探索物理教學中核心素養(yǎng)常態(tài)化生長的關鍵路徑①
——以“機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”教學為例

姜棟強

(江蘇省南通市海門區(qū)中小學教師研修中心,江蘇 南通 226100)

常態(tài)化的物理課堂如何成為核心素養(yǎng)生長課堂,這一問題在教學實踐中不時會困擾教師。還是原來那些熟悉的物理概念和規(guī)律,還是原來的施教者,有很多課堂設計看起來往往都大同小異,如何把學生核心素養(yǎng)的生長變成新常態(tài),需要我們關注重點環(huán)節(jié),探索關鍵路徑。

核心素養(yǎng)生長的一些重點環(huán)節(jié)可能是我們以前不怎么重視的教學細節(jié),核心素養(yǎng)生長的關鍵路徑需要教師用心觀察、探索,需要花一些精力,在“同”中求“小異”?！靶　笔且驗椴恍枰處熁ㄙM大量的時間和精力去準備,不一定要設計“高大上”的實驗和活動,而是在細節(jié)上不斷優(yōu)化?！爱悺笔峭怀鲋呛兔?利用不同的問題、不同的情境還原學生思維生長的歷程。筆者以“機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”教學為例,優(yōu)化細節(jié),就“小”求“異”,探索物理教學中核心素養(yǎng)常態(tài)化生長的關鍵路徑。

1 在“看”的細節(jié)中扎根情智,生發(fā)核心素養(yǎng)

在常態(tài)物理教學中教師都會創(chuàng)設一定的情境,一般是演示實驗、生活現(xiàn)象的呈現(xiàn)等,主要指向興趣的激發(fā)和思維的啟迪。筆者在這節(jié)課的導入中沒有采用“汽車高速行駛后輪胎溫度會升得很高”和“燃料燃燒使汽車發(fā)動機工作”的圖片,因為這種圖片資源略顯單薄,對學生的興趣激發(fā)和思維啟迪缺少震撼力度,也沒有采用“賽車飛馳漂移冒煙”視頻,雖然這個視頻中的“冒煙”效果直指本節(jié)課的學習主題,但是“冒煙”的背后存在“危險駕駛”的誤導或誘導。本課采用以下兩種途徑來導入。

(1) 課前循環(huán)播放我國“神舟號”回收艙定點著落視頻。提前做好視頻剪輯,并配上激昂的背景音樂,重點突出“中國元素”“摩擦起火”“國防教育”“展望未來”四個方面,無需太多講解。學生在觀看過程中,最直接的感受就是回收艙著落過程中與大氣摩擦起火,而這個感受直接與今天的主題密切相關,而且其他三個方面會隱性滲透強國自豪感、邊防戰(zhàn)士使命感、航天夢想等。

(2) 在課堂開始,教師呈現(xiàn)如圖1所示的斯特林蒸汽小汽車,點燃外置的酒精燈,汽車很快就在講臺上運動起來。結(jié)合實物和電腦屏幕上的實物投屏,學生感受到兩個細節(jié)：一個是酒精燃燒,另一個是汽車動了起來。此時,教師借助學生實實在在觀察到的現(xiàn)象提出問題：汽車為什么會動起來?這個導入取代了單調(diào)的圖片導入,引發(fā)學生基于觀察的思考,也為后續(xù)學習埋下了“同”中求“異”的伏筆?！巴笔情_啟了本節(jié)課學習的核心知識“內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械”的應用,即熱機,“異”是這是一款“外燃機”,這個差異可以引發(fā)學生將其與“內(nèi)燃機”進行對比,引發(fā)思考：如何提高效率、增大動力?

圖1

每節(jié)課的情境導入都要追求趣味性和教育性(圖2)。趣味性是要迎合學生的興趣點,集奇、妙、趣、智等為一體,對接學生的思維點和本節(jié)課的核心概念,并引領學生的思考,而這一切都是為了助推科學探究活動的開展。教育性是導入內(nèi)容本身能很好地彰顯本課的教育價值,同時更能引發(fā)學生對導入內(nèi)容的觀察、思考、猜想等,以物理學科的魅力驅(qū)動學生學習、思考,同時能自然融入本節(jié)課所蘊含的“科學態(tài)度與價值”元素。

圖2

2 在“試”的細節(jié)中獲得體驗,促進核心素養(yǎng)的成長

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學課程,實驗的主體是學生。[1]為此,在初中物理教學中,我們要盡可能讓學生體驗實驗的過程,無論是演示實驗還是分組實驗,學生只有經(jīng)歷了實驗的過程,才能感受實驗操作背后的緣由,也只有切實體驗了實驗的成功與失敗,學生才能深刻理解實驗的價值與意義。在這節(jié)課中,空氣壓縮引火儀有其特殊的價值與意義,這種價值來自于我們對裝置的內(nèi)涵價值的挖掘與引導,在“空氣壓縮引火儀”的實驗中,我們采用了以“失敗”代替“成功”的曲折方式。

將空氣壓縮引火儀分發(fā)給每組學生,引導學生參照教材要求進行實驗,并提示學生注意實驗安全。這個實驗通常會呈現(xiàn)三種結(jié)果：第一種結(jié)果是沒有出現(xiàn)預期現(xiàn)象,這部分學生沒有認真閱讀操作說明,沒有明白到底該怎么操作、注意什么。第二種結(jié)果如圖3甲所示,大部分學生得到了“冒煙”的效果,給學生的感覺就是溫度升高了,內(nèi)能增加了。第三種結(jié)果如圖3乙所示,由少部分學生做成,這個現(xiàn)象非常震撼,會激活學生的學習熱情。為此,教師請得到第三種結(jié)果的學生帶著器材上來再次實驗,并請學生介紹成功的心得,而學生的心得會鎖定下列關鍵詞：速度要快、用力要猛、底座要穩(wěn)。由此達成了兩個教學效果：(1) 呈現(xiàn)了“機械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能”的實證;(2) 使學生認識到：機械能越大,轉(zhuǎn)化的內(nèi)能也越大。

圖3

但是,學生拿著原來的器材上臺演示時,成功的概率很低,給學生一種“失敗”的感覺,而這種失敗卻是一種珍貴的教學資源。為了讓每位學生經(jīng)歷這種“敗中求進”的體驗,在不斷改進中感悟技巧,并為后續(xù)的改進“內(nèi)燃機”的設計作鋪墊,我們結(jié)合具體的慢動作和問題,讓學生尋求失敗背后的原因,需要關注以下細節(jié)。

細節(jié)1：壓縮儀內(nèi)由于前期的點燃,氧氣濃度降低,如果沒有將活塞拔出的話,很難讓小棉絮再次點燃。

問題1：壓縮活塞是為了獲得什么能?

此時結(jié)合學生的回答生成板書：“壓縮”,學生知道要獲得內(nèi)能,必須先提供機械能,為后續(xù)的壓縮沖程服務。

問題2：剛才能夠壓縮點燃小棉絮,為什么現(xiàn)在不能點燃了呢?小棉絮燃燒除了要達到著火點外,還需要消耗什么?該怎么操作才能讓缺失的氧氣得到補充呢?

此時結(jié)合學生的回答生成板書：“吸氣”,學生知道此時的吸氣是為了吸收氧氣,為后續(xù)的吸氣沖程服務。

細節(jié)2：上臺展示的學生再次實驗時沒有達到圖3乙的效果,于是將活塞移至上端后繼續(xù)反復按壓,這種按壓并沒有吸入新的氧氣,而是產(chǎn)生了很多的尾氣,尾氣沒有排出,導致氧氣嚴重不足,成功概率更低。

問題1：反復按壓能讓氧氣進來嗎?但是按壓時都冒煙了,說明燃燒不充分,怎樣才能讓生成的尾氣排出呢?

此時,結(jié)合這一細節(jié)和學生的回答,生成板書：“排氣”,為后續(xù)的排氣沖程打下了鋪墊,學生也知道這是排出了廢氣。

問題2：你現(xiàn)在知道怎么改進實驗操作細節(jié)了嗎?再試一試。

細節(jié)3：凡士林一方面有防止漏氣的作用,另一方面還有潤滑的效果,學生初次遇到,不知道它的作用。

問題3：加了凡士林后,同學們在實驗時,有什么感受?你覺得為什么會這樣?在工作的過程中,加了凡士林不僅讓活塞運動順暢,還有什么好處?

這對后續(xù)“熱機”發(fā)展歷程中的相關討論起到鋪墊的作用,一方面是密封的重要性,另一方面也感受到“潤滑效果”,將提升熱機的動力,減少能量損耗。

科學探究和科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的兩個重要方面,若沒有深入的科學探究,就不可能促進科學思維的充分生長,然而,如果沒有科學思維的充分生長,也不能保證科學探究的有效開展。

3 在“做”的細節(jié)中拓展思維,提升核心素養(yǎng)

“做中學”不僅僅是單純做,還需要動腦,并在不同維度、不同細節(jié)上優(yōu)化、改進,只有通過“做中學”,學生才能收獲新的認知和生長。為此,本節(jié)課深入回歸了“做的細節(jié)”。

3.1 做中思

在空礦泉水瓶中噴入少量酒精,蓋上蓋子用力扭擠,快速旋開瓶蓋(圖4)。將實驗與問題結(jié)合,挖掘其中的“細節(jié)”價值,請學生結(jié)合實驗思考如下問題。

圖4

(1) 為什么瓶蓋能飛出去,它的機械能來自于哪里?

(2) 瓶蓋飛出去時,瓶內(nèi)出現(xiàn)了什么現(xiàn)象?為什么會有這樣的現(xiàn)象?你能想辦法去證明嗎?

(3) 要想讓瓶蓋飛得更遠,你有什么好辦法?

通過以上3個問題的解決,一是幫助學生建構“內(nèi)能”可以轉(zhuǎn)化為“機械能”的認知。二是學生發(fā)現(xiàn)瓶內(nèi)有“白氣”,通過分析提出猜想：氣體對外做功,內(nèi)能減小、溫度降低。引發(fā)學生的再次分析和思考,想法驗證這個猜想。三是思考獲得更大的機械能的途徑,一方面引導學生認識到：內(nèi)能越多,獲得的機械能也越多。

3.2 做中比

在上面一個環(huán)節(jié)問題討論的基礎上,教師給學生留足 “做”的空間和時間,并啟發(fā)學生的進一步思考。

3.2.1 讓瓶蓋飛得更遠

(1) 以用力“按壓”的形式來獲取更多的內(nèi)能,并迅速旋開瓶蓋。

(2) 利用加熱的方式來獲取更多的內(nèi)能(圖5)。

圖5

(3) 采用點火爆炸實驗(圖6)。

圖6

通過“做”和“比”,學生發(fā)現(xiàn)圖5和圖6所示實驗中橡皮塞和蓋子飛得更遠,而且在圖6所示實驗中只需要少量酒精即可產(chǎn)生非常震撼的效果,為后續(xù)的內(nèi)燃機再次作鋪墊。另一方面的對比是圖6和圖4所示實驗中都出現(xiàn)了“白氣”,兩者是否都證明了“氣體對外做功,內(nèi)能減小”,導致溫度降低而產(chǎn)生了液化現(xiàn)象呢?可繼續(xù)做實驗予以驗證。

3.2.2 驗證“對外做功,內(nèi)能減小”

為了檢驗“氣體對外做功,內(nèi)能減小”的猜想,關鍵在于檢驗溫度是否降低。此時引導學生設計實驗,并把自己的想法表達出來,促進學生發(fā)散性思維、創(chuàng)新思維的發(fā)展。有學生想到用溫度傳感器來記錄溫度變化,在交流的基礎上,教師采用如圖7所示的氣體對外做功演示儀進行演示,當壓縮氣體時,溫度明顯升高,而在活塞飛出去的瞬間,溫度迅速降低。

圖7

3.3 做中融

學生在課堂上生成的質(zhì)疑是寶貴的教學資源,需要教師充分引導和激活,以促進學生科學思維能力的提升。結(jié)合圖4和圖5所示的兩個相似實驗,在瓶蓋(橡皮塞)飛出的瞬間,都出現(xiàn)了白氣,教師追問學生：“白氣”的出現(xiàn)能說明內(nèi)能減小嗎?結(jié)合圖7所示的實驗,通過對比,學生發(fā)現(xiàn)圖5中的“白氣”是水沸騰產(chǎn)生的水蒸氣遇冷液化形成的,而不是由于熱蒸氣對外做功使溫度降低。學生只有經(jīng)歷了實驗操作、觀察對比、分析論證才能真正達成知識與技能的融通,才能激發(fā)思維的活力。[2]

3.4 做中通

結(jié)合前面的一系列活動,此時教師可以用問題鏈激發(fā)學生思考,并逐漸完善板書。

問題1：如果要獲得持續(xù)不斷的機械能,服務于生活生產(chǎn)的話,你能從剛才的實驗中找到什么靈感呢?

學生回答：需要壓縮氣體(圖4甲),點燃里面的燃料(圖6)。

教師用投影呈現(xiàn)圖8甲。

圖8

問題2：燃料和氣體怎么進去呢?燃燒后的廢氣如何處理?

生：像空氣壓縮引火儀一樣,需要有一個口進氣和加入燃料,還要有一個口來排氣,最好還要加兩個門來控制“口”的開和關。

教師用投影呈現(xiàn)圖8乙。

問題3：要使這樣的裝置提供持續(xù)的動力,要將活塞一直往下推嗎?該怎么改進?

生：可以往復地推,需要加一個曲軸和連桿來帶動活塞的往復運動。

教師用投影呈現(xiàn)圖8丙。

問題4：考慮到連桿與曲軸運動時的安全性和整個裝置的氣密性,[3]我們還需要對圖8 丙進行怎么樣的完善?

生：可以在圖丙的裝置底部加上密封的外殼。

教師用投影呈現(xiàn)圖8丁,最終完成如圖9所示的總結(jié)板書。

圖9

成功固然值得慶幸與自豪,但是成功背后的艱辛和智慧需要每位向往成功的學生去“重溫”,感慨成功背后的付出,也以此激發(fā)他們的求知欲、求勝欲。在這節(jié)課的教學中,學生經(jīng)歷了多次的失敗,而正是這些失敗使學生感悟良多。

筆者請學生閱讀“熱機的發(fā)展歷程”,并思考：如何讓熱機提供更強大的動力?對接前面所有活動的細節(jié),比如,獲取更大的內(nèi)能、減小摩擦、提高效率等,使學生逐漸形成能量觀念。

中國元素、中國力量是我們這一節(jié)課的落地點,在教學的最后,筆者再次介紹中國航天成就,既展示中國航天領先世界的光輝一面,也呈現(xiàn)光輝背后經(jīng)歷的艱辛與失敗,以反映中華兒女的智慧與勤勞。此時,學生感受到的不僅是自豪,還有榜樣的力量、自己責任的重大。

4 結(jié)語

常態(tài)課的教學也許是大同小異的,同的是流程和內(nèi)容,異的卻是教師用心、用智設計的“細節(jié)”,這些細節(jié)可激活學生的思維,提升他們的思維品質(zhì),服務于學生關鍵能力的提升、必備品格的健全、價值觀念的形成,讓學生擁有走得更遠的能力。