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過實(shí)例分析，感悟生活與物理的聯(lián)系，提升學(xué)生的環(huán)保意識(shí),激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和使命擔(dān)當(dāng)。

5 教學(xué)流程

教學(xué)流程圖如圖1所示，以活動(dòng)的方式展開。

圖1

圖2

5.1 觀察類比,建構(gòu)內(nèi)能的概念

教師演示“無(wú)污染空氣響炮”(如圖2),提問：推動(dòng)響炮彈出的能量來(lái)自哪里?

觀察類比:

(1) 觀察運(yùn)動(dòng)足球和分子動(dòng)畫,足球由于運(yùn)動(dòng)具有什么能？分子由于運(yùn)動(dòng)具有什么能?

(2) 演示“彈簧小球模型”(如圖3),壓縮和拉伸的彈簧由于彈力作用具有什么能?分子間由于存在相互的引力和斥力的作用具有什么能?

圖3

思考與討論:物體的內(nèi)能會(huì)為零嗎?

由于分子在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng),分子動(dòng)能不為0,分子勢(shì)能不為0。

總結(jié):物體是由分子組成的,分子在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng),具有分子動(dòng)能,分子間存在相互作用,具有分子勢(shì)能,所以一切物體都具有內(nèi)能。

設(shè)計(jì)意圖:由演示自制的“無(wú)污染空氣響炮”引入新課，通過觀察、類比分析，提出分子動(dòng)能和分子勢(shì)能的概念，順勢(shì)引出內(nèi)能概念，并通過思考與討論，得出結(jié)論：一切物體都具有內(nèi)能。

5.2 猜想思考,探究影響內(nèi)能大小的因素

猜想:我們知道物體的質(zhì)量有大有小，物體質(zhì)量越大,所含分子數(shù)越多,內(nèi)能越大。那么質(zhì)量一定的物體的內(nèi)能大小與哪些因素有關(guān)?

思考與討論:

(1) 兩杯質(zhì)量相同的冷水和熱水,內(nèi)能相同嗎?嘗試用已學(xué)知識(shí)解釋。

(2) 質(zhì)量相同、溫度相同的物體,內(nèi)能就一定相等嗎?請(qǐng)同學(xué)們閱讀課本,回答該問題。

由活動(dòng)可知：物體內(nèi)能與溫度有關(guān),溫度升高,內(nèi)能增大;溫度降低,內(nèi)能減小(溫度改變,分子動(dòng)能改變,內(nèi)能改變)。物體的內(nèi)能還與物體的體積、狀態(tài)有關(guān)，體積、狀態(tài)改變,分子勢(shì)能改變,物體內(nèi)能改變。

設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生通過猜想、思考與討論，運(yùn)用已學(xué)的分子熱運(yùn)動(dòng)和汽化吸熱知識(shí),自主探究,驗(yàn)證猜想,感受控制變量方法,讓學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí)。

5.3 任務(wù)導(dǎo)引，探究改變內(nèi)能的兩種方式

探究目的:如何使一根鐵絲的內(nèi)能增加?

學(xué)生設(shè)計(jì)方案,分組體驗(yàn)：A放在熱水中燙；B在砂紙上摩擦；C放在太陽(yáng)下曬；D用錘子敲；E放在火上燒；F用力反復(fù)彎折；G放在手中捂。

思考與討論:

(1) 說說這些方法的區(qū)別,將其分類,你分類的原則是什么?

A、C、E、G為一類，兩物體間存在溫度差,高溫物體放熱,低溫的鐵絲吸熱,發(fā)生了熱傳遞。方案B、D、F為一類，伴隨著運(yùn)動(dòng),我們知道如果物體在力的作用下,在力的方向上運(yùn)動(dòng)一段距離,表明力做功了。

(2) 改變內(nèi)能的方式有沒有第三種?

學(xué)生進(jìn)行小組討論,在不斷的否定中,得出結(jié)論：沒有第三種改變物體內(nèi)能的方式。

歸納與總結(jié):改變物體內(nèi)能的兩種方式為做功和熱傳遞。

設(shè)計(jì)意圖:通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)方案,分組體驗(yàn),展示交流,激活了學(xué)生的思維,培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散性思維能力。

5.4 探究改變內(nèi)能的本質(zhì)

思考與討論:

(1) 將鐵絲放入熱水中,是通過什么方式改變鐵絲的內(nèi)能?

(2) 鐵絲和熱水的內(nèi)能如何變化?

高溫物體內(nèi)能減少,低溫物體內(nèi)能增大,內(nèi)能從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體(或者從物體的高溫部分轉(zhuǎn)移到低溫部分)。熱傳遞改變物體內(nèi)能的實(shí)質(zhì):內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。

教師用自制熱功轉(zhuǎn)換儀演示，探究做功改變內(nèi)能的實(shí)質(zhì)，實(shí)驗(yàn)器材為:空油桶、橡皮管、打氣筒、帶探頭的數(shù)字化溫度計(jì)、風(fēng)車(如圖4)。

圖4

觀察分析：

(1) 壓縮空氣做功,溫度會(huì)怎樣變化?內(nèi)能會(huì)怎樣變化?

(2) 氣體膨脹對(duì)風(fēng)車做功,溫度會(huì)怎樣變化?內(nèi)能會(huì)怎樣變化?

實(shí)驗(yàn)表明：外界對(duì)物體做功,溫度升高,內(nèi)能增大,其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。物體對(duì)外做功,溫度降低,物體內(nèi)能減小,內(nèi)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。做功改變物體內(nèi)能的實(shí)質(zhì):內(nèi)能的轉(zhuǎn)化。

設(shè)計(jì)意圖:通過思考與討論、小組合作,得出熱傳遞改變內(nèi)能的實(shí)質(zhì)。做功改變內(nèi)能的過程中溫度的變化是內(nèi)能教學(xué)的難點(diǎn)，利用傳統(tǒng)教學(xué)方法，學(xué)生難以獲得溫度變化的直觀體驗(yàn),利用自制熱功轉(zhuǎn)換儀使溫度的變化直觀可視化,降低了認(rèn)知難度。

5.5 應(yīng)用拓展

教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用本節(jié)所學(xué)物理原理解釋“無(wú)污染空氣響炮”的奧秘。

壓縮空氣,外界對(duì)空氣做功,內(nèi)能增大,機(jī)械能轉(zhuǎn)化成空氣的內(nèi)能;然后空氣膨脹,空氣對(duì)響炮做功,內(nèi)能轉(zhuǎn)化為響炮的機(jī)械能,推動(dòng)響炮飛出。

教師播放“神舟十號(hào)”發(fā)射升空的視頻,引導(dǎo)學(xué)生分析其中內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,拓展學(xué)習(xí)空間,激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的欲望。

設(shè)計(jì)意圖:通過解釋“無(wú)污染空氣響炮”的工作原理,鞏固教學(xué)內(nèi)容,首尾呼應(yīng)。觀看“神舟十號(hào)”發(fā)射升空的視頻,分析其中內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,讓學(xué)生深刻體會(huì)物理知識(shí)來(lái)源于生活,服務(wù)于社會(huì)，了解我國(guó)航天科技成就,激發(fā)了學(xué)生的民族自豪感。

6 結(jié)語(yǔ)

本教學(xué)設(shè)計(jì)以培育學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo),充分挖掘教科書素材，巧妙自制教具,創(chuàng)設(shè)富有探究性的活動(dòng)情境,以情激趣,引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,通過類比分析、合作交流,歸納和總結(jié)規(guī)律,從而突破了內(nèi)能概念教學(xué)的難點(diǎn),達(dá)到了相關(guān)知識(shí)的自然生成，提升了學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。