基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理論模型與實(shí)踐路徑

董友軍，翟春城

(北京師范大學(xué)廣州實(shí)驗(yàn)學(xué)校，廣東 廣州 510700)

物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是物理學(xué)研究的方法. 《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中指出:物理學(xué)基于觀察與實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過(guò)科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系[1]. 中學(xué)物理教學(xué)包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)、概念教學(xué)、規(guī)律教學(xué)和練習(xí)教學(xué)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其他3類(lèi)教學(xué)的基礎(chǔ)，它既是物理教學(xué)的方式，也是物理教學(xué)的內(nèi)容. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，旨在落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)，進(jìn)一步提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)人類(lèi)科學(xué)事業(yè)的傳承與社會(huì)的發(fā)展. 本文主要探索基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理論模型與實(shí)踐路徑.

1 基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理論模型

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，它主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等4個(gè)方面. 物理學(xué)科核心素養(yǎng)的4個(gè)方面，不是高低、孤立的關(guān)系，而是平等、關(guān)聯(lián)的關(guān)系. 物理觀念是物理學(xué)科的基礎(chǔ)內(nèi)容，科學(xué)思維和科學(xué)探究是物理學(xué)科的研究方法，科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是物理學(xué)科的社會(huì)價(jià)值. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)活動(dòng)，而物理學(xué)科核心素養(yǎng)是教學(xué)目標(biāo)，即教師通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo). 實(shí)驗(yàn)教學(xué)不是只落實(shí)科學(xué)探究一個(gè)方面的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，而是落實(shí)物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)方面的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，即用實(shí)驗(yàn)形成學(xué)生的物理觀念，用實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生的科學(xué)思維，用實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)探究，用實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，從而構(gòu)建基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理論模型(圖1). 實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是由一個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)組成，但是實(shí)驗(yàn)活動(dòng)不是實(shí)驗(yàn)個(gè)體的簡(jiǎn)單堆積，而是為了落實(shí)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有序展開(kāi).

圖1 理論模型

1.1 用實(shí)驗(yàn)形成學(xué)生的物理觀念

物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)，是物理概念和物理規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ). 物理觀念主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等要素. 物理實(shí)驗(yàn)、物理概念和物理規(guī)律，都是形成物理觀念的基本元素. 教師可以創(chuàng)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理概念、掌握物理規(guī)律，并用物理概念和物理規(guī)律解釋自然現(xiàn)象、解決實(shí)際問(wèn)題，從而形成學(xué)生的物理觀念[2].

例如力的合成實(shí)驗(yàn)(圖2)，通過(guò)探究平行四邊形定則的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，讓學(xué)生形成物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用等物理觀念. 固定橡皮筋的一端，先用2個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉橡皮筋另一端上的細(xì)繩套，記下結(jié)點(diǎn)位置為O、2個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉力的大小和2個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉力的方向；再用1個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉橡皮筋另一端上的細(xì)繩套，并把結(jié)點(diǎn)拉到O位置，記下該彈簧測(cè)力計(jì)拉力的大小和方向；最后通過(guò)分析，總結(jié)出平行四邊形定則. 學(xué)生經(jīng)歷上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)拉橡皮筋產(chǎn)生彈力，讓學(xué)生體會(huì)：力是物體對(duì)物體的作用，強(qiáng)化力的相互性與物質(zhì)性；通過(guò)彈力把橡皮筋拉長(zhǎng)，強(qiáng)化力的作用效果可以使物體產(chǎn)生形變；通過(guò)2個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)和1個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)都把橡皮筋結(jié)點(diǎn)拉到O位置，既可以強(qiáng)化力是矢量，則只有2個(gè)力的大小相等、方向相同，才可以保證2個(gè)力等效，也可以強(qiáng)化合力與分力關(guān)系，則只有1個(gè)力產(chǎn)生的效果與另外2個(gè)力產(chǎn)生的效果相同時(shí)，才可以說(shuō)這個(gè)力是另外2個(gè)力的合力，而另外2個(gè)力是這個(gè)力的分力；強(qiáng)化矢量運(yùn)算滿(mǎn)足平行四邊形定則，標(biāo)量運(yùn)算滿(mǎn)足代數(shù)運(yùn)算.

圖2 力的合成實(shí)驗(yàn)

1.2 用實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生的科學(xué)思維

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過(guò)程，是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用，是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品質(zhì). 科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素. 教師創(chuàng)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)，不僅為學(xué)生提供豐富多彩的感性材料，幫助學(xué)生理解物理概念和物理規(guī)律，提高學(xué)生探索問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，而且通過(guò)經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)過(guò)程，激活學(xué)生的發(fā)散思維、批判意識(shí)和創(chuàng)新能力，促使學(xué)生的思維品質(zhì)產(chǎn)生飛躍，從而提升學(xué)生的科學(xué)思維.

例如易拉罐靜電實(shí)驗(yàn)(圖3)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題，在解決問(wèn)題過(guò)程中，通過(guò)思考提升學(xué)生的科學(xué)思維. 教師創(chuàng)設(shè)演示實(shí)驗(yàn)：把空的易拉罐放在水平玻璃桌面上，用毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒慢慢靠近易拉罐. 先請(qǐng)學(xué)生猜測(cè)會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？學(xué)生在猜測(cè)的過(guò)程中，將經(jīng)歷如下思維過(guò)程：毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒得到電子而帶負(fù)電荷，由于靜電感應(yīng)，易拉罐靠近橡膠棒一側(cè)感應(yīng)出正電荷，正負(fù)電荷相互吸引，在橡膠棒慢慢靠近易拉罐過(guò)程中，當(dāng)吸引力大于玻璃桌面對(duì)易拉罐的阻力時(shí)，易拉罐開(kāi)始向橡膠棒滾動(dòng). 通過(guò)以上思維過(guò)程，學(xué)生猜測(cè)會(huì)發(fā)生易拉罐向橡膠棒滾動(dòng)現(xiàn)象，從而培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)和科學(xué)推理等科學(xué)思維. 此時(shí)學(xué)生有比較迫切的心情，想知道自己的猜測(cè)是否與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致，這可有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性. 再演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生看到易拉罐確實(shí)向橡膠棒滾動(dòng)，可當(dāng)易拉罐與橡膠棒接觸后，學(xué)生沒(méi)有想到的現(xiàn)象發(fā)生了，易拉罐不但沒(méi)有被橡膠棒吸住，反而遠(yuǎn)離橡膠棒滾動(dòng). 由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出乎學(xué)生意料，從而再次調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性. 教師追問(wèn)學(xué)生，為何易拉罐接觸橡膠棒后會(huì)遠(yuǎn)離橡膠棒滾動(dòng)？在回答過(guò)程中，學(xué)生會(huì)經(jīng)歷如下思維過(guò)程：易拉罐接觸橡膠棒后，橡膠棒上的電子轉(zhuǎn)移到易拉罐上，此時(shí)易拉罐與橡膠棒都帶負(fù)電荷，同種電荷相互排斥，因此易拉罐接觸橡膠棒后會(huì)遠(yuǎn)離橡膠棒滾動(dòng). 至此實(shí)驗(yàn)已經(jīng)結(jié)束，但為了提升學(xué)生的思維品質(zhì)，還可以繼續(xù)設(shè)問(wèn)：假設(shè)玻璃表面是光滑的水平面，易拉罐將會(huì)做怎樣的運(yùn)動(dòng)？這樣一波三折的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，既讓學(xué)生感受到實(shí)驗(yàn)的無(wú)窮魅力，也讓學(xué)生科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維得到了較大提升.

圖3 易拉罐靜電實(shí)驗(yàn)

1.3 用實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)探究

科學(xué)探究是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問(wèn)題，形成猜想和假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋?zhuān)约皩?duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估和反思的能力. 科學(xué)探究主要包括問(wèn)題、證據(jù)、解釋和交流等要素. 愛(ài)因斯坦說(shuō)提出問(wèn)題比解決問(wèn)題更重要. 因?yàn)榻鉀Q問(wèn)題僅僅是實(shí)驗(yàn)技能，而提出問(wèn)題需要想象力和創(chuàng)造力，它標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步. 教師創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在觀察或體驗(yàn)后，有所發(fā)現(xiàn)、有所聯(lián)想，并提出物理問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)方案，探索自己提出的問(wèn)題，這將極大地激發(fā)學(xué)生的好奇心，從而訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)探究.

例如測(cè)量最大靜摩擦力實(shí)驗(yàn)(圖4)，通過(guò)設(shè)計(jì)、交流、分析過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究意識(shí)和科學(xué)探究能力. 用彈簧測(cè)力計(jì)通過(guò)1根細(xì)線拉動(dòng)物塊，從0 N開(kāi)始逐漸增大拉力，物塊處于靜止?fàn)顟B(tài). 在增大拉力的過(guò)程中，可以選擇幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，保持彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)不變，問(wèn)學(xué)生此時(shí)靜摩擦力是多大？讓學(xué)生體會(huì)靜摩擦力的大小是可變的. 為了使靜摩擦力的變化過(guò)程延長(zhǎng)，增加學(xué)生觀察、體驗(yàn)和思考的時(shí)間，可以在物塊上加適當(dāng)?shù)捻来a以增大最大靜摩擦力. 當(dāng)物塊突然滑動(dòng)后，再問(wèn)學(xué)生靜摩擦力大小如何變化？從靜摩擦力的變化過(guò)程建立最大靜摩擦力的概念，學(xué)生的理解更加深刻，而且還可以體驗(yàn)由量變到質(zhì)變的過(guò)程，把物理知識(shí)上升到哲學(xué)高度. 最大靜摩擦力稍縱即逝，若能把最大靜摩擦力的大小記錄下來(lái)，會(huì)給學(xué)生帶來(lái)全新的感受. 繼續(xù)提問(wèn)學(xué)生，如何記錄最大靜摩擦力的大??？然后組織學(xué)生討論，最終得出在彈簧測(cè)力計(jì)的面板上放1張小紙條，當(dāng)拉力增大時(shí)，小紙條隨著指針慢慢移動(dòng)，當(dāng)物塊突然滑動(dòng)時(shí)，紙條的最終停留位置就記錄了最大靜摩擦力. 通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程，不僅會(huì)讓學(xué)生為如此巧妙、簡(jiǎn)單、實(shí)用的辦法而拍手叫絕，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、提出物理問(wèn)題能力和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ瓤茖W(xué)探究素養(yǎng).

圖4 測(cè)量最大靜摩擦力實(shí)驗(yàn)

1.4 用實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度，以及遵守道德規(guī)范，保護(hù)環(huán)境并推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感. 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會(huì)責(zé)任等要素. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度、提高社會(huì)責(zé)任感的有效途徑. 通過(guò)教師創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)，既可以讓學(xué)生初步體驗(yàn)科學(xué)研究的過(guò)程與方法，也可以讓學(xué)生增強(qiáng)對(duì)物理知識(shí)的理解與應(yīng)用，還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任[3].

例如測(cè)量反應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)(圖5)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生遵守交通規(guī)則，也讓學(xué)生理解交通規(guī)則的內(nèi)涵，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任. 學(xué)習(xí)了自由落體運(yùn)動(dòng)后，引導(dǎo)學(xué)生做簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生回家測(cè)量家長(zhǎng)喝酒前與喝酒后的反應(yīng)時(shí)間. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：學(xué)生在上方捏住刻度尺的頂端，家長(zhǎng)在下方張開(kāi)手指準(zhǔn)備接住刻度尺；當(dāng)學(xué)生松手后，

圖5 測(cè)量反應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)

2 基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐路徑

建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)，意義不是簡(jiǎn)單地由事物本身決定的，而是人以原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)來(lái)建構(gòu)自己對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的解釋和理解[4]. 學(xué)習(xí)是積極主動(dòng)的意義建構(gòu)和社會(huì)互動(dòng)過(guò)程. 教學(xué)并不是把知識(shí)經(jīng)驗(yàn)從外部裝到學(xué)生的頭腦中，而是要引導(dǎo)學(xué)生從原有的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，建構(gòu)起新的經(jīng)驗(yàn)，而這一建構(gòu)過(guò)程常常是通過(guò)參與共同體的社會(huì)互動(dòng)而完成的. 探究性學(xué)習(xí)就是學(xué)習(xí)者通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題而建構(gòu)知識(shí)的過(guò)程. 按照這種思路，應(yīng)該把學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)置到有意義的問(wèn)題情境中去，讓學(xué)生針對(duì)所要探究的領(lǐng)域提出感興趣的問(wèn)題，學(xué)習(xí)者通過(guò)不斷解決問(wèn)題和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，學(xué)習(xí)與所探究問(wèn)題有關(guān)的知識(shí)，形成解決問(wèn)題的技能. 研究表明，以問(wèn)題為中心進(jìn)行的探究性學(xué)習(xí)有利于幫助學(xué)生提高靈活應(yīng)用知識(shí)的能力，形成有效的問(wèn)題解決和推理策略，并發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)技能. 根據(jù)以上觀點(diǎn)，基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐路徑，可以劃分為8個(gè)基本環(huán)節(jié)：觀察現(xiàn)象、提出問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案、操作實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)、提煉結(jié)論、分析誤差、應(yīng)用生活(圖6).

圖6 實(shí)踐路徑

以下以粵教版選擇性必修三“氣體實(shí)驗(yàn)定律(Ⅰ)”為例[5]，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐路徑的8個(gè)基本環(huán)節(jié).

2.1 觀察現(xiàn)象

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀指出，認(rèn)識(shí)知識(shí)是不可能脫離活動(dòng)情境而抽象地存在的，學(xué)習(xí)應(yīng)該與情境化的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)結(jié)合起來(lái)[4]. 知識(shí)存在于具體的、情境性的、可感知的活動(dòng)之中. 知識(shí)不是一套獨(dú)立于情境的符號(hào)，它只有通過(guò)實(shí)際應(yīng)用活動(dòng)才能真正被人理解. 人的學(xué)習(xí)應(yīng)該與情境化的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)聯(lián)系在一起.

觀察現(xiàn)象是指學(xué)生仔細(xì)察看教師創(chuàng)設(shè)情境的物理現(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(duì)物理現(xiàn)象的本質(zhì)提煉. 因此，在進(jìn)行氣體實(shí)驗(yàn)定律(Ⅰ)教學(xué)時(shí)，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(xué)生觀察現(xiàn)象，形成感性認(rèn)識(shí)，這有利于激發(fā)學(xué)生探究物理規(guī)律的興趣，從而培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣. 如教師準(zhǔn)備好空氣壓縮引火儀[圖7(a)]，并請(qǐng)學(xué)生快速向下壓活塞，當(dāng)學(xué)生觀察到小棉團(tuán)燃燒現(xiàn)象[圖7(b)]，頓時(shí)發(fā)出驚嘆之聲，探究情緒高漲.

(a) (b) 圖7 引火儀

2.2 提出問(wèn)題

提出問(wèn)題是指學(xué)生根據(jù)觀察到的現(xiàn)象提出與物理相關(guān)的研究問(wèn)題. 問(wèn)題是研究的方向，是研究物理規(guī)律的起點(diǎn)，愛(ài)因斯坦認(rèn)為提出問(wèn)題比解決問(wèn)題更重要.

在進(jìn)行氣體實(shí)驗(yàn)定律(Ⅰ)教學(xué)時(shí)，教師不要直接告訴學(xué)生問(wèn)題，而要引導(dǎo)學(xué)生自己提出問(wèn)題，養(yǎng)成學(xué)生提出問(wèn)題的習(xí)慣,培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題的能力. 通過(guò)引火儀實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以觀察到管內(nèi)空氣體積減小,用手可以體驗(yàn)到管內(nèi)空氣壓強(qiáng)變大，而小棉團(tuán)燃燒說(shuō)明管內(nèi)氣體溫度升高，因此可以得出空氣狀態(tài)與體積、壓強(qiáng)和溫度有關(guān). 此時(shí)學(xué)生自然就會(huì)提出各種問(wèn)題：氣體的狀態(tài)與體積、壓強(qiáng)和溫度有什么關(guān)系呢？用什么方法研究壓強(qiáng)、溫度和體積之間的關(guān)系呢？若控制溫度不變，壓強(qiáng)與體積有什么關(guān)系？若控制壓強(qiáng)不變，溫度與體積有什么關(guān)系？若控制體積不變，溫度與壓強(qiáng)有什么關(guān)系？

2.3 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案是指設(shè)計(jì)出能夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求的具體方案. 方案的設(shè)計(jì)難度比較大，也受到實(shí)驗(yàn)器材的限制. 中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)設(shè)很多新穎的方案，但教師要引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件、器材選擇方案，讓學(xué)生明白“理想很豐滿(mǎn)，現(xiàn)實(shí)很骨感”的道理.

在進(jìn)行氣體實(shí)驗(yàn)定律(Ⅰ)教學(xué)時(shí)，根據(jù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件，教師引導(dǎo)學(xué)生選擇圖8所示方案，作為課堂探究實(shí)驗(yàn). 教師引導(dǎo)學(xué)生分析，通過(guò)橡皮塞和活塞封閉的空氣柱是實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，通過(guò)氣壓計(jì)測(cè)量空氣柱的壓強(qiáng)，通過(guò)注射器刻度測(cè)量空氣柱的體積. 為了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持溫度不變，操作時(shí)，手不能接觸空氣柱，因?yàn)槭纸佑|空氣柱，會(huì)使空氣柱的溫度發(fā)生變化. 同時(shí)，在拉動(dòng)活塞時(shí)，速度不能太快，因?yàn)樗俣冗^(guò)快，活塞與玻璃管摩擦生熱，從而改變空氣柱的溫度. 為了精確地測(cè)量氣體壓強(qiáng)，引進(jìn)壓強(qiáng)傳感器和數(shù)據(jù)采集器，并且借助計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù). 組裝好實(shí)驗(yàn)器材如圖9所示.

圖8 等溫實(shí)驗(yàn)裝置

圖9 組合等溫實(shí)驗(yàn)

2.4 操作實(shí)驗(yàn)

操作實(shí)驗(yàn)是指學(xué)生親自動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程. 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)分工與合作，讓每個(gè)學(xué)生都有參與實(shí)驗(yàn)操作的機(jī)會(huì)，落實(shí)“人人有體驗(yàn)，個(gè)個(gè)有發(fā)展”的育人理念. 若實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，可以讓學(xué)生完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程；若實(shí)驗(yàn)復(fù)雜，根據(jù)學(xué)生特長(zhǎng)，讓學(xué)生負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)部分過(guò)程.

氣體實(shí)驗(yàn)定律(Ⅰ)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，在4名學(xué)生的小組內(nèi)，每位學(xué)生可以做1次實(shí)驗(yàn)；也可以4名學(xué)生合作做實(shí)驗(yàn)，1名學(xué)生負(fù)責(zé)推拉活塞，1名學(xué)生負(fù)責(zé)讀壓強(qiáng)，1名學(xué)生負(fù)責(zé)讀空氣柱體積，1名學(xué)生記錄空氣柱壓強(qiáng)和體積. 教室溫度為16 ℃，在注射器20～60 mL范圍內(nèi)，以5 mL為間隔，記錄壓強(qiáng)如表1所示.

表1 壓強(qiáng)記錄表

2.5 處理數(shù)據(jù)

處理數(shù)據(jù)是指對(duì)實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)化的處置與理解. 必須向?qū)W生強(qiáng)調(diào)，記錄數(shù)據(jù)要客觀真實(shí)，不能隨意修改，并養(yǎng)成認(rèn)真細(xì)致的習(xí)慣. 在高中階段，記錄的數(shù)據(jù)一般用圖像法進(jìn)行處理，若用數(shù)學(xué)坐標(biāo)圖表示，一般橫坐標(biāo)表示自變量，縱坐標(biāo)表示因變量，并寫(xiě)出數(shù)學(xué)表達(dá)式.

在氣體實(shí)驗(yàn)定律(Ⅰ)教學(xué)中，設(shè)橫坐標(biāo)為體積，縱坐標(biāo)為壓強(qiáng)，通過(guò)壓強(qiáng)傳感器和數(shù)據(jù)采集器，并借助計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)(圖10). 由于圖10是曲線，只能大致看出體積與壓強(qiáng)的定性關(guān)系，即體積越大壓強(qiáng)越小. 為了更準(zhǔn)確了解體積與壓強(qiáng)的關(guān)系，中學(xué)階段常采用坐標(biāo)變換法，把曲線轉(zhuǎn)化為直線. 根據(jù)學(xué)生提供的p和V-1數(shù)據(jù)(表2)，用電腦畫(huà)出p-V-1擬合圖像(圖11).

圖10 p -V圖

表2 V-1與p數(shù)據(jù)

圖11 p -V-1圖

2.6 提煉結(jié)論

提煉結(jié)論是指學(xué)生從實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中提煉出準(zhǔn)確的結(jié)論. 教師應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生各自提煉結(jié)論，并要求同學(xué)之間相互交流、積極討論，不斷修改完善結(jié)論. 提煉結(jié)論的過(guò)程有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng).

中學(xué)物理規(guī)律結(jié)論主要有3種表達(dá)方式：文字表達(dá)、公式表達(dá)和圖像表達(dá). 從圖11可以看出，圖像沒(méi)有過(guò)原點(diǎn)，這是由于實(shí)驗(yàn)誤差造成的. 若忽略實(shí)驗(yàn)誤差影響，p-V-1圖像是1條過(guò)原點(diǎn)的直線，這表示p與V-1成正比，即p與V成反比，其文字表達(dá)為在氣體質(zhì)量不變、溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)與體積成反比. 文字表達(dá)只適用于氣體變化的定性分析，若要對(duì)氣體變化進(jìn)行定量分析，就需要把文字表達(dá)轉(zhuǎn)化為公式表達(dá)，若設(shè)壓強(qiáng)為p、體積為V，則公式為p=C/V(C為常量)；若設(shè)初態(tài)時(shí)氣體體積為V1、壓強(qiáng)為p1，末態(tài)時(shí)氣體體積為V2、壓強(qiáng)為p2，則公式為p1V1=p2V2.

2.7 分析誤差

分析誤差是指教師引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的誤差. 任何實(shí)驗(yàn)都存在誤差，誤差無(wú)法避免，只能設(shè)法減少.

在氣體實(shí)驗(yàn)定律(Ⅰ)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，活塞可能漏氣而難以保證氣體質(zhì)量不變，外界環(huán)境溫度不穩(wěn)定也難以保證氣體溫度不變，玻璃管和氣壓計(jì)刻度不準(zhǔn)確以及讀數(shù)不準(zhǔn)確，也造成氣體體積和氣體壓強(qiáng)讀數(shù)不準(zhǔn)確而產(chǎn)生誤差，等等. 分析誤差，既可以讓研究結(jié)論更加準(zhǔn)確，也可以培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、精準(zhǔn)意識(shí)和高階思維.

2.8 應(yīng)用生活

應(yīng)用生活是指把實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論、物理規(guī)律應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活. 物理規(guī)律從生活中來(lái)，也要回到生活中去，在生活中應(yīng)用，為生活服務(wù)，這是深度學(xué)習(xí)的重要方式，它不但能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，引導(dǎo)學(xué)生勤于觀察和積極思考，而且讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去分析和解決問(wèn)題，有利于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，也有利于激勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新精神，還使學(xué)生真切體會(huì)到科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)之間的相互聯(lián)系與互動(dòng)關(guān)系，為培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念和科學(xué)態(tài)度奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ). 建構(gòu)主義知識(shí)觀中指出：學(xué)習(xí)不能滿(mǎn)足于教條式地掌握知識(shí)，而是需要不斷深化，把握知識(shí)在具體情境中的靈活變化.

氣體實(shí)驗(yàn)定律(Ⅰ)教學(xué)創(chuàng)設(shè)2個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生參與體驗(yàn)，用玻意耳定律進(jìn)行解釋?zhuān)燃ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，也培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力.

實(shí)驗(yàn)1：噴泉實(shí)驗(yàn)(圖12). 讓學(xué)生自己動(dòng)手向里推活塞或向外拉活塞，可以看到“噴泉”. 學(xué)生經(jīng)過(guò)分析討論，得出形成“噴泉”的原因：向里推活塞，燒瓶?jī)?nèi)水面上方空氣的溫度不變，體積變小，根據(jù)玻意耳定律可得壓強(qiáng)變大，從而把燒瓶?jī)?nèi)的水壓出玻璃管，形成“噴泉”；向外拉活塞，燒瓶?jī)?nèi)空氣的溫度不變，體積變大，根據(jù)玻意耳定律可得壓強(qiáng)變小，從而外面的大氣壓把燒瓶?jī)?nèi)的水壓出玻璃管，形成“噴泉”.

圖12 噴泉實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)2：哈勃瓶實(shí)驗(yàn)(圖13). 讓學(xué)生第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.

圖13 哈勃瓶實(shí)驗(yàn)

學(xué)生經(jīng)過(guò)分析討論，總結(jié)出原因：拔掉橡皮塞吹氣球，哈勃瓶?jī)?nèi)的氣體壓強(qiáng)始終等于大氣壓強(qiáng)，當(dāng)吹氣球時(shí)，氣球內(nèi)的壓強(qiáng)變大，大于哈勃瓶?jī)?nèi)的大氣壓強(qiáng)，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(dāng)給氣球吹氣時(shí)，氣球體積變大，則封閉空間的體積變小，根據(jù)玻意耳定律可得封閉空間的壓強(qiáng)變大，從而阻礙氣球被吹大，所以塞上橡皮塞吹氣球很難把氣球吹大.

3 結(jié)束語(yǔ)

落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)既是時(shí)代發(fā)展的要求，也是物理教學(xué)的要求. 物理教學(xué)應(yīng)該以發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)為教學(xué)目標(biāo)，即教師把物理學(xué)科核心素養(yǎng)滲透在教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中(可以稱(chēng)為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的溶解)，學(xué)生通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題形成物理學(xué)科核心素養(yǎng)(可以稱(chēng)為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的結(jié)晶). 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)的主要形式，更是發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)的最佳方式，因?yàn)橥ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)既可以增強(qiáng)課堂氛圍和學(xué)習(xí)興趣，也可以獲得物理概念和自然規(guī)律，還可以培養(yǎng)實(shí)踐意識(shí)和合作精神.