指向核心素養(yǎng)的ST雙螺旋實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)初探
——以“電流的熱效應(yīng)”為例

劉太娟，李先全

1.重慶市南渝中學(xué)校，重慶 400010 2.重慶市南開(kāi)中學(xué)校，重慶 400030

1 問(wèn)題的提出

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要載體，具有獨(dú)特的趣味性和實(shí)踐性。在教學(xué)過(guò)程中，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫離情境的情況普遍存在，加重了學(xué)生思維負(fù)擔(dān)的同時(shí)，也使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)失去了其應(yīng)用價(jià)值。為了最大程度地發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，教師需要不斷地創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法?；诖耍P者提出了指向核心素養(yǎng)的ST雙螺旋實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

2 “ST”的含義

“ST”是 “Scene”和 “Thought”的 縮 寫 ，Scene為情境之意，Thought為思維之意。本文提出的ST雙螺旋實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，是指將情境和思維作為課堂兩大線索協(xié)同推進(jìn)，聚焦學(xué)生的思維發(fā)展，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

情境在組織課堂教學(xué)的過(guò)程中有著不可或缺的作用，它不僅可以將課堂環(huán)節(jié)組織成一個(gè)有機(jī)體，更為重要的是為課堂核心教學(xué)內(nèi)容搭橋引路，既將情境指向思維的發(fā)展，又將思維發(fā)展的結(jié)果指向更為深遠(yuǎn)的情境之中。深度挖掘情境的作用，與思維發(fā)展的核心教學(xué)指向相結(jié)合，可以有效化解學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，培養(yǎng)其從情境中抽象出物理模型，將物理知識(shí)運(yùn)用于生活實(shí)踐的能力，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

3 課例分析——“電流的熱效應(yīng)”

3.1 ST雙螺旋實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)構(gòu)（圖1）

圖1 ST雙螺旋結(jié)構(gòu)

3.2 以情境為引入，激發(fā)探究興趣

恰到好處的情境創(chuàng)設(shè)可以帶領(lǐng)學(xué)生迅速進(jìn)入最佳的學(xué)習(xí)狀態(tài)，精準(zhǔn)地將學(xué)生帶領(lǐng)到課堂主題之中。在“電流的熱效應(yīng)”一課中，教師采用如圖2所示的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課堂導(dǎo)入。首先，教師展示一根鉛筆芯并提問(wèn)“脆弱的鉛筆芯能將泡沫磚切斷嗎”。接著，教師演示用鉛筆芯切割泡沫磚，結(jié)果鉛筆芯斷裂，泡沫磚幾乎沒(méi)有變化，實(shí)驗(yàn)失敗。接下來(lái)，教師將鉛筆芯放上“魔法臺(tái)”，再次嘗試用鉛筆芯切割泡沫磚，實(shí)驗(yàn)成功。學(xué)生不由地發(fā)出了“真絲滑”的感嘆。此時(shí)，學(xué)生的注意力已經(jīng)牢牢被“絲滑”體驗(yàn)所吸引，迫不及待地想要進(jìn)行進(jìn)一步的探索。至此，通過(guò)鉛筆芯切割泡沫磚的情境創(chuàng)設(shè)引入本課的學(xué)習(xí)主題——“電流的熱效應(yīng)”。

圖2 鉛筆芯切割泡沫磚裝置圖

3.3 以情境為線索，探尋物理本質(zhì)

初中階段的教學(xué)回避了焦耳定律中電熱與電流、電阻、通電時(shí)間的關(guān)系的來(lái)歷和探究歷程，不利于學(xué)生知識(shí)根基的建構(gòu)，也不利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，因此在本課中教師以引入情境為線索，設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，帶領(lǐng)學(xué)生共同探尋電流的熱效應(yīng)的本質(zhì)。

【探究步驟1】提出問(wèn)題與假設(shè)

教師繼續(xù)挖掘“鉛筆芯切割泡沫磚”的情境價(jià)值，進(jìn)一步追問(wèn)“如果想要使鉛筆芯更絲滑地切割泡沫磚，可以怎么做”。學(xué)生基于已有的情境體驗(yàn)很容易答出“增大電流”“增大通電時(shí)間”“換成電阻更大的鉛筆芯”等。教師演示“增大電流”“增大通電時(shí)間”和“換成電阻更大的鉛筆芯”，發(fā)現(xiàn)通過(guò)以上改變可以使鉛筆芯熱到發(fā)“紅”。白熾燈就利用了這樣的原理，此時(shí)教師簡(jiǎn)要介紹白熾燈的發(fā)光原理和由來(lái)。

【探究步驟2】設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂計(jì)劃

結(jié)合以往的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生能夠通過(guò)合作討論得出實(shí)驗(yàn)探究的主要思路，教師需要帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，共同解決如下實(shí)驗(yàn)困難（表 1）。

表1 實(shí)驗(yàn)困難及解決辦法

圖3 探究電熱與電阻的關(guān)系實(shí)驗(yàn)電路圖

圖4 探究電熱與電流的關(guān)系實(shí)驗(yàn)電路圖

實(shí)驗(yàn)器材：學(xué)生電源4個(gè)，電流表4個(gè)，自制電阻板2個(gè)（電阻板1上固定 4個(gè)電阻：5 Ω、10 Ω、15 Ω、20 Ω， 電阻板2上固定 4個(gè)均為 20 Ω 的電阻，如圖5所示），保溫杯8個(gè)，數(shù)顯溫度計(jì)4個(gè)，計(jì)時(shí)器1個(gè)，煤油和導(dǎo)線若干。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖5 自制電阻板示意圖

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖

【探究步驟3】進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)

連接好電路后，通過(guò)手機(jī)投屏演示實(shí)驗(yàn)和展示溫度計(jì)示數(shù)，學(xué)生記錄并處理數(shù)據(jù)，開(kāi)始加熱90 s后每隔30 s記錄一次溫度計(jì)示數(shù)，直至240 s結(jié)束實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 電阻相同、電流不同時(shí)煤油的升溫情況（R=20 Ω）

表3 電流相同、電阻不同時(shí)煤油的升溫情況（I=1 A）

為了更直觀地觀察自變量和因變量之間的關(guān)系，教師事先邀請(qǐng)一位學(xué)生作為數(shù)據(jù)記錄員，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄到電子表格當(dāng)中，數(shù)據(jù)記錄完成后用Excel現(xiàn)場(chǎng)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到圖像如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖像

學(xué)生通過(guò)圖像總結(jié)出：①其他條件相同時(shí)，電熱的大小與通電時(shí)間成正比；②其他條件相同時(shí)，電熱的大小與電阻成正比；③其他條件相同時(shí)，電熱的大小可能與電流的平方成正比。由此進(jìn)一步猜想電熱的大小與電流、電阻、通電時(shí)間的關(guān)系是：Q=IRt。

【探究步驟4】分析論證

教師提問(wèn)：根據(jù)上述圖像走勢(shì)提出的Q=IRt是否一定正確？

學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)，雖然經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)探究，但是目前為止Q=IRt仍然是進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)猜想，電熱的計(jì)算公式也可能是Q=CIRt（C為某一常數(shù)），或者 Q=IRt等。

教師再問(wèn)：如何驗(yàn)證哪個(gè)電熱計(jì)算公式才是正確的呢？

學(xué)生提出可以通過(guò)代入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)的方法來(lái)確定最終的電熱計(jì)算公式。

教師布置任務(wù)讓學(xué)生自主選擇其中一組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證：

以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)R=20 Ω，I=1 A，加熱時(shí)間從90 s至150 s為例：

電熱的大小：

Q=IRt=（1 A）×20 Ω×60 s=1200 J

煤油吸收熱量的多少：

在誤差允許的范圍內(nèi)，Q=IRt的猜想是正確的。為了使探究結(jié)果更具普遍性，需要再結(jié)合多位學(xué)生的計(jì)算結(jié)果，最終得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論：電流通過(guò)導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比，與這段導(dǎo)體的電阻成正比，與通電時(shí)間成正比。

【探究步驟5】評(píng)估、交流與合作

在分析論證步驟中，勢(shì)必有少數(shù)學(xué)生會(huì)得出Q≠IRt的錯(cuò)誤結(jié)論，排除操作錯(cuò)誤和計(jì)算錯(cuò)誤的可能，還有兩大主要原因：一是電阻剛通電時(shí)，電熱主要用于電阻本身溫度的升高，因此煤油吸熱的多少與電阻本身產(chǎn)生的熱量差值較大；二是液體溫度升高到一定程度后散熱加快，導(dǎo)致煤油放熱快。由于學(xué)生并不具備解釋該問(wèn)題的知識(shí)基礎(chǔ)，教師將實(shí)驗(yàn)方案的評(píng)估、交流與合作布置為課后作業(yè)。

3.4 以情境為延伸，感悟科學(xué)精神

教師圍繞科學(xué)歷史和燈具演變的情境，帶領(lǐng)學(xué)生感悟科學(xué)工作的不易，培育學(xué)生對(duì)科學(xué)工作者和科學(xué)精神的崇敬。即使使用了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和信息技術(shù)手段，我們?nèi)匀缓茈y在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確得出焦耳定律，也很難對(duì)某些非正常數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，焦耳又是如何在研究環(huán)境和技術(shù)均落后的情況下得出正確結(jié)論的呢？這個(gè)問(wèn)題引人深思。毫無(wú)疑問(wèn)，焦耳定律的發(fā)現(xiàn)為白熾燈的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)，利用電流的熱效應(yīng)來(lái)工作的白熾燈為人類照亮了整個(gè)20世紀(jì)，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，LED等多種光源相繼出現(xiàn)，這都要?dú)w功于無(wú)數(shù)科學(xué)工作者的付出，雖然物理課堂有限，但科學(xué)家對(duì)定量的追求、對(duì)真理的追尋是無(wú)限的。

4 實(shí)踐反思

本課的設(shè)計(jì)情境連貫，思維發(fā)展作用顯著。S線與T線緊密結(jié)合，共同構(gòu)成了一支緊密纏繞的ST雙螺旋結(jié)構(gòu)。S線增強(qiáng)課堂趣味性的同時(shí)，將課堂中的各個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)成了有機(jī)整體，而T線又賦予了物理教學(xué)靈魂，兩者的結(jié)合使得課堂“形”“神”皆聚，能夠高效幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)物理規(guī)律，學(xué)習(xí)物理知識(shí)，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果；更為重要的是，ST雙螺旋實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法以情境為依托，能夠產(chǎn)生良好的育人效果，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)研究在社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生尊重科學(xué)、崇尚創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度。