也談物理規(guī)律教學的“學習進階”

董友軍 翟春城

摘要：學習是一個不斷發(fā)展的過程。隨著學習時間的增加，學生對某一學習主題的認識不斷豐富和逐步深入，即“學習進階”。強調(diào)“學習進階”的物理規(guī)律教學，要明確“學習進階”的起點和終點，規(guī)劃“學習進階”的臺階。根據(jù)物理規(guī)律的邏輯思路，得到物理規(guī)律教學的五級臺階：觀察現(xiàn)象、提出問題、經(jīng)歷過程、提煉結(jié)論、遷移應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：學習進階物理規(guī)律核心素養(yǎng)《氣體實驗定律（Ⅰ）》

學習是一個不斷發(fā)展的過程。隨著學習時間的增加，學生對某一學習主題的認識不斷豐富和逐步深入，即“學習進階”。強調(diào)“學習進階”的物理規(guī)律教學，可以使學生在原有認識的基礎(chǔ)上，將大量零散的、碎片化的知識圍繞物理規(guī)律整合內(nèi)化，發(fā)展科學思維，形成物理觀念，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。下面，以粵教版高中物理選擇性必修第三冊《氣體實驗定律（Ⅰ）》一課為例，闡明如何在物理規(guī)律教學中強調(diào)“學習進階”。

一、明確“學習進階”的起點與終點

“學習進階”的起點就是新知識在原有知識基礎(chǔ)上的生長點。物理規(guī)律教學“學習進階”的起點可以根據(jù)學生已有的知識結(jié)構(gòu)和認知能力來確定。學習《氣體實驗定律（Ⅰ）》一課前，學生已有的知識包括：會求被水銀柱封閉在玻璃管中的氣體的壓強;會用控制變量法研究三個物理量的關(guān)系;會用列表法、圖像法處理實驗數(shù)據(jù);會用坐標變換法把反比關(guān)系的曲線變換成正比關(guān)系的直線。認知心理學指出，這一年齡段（高二）的學生不但具有較強的抽象思維，而且能夠嚴密地邏輯推理，對出乎意料的物理現(xiàn)象有較強的好奇心，并樂意設(shè)計實驗，探究現(xiàn)象本質(zhì)，總結(jié)規(guī)律。這就是學生已有的認知能力。

“學習進階”的終點是指一段學習的目標。顯然，這是一個相對的概念，某一段“學習進階”的終點也許是另一段“學習進階”的起點。我們認為，物理教學的短期目標是讓學生掌握知識，而長遠目標應(yīng)該是發(fā)展學生的物理學科核心素養(yǎng)。分析《氣體實驗定律（Ⅰ）》一課知識內(nèi)容，有機融入物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，將本課“學習進階”的終點確定為：學生參與實驗，觀察實驗現(xiàn)象，分析實驗原因，明確氣體的狀態(tài)由溫度、體積、壓強三個參量決定，主要培養(yǎng)“物理觀念”“科學態(tài)度”等核心素養(yǎng);學生參與實驗，經(jīng)歷科學探究過程，總結(jié)出玻意耳定律的內(nèi)容，主要培養(yǎng)“科學思維”“科學探究”等核心素養(yǎng);學生討論、交流玻意耳定律的適用條件，總結(jié)出“等溫過程模型”，主要培養(yǎng)“科學態(tài)度”“科學思維”等核心素養(yǎng);學生總結(jié)出玻意耳定律的三種表達方式，并運用于習題和生活現(xiàn)象，主要培養(yǎng)“物理觀念”“科學思維”“科學態(tài)度”等核心素養(yǎng)。

二、規(guī)劃“學習進階”的五級臺階

要達到“學習進階”的終點，關(guān)鍵是要規(guī)劃好從起點到終點的“臺階”。根據(jù)物理規(guī)律的邏輯思路，我們把物理規(guī)律教學劃分為觀察、問題、過程、結(jié)論、應(yīng)用五個階段，對應(yīng)觀察現(xiàn)象、提出問題、經(jīng)歷過程、提煉結(jié)論、遷移應(yīng)用這五級臺階。

（一）觀察現(xiàn)象

現(xiàn)象是物理規(guī)律的外在表現(xiàn)，觀察是獲得物理規(guī)律的重要方法。很多物理規(guī)律，就是對物理現(xiàn)象的本質(zhì)提煉。因此，在教學物理規(guī)律時，教師應(yīng)該想方設(shè)法，創(chuàng)設(shè)與規(guī)律關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象，讓學生形成感性認識，激發(fā)學生探究物理規(guī)律的興趣，進而培養(yǎng)學生主動學習的習慣。

課始，教師拿出事先準備好的空氣壓縮引火儀，請一名學生上臺快速向下壓活塞，當學生看到其中的小棉團被點燃時（如圖1），頓時發(fā)出驚嘆之聲，探究情緒高漲。

（二）提出問題

問題是研究的方向，是研究物理規(guī)律的起點。在教學物理規(guī)律時，教師應(yīng)盡量引導學生自己提出問題，從而培養(yǎng)學生提出問題的習慣和能力。

在學生觀察了棉團燃燒的現(xiàn)象之后，教師引導學生首先分析現(xiàn)象背后的原因，接著根據(jù)要求創(chuàng)設(shè)新實驗，定性分析，最后提出定量研究問題。具體教學過程如下：

師小棉團燃燒說明空氣狀態(tài)與哪些物理量有關(guān)？

生向下壓活塞，用眼睛可以觀察到管內(nèi)空氣體積減小;下壓過程中，手受到的作用力越來越大，說明管內(nèi)空氣壓強變大;小棉團燃燒，說明管內(nèi)氣體溫度升高，因此空氣狀態(tài)與體積、壓強、溫度有關(guān)。

師日常生活中有很多現(xiàn)象說明，一定質(zhì)量的氣體的狀態(tài)由壓強、溫度、體積決定。請問，我們可以用什么方法研究氣體三個狀態(tài)參量之間的關(guān)系？

生控制變量法。

師本節(jié)課，我們就來研究一定質(zhì)量的氣體，在控制溫度不變時，其壓強與體積滿足的關(guān)系。（展示組裝好的實驗裝置，如下頁圖2）老師已經(jīng)組裝好了實驗器材。

（演示實驗：緩慢向下壓活塞，發(fā)現(xiàn)空氣柱長度變短、氣壓計讀數(shù)變大，即氣體體積變小、壓強變大;緩慢向上拉活塞，發(fā)現(xiàn)空氣柱長度變長、氣壓計讀數(shù)變小，即氣體體積變大、壓強變小。）

師通過這樣的實驗過程，我們可以提出什么物理問題？

生一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變時，其壓強與體積成反比嗎？

（三）經(jīng)歷過程

科學探究是物理學科核心素養(yǎng)的重要方面，而學生實驗動手能力是科學探究的核心要素。學生的實驗動手能力是通過經(jīng)歷實驗過程培養(yǎng)出來的。

根據(jù)本節(jié)課的實驗特點與教學條件，教師主要讓學生經(jīng)歷控制實驗條件、操作實驗過程、記錄實驗數(shù)據(jù)、處理實驗數(shù)據(jù)等過程。具體教學過程如下：

師為了保證氣體的質(zhì)量不變，老師已經(jīng)在注射器內(nèi)壁涂抹了潤滑油，避免活塞滑動過程中漏氣;為了保證氣體的溫度不變，要求大家緩慢移動活塞，且不要用手接觸注射器封閉氣體部分;為了精確地測量氣體的壓強，我們引進壓強傳感器和數(shù)據(jù)采集器，并借助計算機處理數(shù)據(jù)。

（學生實驗：測量教室環(huán)境溫度為16℃，在注射器20—60 mL范圍內(nèi)，以5 mL為間隔，記錄對應(yīng)狀態(tài)下的壓強，見表1。）

師（操作電腦，得到p-V擬合圖像，見圖3）請問一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變時，其壓強與體積是什么關(guān)系？

生是反比關(guān)系。

師反比曲線是雙曲線的一支。你們能夠看出這條曲線是雙曲線的其中一支嗎？

生看不出來。不過，我們可以“化曲為直”，即先算出1V的數(shù)據(jù)，再用電腦畫出p-1V的圖像。

（學生算出1V，得到表2;再用電腦畫出p -1V擬合圖像，見圖4。）

（四）提煉結(jié)論

準確的結(jié)論要從探究物理規(guī)律的過程中提煉。教師應(yīng)鼓勵學生先各自嘗試總結(jié)結(jié)論，再通過相互交流、積極討論，使結(jié)論不斷修改完善。中學物理規(guī)律結(jié)論主要有三種表達方式：文字表達、公式表達、圖像表達。教師可在教學中根據(jù)實際情況，引導學生經(jīng)歷各種表達方式，加深對規(guī)律的理解，提升認知的關(guān)聯(lián)性和遷移性。

以下是本節(jié)課的核心結(jié)論——玻意耳定律的提煉過程：

師從圖4可以看出，圖像沒有過原點，但很接近，推測這是由于實驗誤差造成的。若忽略實驗誤差影響，p-1V圖像是一條過原點的直線，我們可以得到什么結(jié)論？

生p與1V成正比。

生p與V成反比。

生在氣體溫度不變時，p與V成反比。

生在氣體質(zhì)量、溫度不變時，p與V成反比。

師在物理的發(fā)展過程中，最先總結(jié)出這個規(guī)律的是英國科學家玻意耳，因此我們也把這個規(guī)律叫作玻意耳定律。文字表達只適用于氣體變化的定性分析，若要對氣體變化進行定量分析，就需要把文字表達轉(zhuǎn)化為公式表達，那如何用公式表達玻意耳定律？

生若設(shè)壓強為p、體積為V，則公式為p=CV（C為常量）;若設(shè)初態(tài)時氣體體積為V1、壓強為p1，末態(tài)時氣體體積為V2、壓強為p2，則公式為p1V1=p2V2。

師（出示圖5、圖6）為了直觀地顯示兩個物理量之間的關(guān)系，常采用坐標圖像法表示玻意耳定律?；仡櫼幌拢Ｒ舛墒窃谑裁磳嶒灄l件下總結(jié)出來的？

生氣體的質(zhì)量不變、溫度不變。

師在物理中，一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變時，壓強隨體積變化的過程，叫作等溫過程。等溫過程是玻意耳定律成立的條件。

（五）遷移應(yīng)用

遷移應(yīng)用是深度學習的重要方式，它不但能激發(fā)學生的學習興趣和求知欲望，引導學生勤于觀察和積極思考，而且能讓學生運用所學知識和方法去分析和解決問題，有利于培養(yǎng)學生運用物理知識解決實際問題的能力，激發(fā)創(chuàng)新精神，還能使學生真切體會到科學、技術(shù)、社會之間的相互聯(lián)系與互動關(guān)系，為培養(yǎng)學生的物理觀念、科學態(tài)度奠定堅實基礎(chǔ)。

本節(jié)課，教師設(shè)計了“噴泉”實驗和哈勃瓶吹氣球?qū)嶒灒龑W生遷移運用所學。具體教學過程如下：

（學生根據(jù)下頁圖7、圖8，組裝好“噴泉”實驗裝置，并進行實驗：向里推活塞和向外拉活塞，都可以看到“噴泉”。）

師為什么向里推活塞和向外拉活塞，都可以看到“噴泉”？

生向里推活塞，燒瓶內(nèi)水面上方的空氣溫度不變，體積變小，根據(jù)玻意耳定律可知壓強變大，從而把集氣瓶內(nèi)的水壓出玻璃管，形成“噴泉”;向外拉活塞，燒瓶內(nèi)的空氣溫度不變，體積變大，根據(jù)玻意耳定律可知壓強變小，從而外面的大氣壓把水槽內(nèi)的水壓入集氣瓶，形成“噴泉”。

（教師出示如圖9所示的實驗裝置：哈勃瓶和氣球。學生實驗：第1次拔掉橡皮塞吹氣球，很容易把氣球吹大;第2次塞上橡皮塞吹氣球，很難把氣球吹大。）

師為什么拔掉橡皮塞很容易把氣球吹大，而塞上橡皮塞很難把氣球吹大？

生拔掉橡皮塞吹氣球，哈勃瓶內(nèi)的氣體壓強始終等于大氣壓強，吹氣球時，氣球內(nèi)的壓強變大，大于哈勃瓶內(nèi)的大氣壓強，所以比較容易把氣球吹大;塞上橡皮塞，哈勃瓶與氣球形成封閉空間，其內(nèi)的氣體質(zhì)量不變、溫度不變，當向氣球中吹氣時，氣球體積變大，則封閉空間的體積變小，根據(jù)玻意耳定律可知，封閉空間的壓強變大，從而阻礙氣球被吹大，所以塞上橡皮塞很難把氣球吹大。

強調(diào)“學習進階”的物理規(guī)律教學，不僅能促進學生對物理規(guī)律的深刻理解和靈活應(yīng)用，也有利于培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。以上只是我們在教學實踐中的一種積極探索，也希望未來能在更多的物理教學（如物理概念教學、物理方法教學等）中探索出新的“學習進階”路徑。

*本文系廣東省教育科學“十三五”規(guī)劃重點課題“基于物理核心素養(yǎng)導向的高中物理教學關(guān)鍵問題的實踐研究”（編號：2017ZQJK038）的階段性研究成果。

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