實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中落實(shí)核心素養(yǎng)的思考

劉梅 王治國

摘? ?要：文章從培育學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的角度，對“氣體的等溫變化”實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上對本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)提出了四個(gè)方面的建議。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)探究教學(xué);核心素養(yǎng);氣體的等溫變化

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）1-0078-3

“氣體的等溫變化”是研究氣體性質(zhì)的開篇內(nèi)容，也是學(xué)生對氣體宏觀現(xiàn)象規(guī)律的第一次實(shí)驗(yàn)探究，其中包含了許多科學(xué)思想與方法，是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究能力，提升其物理學(xué)科核心素養(yǎng)的良好素材。本文從物理學(xué)科核心素養(yǎng)角度重點(diǎn)探討在本節(jié)課中實(shí)施科學(xué)探究教學(xué)的相關(guān)問題。

1? ? 教材內(nèi)容的呈現(xiàn)與分析

教材是按“探究氣體等溫變化的規(guī)律”“玻意耳定律”“氣體等溫變化的p-V圖像”三個(gè)部分來呈現(xiàn)相關(guān)知識。為了讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法，教材嘗試用科學(xué)探究的方法研究氣體的等溫變化，考慮到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對學(xué)生來說比較困難，教材以較大的篇幅呈現(xiàn)了兩種實(shí)驗(yàn)探究方案：一種是利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置——帶有氣壓表的注射器來探究;另一種是采用傳感器采集數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)描繪圖像的方法進(jìn)行探究。筆者發(fā)現(xiàn)，第一種方案中各物理量易于測量，操作簡便、直觀，學(xué)生通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，較容易得出壓強(qiáng)與體積之間的定量關(guān)系，其不足是氣壓表表盤的最小分度值較大，讀數(shù)不夠精確;第二種方案中測量范圍廣、精度高，實(shí)驗(yàn)操作更便捷，不用自己讀數(shù)，也不用自己處理數(shù)據(jù)，其不足是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中的“思維含量”偏低。

教材后半部分以“數(shù)學(xué)表達(dá)式”和“p-V圖像”兩種方式呈現(xiàn)出氣體等溫變化的規(guī)律，充分體現(xiàn)了編者關(guān)注學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的完整性和系統(tǒng)性，既注重知識形成過程，又強(qiáng)調(diào)知識的理解和應(yīng)用。

2? ? 實(shí)際教學(xué)中存在的問題

通過近幾年的教學(xué)發(fā)現(xiàn)，在本節(jié)課教學(xué)中往往存在以下問題：

2.1? ? 注重演示和模擬，忽略實(shí)際操作

部分教師為了追求知識建構(gòu)的“短、平、快”，用教師演示實(shí)驗(yàn)替代學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出和知識點(diǎn)的呈現(xiàn)采用講授的方式，把教學(xué)重點(diǎn)放在對玻意耳定律的理解和應(yīng)用上。這種做法可能導(dǎo)致學(xué)生不清楚知識的來龍去脈，學(xué)生雖然能夠記住結(jié)論，但對規(guī)律和方法難以深入理解，學(xué)科核心素養(yǎng)在教學(xué)中并沒有得到很好的落實(shí)。

2.2? ? 重形式，輕思維

還有一種情況是提供給學(xué)生設(shè)計(jì)好的任務(wù)單，學(xué)生按照任務(wù)單上的實(shí)驗(yàn)步驟動手實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象，在已有表格中記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為是被動“執(zhí)行”，沒有考慮實(shí)驗(yàn)為什么要這樣做，有沒有其他更好的操作方法;還有的探究過程甚至變成了“老師說，學(xué)生做”的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。表面上看，整個(gè)探究活動過程完整、條理清晰、課堂秩序自然流暢，教學(xué)目標(biāo)按計(jì)劃似乎達(dá)成了，但這種實(shí)驗(yàn)探究使得學(xué)生學(xué)習(xí)能力無法得到充分發(fā)展，不利于科學(xué)思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.3? ? 生搬硬套，不注重課本資源的整合與重組

教材中“用注射器加氣壓表的實(shí)驗(yàn)探究”和“用傳感器和計(jì)算機(jī)探究” 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案各有優(yōu)劣。第一種方案可以通過問題的設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生開展探究學(xué)習(xí)，體驗(yàn)科學(xué)探究過程，領(lǐng)會科學(xué)探究的思想方法，但由于如前文所述的不足，讓人感到實(shí)驗(yàn)不夠嚴(yán)謹(jǐn)，結(jié)果也難以讓人信服，不利于學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度;第二種方案可以更快捷、準(zhǔn)確地探究壓強(qiáng)和體積的定量關(guān)系，但又不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。因此，教師應(yīng)該對兩種方案進(jìn)行整合與重組。

3? ? 教學(xué)建議

3.1? ? 重視創(chuàng)設(shè)問題情境，培養(yǎng)學(xué)生提出問題的能力

提出問題是科學(xué)探究的第一步，也是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)。在實(shí)際教學(xué)中，許多教師常常將“提出問題”簡化處理：探究的問題不是讓學(xué)生經(jīng)過分析與思考后自主提出，而是由教師直接呈現(xiàn)，由此導(dǎo)致學(xué)生問題意識缺失，難以體會科學(xué)探究的基本特征，新課標(biāo)規(guī)定的提出問題能力不能得到有效落實(shí)。筆者認(rèn)為，教學(xué)中應(yīng)當(dāng)重視提出問題環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，通過問題串創(chuàng)設(shè)“憤”“悱”情境，培養(yǎng)學(xué)生通過觀察和思考自主發(fā)現(xiàn)問題和提出問題的習(xí)慣。

例如，在引入新課環(huán)節(jié)，設(shè)置以下問題情境：“說到氣體同學(xué)們應(yīng)當(dāng)不會陌生，你們能說說在生活中氣體變化的有關(guān)現(xiàn)象嗎？”“比較上述現(xiàn)象，你有什么發(fā)現(xiàn)？”“如果讓你來研究氣體的變化，你最想知道的是什么？”“如何研究壓強(qiáng)、體積和溫度的關(guān)系？”“怎樣運(yùn)用控制變量法研究這三個(gè)物理量之間的關(guān)系？”這種以問題為導(dǎo)向，創(chuàng)設(shè)觀察、分析、探究的氛圍，學(xué)生的思維被激活了，雖然學(xué)生面對的是以前沒有研究過的“氣體”，也能夠在觀察中獲得感悟，在分析中發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而自主地提出問題，主動參與到實(shí)驗(yàn)探究過程中。

3.2? ? 注重學(xué)生的經(jīng)歷和體驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

作為一節(jié)規(guī)律探究課，本節(jié)課的重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是如何落實(shí)探究教學(xué)，讓學(xué)生在探究中理解玻意耳定律，感知科學(xué)探究的過程和方法。這就需要教師精心設(shè)計(jì)探究過程，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體驗(yàn)探究的艱辛和樂趣，提升其對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識，提高其科學(xué)探究能力。

例如，在實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，筆者設(shè)計(jì)了如下問題：“氣體在溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)會隨體積發(fā)生變化，生活中有這種變化嗎？”“根據(jù)生活中的體驗(yàn)，你認(rèn)為壓強(qiáng)和體積之間存在什么關(guān)系？依據(jù)是什么？”“請同學(xué)們設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案來驗(yàn)證這個(gè)猜想”“按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)‘合理、可行、方便的要求，你們覺得哪個(gè)方案更合適一些？”“這個(gè)方案需要測量哪些物理量？如何測量？”“如何控制氣體的質(zhì)量m和溫度T保持不變？”這種基于生活現(xiàn)象設(shè)計(jì)問題情境，通過“問題驅(qū)動”引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)探究方案，選擇符合情境要求的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在討論交流中獲得了體驗(yàn)，既有效地提高了學(xué)生的主觀能動性，又讓學(xué)生在享受設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特樂趣中不斷提高其參與實(shí)驗(yàn)的能力與信心。

在分析論證環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生觀察分析數(shù)據(jù)：“你認(rèn)為p和V之間存在什么關(guān)系？”“由圖像可以看出p和V之間是什么關(guān)系？”“如何進(jìn)一步確定p和V之間是不是成反比關(guān)系呢？”“以前有沒有遇到過類似的問題？”“有沒有其他的處理方法？”“由實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)，你能發(fā)現(xiàn)什么？”“有沒有同學(xué)沒有得到這個(gè)結(jié)論？” “你們的pV乘積都一樣嗎？為什么？”學(xué)生在這一個(gè)個(gè)問題的引導(dǎo)下，經(jīng)歷了從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)到物理規(guī)律探究的過程，體驗(yàn)到了科學(xué)探究的方法，加深了對玻意耳定律的理解，促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)思維能力、科學(xué)探究能力的提升。

3.3? ? 借助問題解決，滲透科學(xué)思維方法教育

問題解決的過程往往包含著科學(xué)的思維方法。本節(jié)課的主題是探究氣體等溫變化過程中的規(guī)律，圍繞這個(gè)主題，教學(xué)中要注意遵循學(xué)生思維發(fā)展的特點(diǎn)，設(shè)置教學(xué)環(huán)節(jié)，促進(jìn)其科學(xué)思維能力的提升。

控制變量法是高中物理教學(xué)中重要的研究方法，教學(xué)中要注意引導(dǎo)學(xué)生對控制變量法的理解，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)會如何控制實(shí)驗(yàn)條件和物理變量，養(yǎng)成用控制變量的方法來解決問題的意識，從而提高其運(yùn)用控制變量法來認(rèn)識規(guī)律、理解規(guī)律的能力。

在記錄和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，采用的是“列表法”和“圖像法”，它們的顯著特點(diǎn)是直觀、一目了然，可以簡明地顯示出p和V之間的對應(yīng)關(guān)系，既活躍了學(xué)生的思維，讓學(xué)生學(xué)會把數(shù)學(xué)上的函數(shù)圖像知識轉(zhuǎn)化為解決物理問題的工具，又在潛移默化中達(dá)到了知識的遷移，加深學(xué)生對玻意耳定律的理解。教學(xué)中要注意放手讓學(xué)生動手制表、畫圖、演算、分析， 體驗(yàn)科學(xué)處理數(shù)據(jù)的方法，養(yǎng)成科學(xué)的思維習(xí)慣，增強(qiáng)創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力。

學(xué)生對“直接呈現(xiàn)p-1/V圖像來探究p和V的關(guān)系”心存疑惑：“為什么不用p-V圖像？”“怎么想到要用p-1/V圖像？”筆者采用“類比法”突破這一難點(diǎn)：通過引導(dǎo)學(xué)生類比“研究a與m的關(guān)系時(shí)，作a-1/m圖像的方法”來理解作p-1/V圖像可以避免煩瑣的雙曲線的判斷，可以更方便、更直觀地判斷p、V之間的反比關(guān)系。

3.4? ? 注重交流反思，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任

探究氣體等溫變化的規(guī)律是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究過程。教學(xué)中要注意引導(dǎo)學(xué)生以尊重事實(shí)、一絲不茍的態(tài)度做好探究的各個(gè)環(huán)節(jié)的工作，體會科學(xué)探究的嚴(yán)謹(jǐn)性，養(yǎng)成實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)態(tài)度。

例如，在用帶有氣壓表的注射器探究出氣體等溫變化的規(guī)律后，引導(dǎo)學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)操作過程：“有沒有同學(xué)沒有得到這個(gè)結(jié)論？”讓沒有得到這個(gè)結(jié)論的學(xué)生上臺重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作過程，師生間進(jìn)行交流評估，指出存在的問題，找出問題的根源，認(rèn)識到任何一個(gè)環(huán)節(jié)疏忽都會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差;在分析實(shí)驗(yàn)裝置后，引導(dǎo)學(xué)生展開思考：“對‘p1V1=p2V2這個(gè)結(jié)論，你是否有絕對把握？”學(xué)生討論交流后會得出：壓力表表盤最小分度值較大，讀數(shù)不夠精確，所得數(shù)據(jù)也相對較少，僅僅只靠幾組數(shù)據(jù)就下結(jié)論，讓人感到不夠嚴(yán)密。由此引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“傳感器和計(jì)算機(jī)”可以更方便、準(zhǔn)確、能測量更多數(shù)據(jù)的優(yōu)勢來論證上述結(jié)論。這種通過實(shí)驗(yàn)后的交流與反思，將教材資源有效組合，既加深了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)論的深刻理解，又培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

在利用p-V圖像處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，引導(dǎo)學(xué)生思考：“圖線是不是反比關(guān)系的雙曲線？”“如何進(jìn)一步確定p和V之間是不是成反比關(guān)系？”“圖中的點(diǎn)能近似在一條直線上嗎？”讓學(xué)生通過對這些問題的思考，重新審視用圖像處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性、科學(xué)性，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與猜想間的差異，質(zhì)疑數(shù)據(jù)的可靠性，深刻感悟到嚴(yán)謹(jǐn)和實(shí)事求是的必要性，從而形成用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度來對待科學(xué)問題的習(xí)慣。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐將二.“氣體的等溫變化”教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與思考[J].物理教學(xué)，2016，38（01）：31-34.

[2]陳曉冬.指向?qū)W生物理核心素養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐——以“氣體的等溫變化”教學(xué)為例[J].物理教學(xué)，2018，40（08）：42-45.

（欄目編輯? ? 李富強(qiáng)）