聚焦物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) 助力核心素養(yǎng)培養(yǎng)

摘 要：物理學(xué)科四大核心素養(yǎng)，包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。本文以蘇科版物理教材八年級上冊第二章第三節(jié)“熔化和凝固”為例，簡要闡述如何基于科學(xué)探究、科學(xué)思維、物理觀念和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)維度進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；核心素養(yǎng)；科學(xué)探究；熔化和凝固

1 引言

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）強(qiáng)調(diào)，要注重落實(shí)物理課程的育人價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。 核心素養(yǎng)是課程育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，物理課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。 ^［1］

《課程標(biāo)準(zhǔn)》明確要求注重科學(xué)探究，突出問題導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)真實(shí)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生不斷探索，提高分析問題、解決問題的實(shí)踐本領(lǐng)和科學(xué)思維能力，發(fā)展核心素養(yǎng)。^［2］課堂教學(xué)是培養(yǎng)核心素養(yǎng)的主陣地?？茖W(xué)探究不僅是核心素養(yǎng)的一個(gè)維度，而且也是促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的關(guān)鍵因素。本文以蘇科版物理教材八年級上冊第二章第三節(jié)“熔化和凝固”為例，主要闡述如何基于科學(xué)探究、科學(xué)思維、物理觀念和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)維度進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

“熔化和凝固”在《課程標(biāo)準(zhǔn)》中的內(nèi)容要求：經(jīng)歷物態(tài)變化的實(shí)驗(yàn)探究過程，知道物質(zhì)的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)，了解熔化和凝固過程中的吸熱和放熱現(xiàn)象。^［3］因此，本節(jié)課的重點(diǎn)是“探究冰、燭蠟的熔化特點(diǎn)”。實(shí)驗(yàn)探究必然涉及核心素養(yǎng)的四個(gè)維度，所以本節(jié)課的教學(xué)思路是“立足于科學(xué)探究，聚焦于科學(xué)思維，滲透物理觀念，落實(shí)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。結(jié)合科學(xué)探究與核心素養(yǎng)的關(guān)系，筆者制訂了科學(xué)探究步驟及其對應(yīng)的核心素養(yǎng)要素的學(xué)習(xí)目標(biāo)（見表1）。

3 課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 問題

蘇科版教材通過插圖——各拉丹冬雪山和正在消融的冰凌引入，如圖1所示。^［4］兩幅插圖與教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)，避免了冗長的文字?jǐn)⑹?，濃縮了很多信息，具有很強(qiáng)的啟發(fā)性。然而由于南京地域的局限性，學(xué)生對插圖中所展示的熔化、凝固現(xiàn)象并不熟悉。若教師讓學(xué)生再提出一個(gè)可以探究的問題，那么這對學(xué)生來說可能是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。因此，筆者基于后續(xù)實(shí)驗(yàn)的研究對象——燭蠟，創(chuàng)設(shè)了一個(gè)真實(shí)問題情境——現(xiàn)場制作“火漆印章”（見圖2）。

在學(xué)生觀看完制作過程后，教師可通過設(shè)問的方式引導(dǎo)學(xué)生理解物理觀念，以下是教學(xué)片段。

師：印章的形成過程中，蠟粒經(jīng)歷了哪些物態(tài)的變化？

生：蠟粒先從固態(tài)變成液態(tài)，然后又從液態(tài)變成固態(tài)。

師：很好，我們把物質(zhì)從固態(tài)變成液態(tài)的現(xiàn)象稱為熔化，液態(tài)變成固態(tài)的現(xiàn)象稱為凝固。制作中，通過加熱讓蠟熔化，這說明了什么？

生：熔化吸熱。

師：那凝固呢？

生：凝固放熱。

師：有沒有同學(xué)注意到制作者在加熱蠟粒時(shí)，在火苗上方不斷地晃動小勺，還用牙簽去攪動蠟液，這樣做有什么好處嗎？

生：受熱均勻。

設(shè)計(jì)意圖：“火漆印章”是在學(xué)生之間很流行的一種手工工藝品。它的制作利用了石蠟稍加熱即熔化的特性。而石蠟正好也是后續(xù)探究實(shí)驗(yàn)的研究對象，這與教材內(nèi)容聯(lián)系緊密。通過再次設(shè)問，教師不僅能夠引導(dǎo)學(xué)生在熔化過程中關(guān)注“吸熱”與“狀態(tài)變化”，而且還為后續(xù)“探究冰和燭蠟熔化特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)的加熱方法和操作步驟提供了基礎(chǔ)。因此，創(chuàng)設(shè)學(xué)生喜聞樂見的情境，能有效提高學(xué)生探索事物本質(zhì)的內(nèi)在動力，從而培養(yǎng)他們從物理學(xué)視角觀察事物的能力，把知識與情境結(jié)合起來，初步形成物理觀念和對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識。

3.2 證據(jù)

3.2.1 猜想與假設(shè)

教師出示一個(gè)裝有冰塊的燒杯，引導(dǎo)學(xué)生觀察冰的熔化，并介紹“固液共存狀態(tài)”。學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)和觀察到的現(xiàn)象，再通過回顧“觀察水的沸騰”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行猜想：冰和燭蠟在加熱時(shí)溫度的變化可能有什么特點(diǎn)？教師要求學(xué)生說出猜想的依據(jù)。

設(shè)計(jì)意圖：通過觀察冰和燭蠟的熔化現(xiàn)象，鼓勵(lì)學(xué)生敢于猜想，敢于發(fā)表個(gè)人的意見和看法，并嘗試將實(shí)際問題的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

3.2.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案

在本章第二節(jié)中，學(xué)生已經(jīng)探究了“水的沸騰”，因此這一環(huán)節(jié)教師引導(dǎo)學(xué)生對比三個(gè)實(shí)驗(yàn)，并歸納出實(shí)驗(yàn)思路，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案，從而留下更多的時(shí)間讓學(xué)生觀察熔化過程，突破本課重難點(diǎn)。設(shè)計(jì)三個(gè)實(shí)驗(yàn)細(xì)目表如表2所示。

設(shè)計(jì)意圖：將“探究水的沸騰”舊知進(jìn)行遷移，通過對比、梳理、總結(jié)，使學(xué)生對探究目的和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有較清楚的認(rèn)識。在師生互動討論中，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，提高學(xué)生分析問題、解決問題的實(shí)踐本領(lǐng)。

此外，“探究冰的熔化特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是初中物理學(xué)習(xí)中的疑難實(shí)驗(yàn)之一。該實(shí)驗(yàn)較為復(fù)雜，且成功率不高，因此一些教師會選擇使用海波、金屬鎵作為替代物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或者選擇播放實(shí)驗(yàn)視頻來展示實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象。鑒于學(xué)生對海波、金屬鎵等材料較為陌生，且播放實(shí)驗(yàn)視頻相較于學(xué)生親身參與的探究實(shí)驗(yàn)缺乏直觀性和說服力，所以筆者對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了如下優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)前，先將純凈水冷凍成冰。上課前，利用碎冰機(jī)將冰塊粉碎，隨后將這些碎冰分裝至多個(gè)直徑約為2厘米的大試管中，每個(gè)試管填充至約三分之二的位置。最后，將所有裝有碎冰的試管統(tǒng)一放置于裝有干冰的保溫桶中，以便在做實(shí)驗(yàn)取出試管時(shí)，冰塊仍保持著低溫凝固的狀態(tài)供學(xué)生觀察與探究。

3.2.3 獲取與處理信息

由于冰和燭蠟的熔化實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長，所以將全班48人分為8組，其中4組探究冰的熔化，4組探究燭蠟的熔化。

分工：組裝實(shí)驗(yàn)器材1人，計(jì)時(shí)1人，攪拌1人，觀察溫度并讀數(shù)1人，觀察物質(zhì)狀態(tài)1人，記錄1人。筆者特別強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生要各司其職，分工協(xié)作。

實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)過程中，教師應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度以及持之以恒的毅力。教師需要引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察溫度計(jì)示數(shù)的變化以及在不同溫度和時(shí)刻下物質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，并要求學(xué)生每半分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。^［5］此外，教師還需提醒學(xué)生在探究冰的熔化實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)從溫度計(jì)上的溫度下降到趨于穩(wěn)定時(shí)開始計(jì)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中適時(shí)攪拌，以確保熱量均勻傳遞到所有冰塊。

數(shù)據(jù)處理：學(xué)生將數(shù)據(jù)記錄在表格中，并繪制溫度隨時(shí)間變化的圖像。運(yùn)用軟件，學(xué)生將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X中，通過屏幕終端展示。

設(shè)計(jì)意圖：通過教學(xué)活動，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的全過程，旨在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度以及團(tuán)隊(duì)合作的意識，并使學(xué)生初步具備獲取科學(xué)證據(jù)的能力。

3.3 解釋

在科學(xué)論證階段，通過點(diǎn)陣筆技術(shù)平臺的“對比講評”功能，教師展示兩組“探究冰的熔化特點(diǎn)”數(shù)據(jù)和圖像（見表3、圖3、表4、圖4），引導(dǎo)學(xué)生思考溫度和狀態(tài)隨時(shí)間的變化規(guī)律。

再結(jié)合教師提前做的冰熔化實(shí)驗(yàn)視頻和0℃時(shí)不同時(shí)刻的冰的狀態(tài)（見圖5），讓學(xué)生明確“冰的熔化過程”——冰熔化時(shí)吸收熱量但溫度不變，發(fā)生變化的只是它的狀態(tài)，由固態(tài)變成液態(tài)。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生對比冰和燭蠟的數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行以下分析：你的猜想是否正確？物質(zhì)在熔化前、熔化時(shí)、熔化后，溫度是如何變化的？吸熱還是放熱？不同物質(zhì)的熔化過程中，溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律是否相同？在歸納或演繹中，教師教會學(xué)生引用證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成使用證據(jù)的習(xí)慣。

針對第2組異常的數(shù)據(jù)和圖像，教師可對第2組同學(xué)進(jìn)行設(shè)問：對比兩組數(shù)據(jù)，你們有什么發(fā)現(xiàn)？你們的結(jié)果和另一組的結(jié)果是不是相同？如果不同，怎樣解釋？教師可以通過事實(shí)告訴學(xué)生，由于錯(cuò)過最佳時(shí)機(jī)，他們沒有采集到“冰熔化前，溫度上升”的數(shù)據(jù)。但教師可以通過倍速播放課前錄制的實(shí)驗(yàn)視頻，彌補(bǔ)這一缺憾。

由于種種條件的限制，學(xué)生很難得到像教師給出的或者第1組這樣理想的曲線，但可以確定的是學(xué)生能得到冰在熔化時(shí)溫度不變的一條水平直線。課堂上可能有學(xué)生質(zhì)疑第2組數(shù)據(jù)中第3 min時(shí)研究對象的溫度和狀態(tài)——“為什么固液共存狀態(tài)時(shí)，溫度上升為1℃？”教師需要引導(dǎo)學(xué)生反思：當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，有沒有可能在什么地方發(fā)生錯(cuò)誤？進(jìn)行論證的根據(jù)充分嗎？實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠嗎？其實(shí)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是需要學(xué)生不停地、快速地?cái)嚢杷楸?。只有這樣，才能保證同一試管內(nèi)物體各部分的溫度達(dá)到一致，近似達(dá)到瞬間溫度的平衡。否則，溫度計(jì)測量的溫度將僅代表其玻璃泡附近的一薄層晶體（液體）的溫度，而非整個(gè)系統(tǒng)的溫度。

設(shè)計(jì)意圖：通過分享與合作，以及對熔化圖像的分析，學(xué)生得以再次體會到應(yīng)用圖像法描述物理過程的優(yōu)越性，并在此過程中提升他們圖像分析能力和科學(xué)思維能力。

此外，“探究冰的熔化特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)受到主、客觀因素的影響，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或效果可能不太理想，尤其是難以準(zhǔn)確采集到“冰在熔化前溫度持續(xù)上升，而在熔化過程中溫度保持不變”的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在教學(xué)中，如果教師刻意回避異常數(shù)據(jù)，不尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，或者忽視證據(jù)的收集，并試圖將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或結(jié)論強(qiáng)加給學(xué)生，那么這樣的做法不僅無法充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)應(yīng)有的教育作用，反而會阻礙學(xué)生形成正確的科學(xué)態(tài)度。^［6］因此，為提高實(shí)驗(yàn)成功率，凸顯科學(xué)事實(shí)，秉持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，實(shí)驗(yàn)前，教師需要對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師需要細(xì)心指導(dǎo)學(xué)生操作；實(shí)驗(yàn)后，教師需要與學(xué)生一起嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、理性地分析數(shù)據(jù)，反思實(shí)驗(yàn)過程。

3.4 交流

對探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流階段，教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“比較法”來描述這兩種物質(zhì)熔化過程中的異同點(diǎn)。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和討論，最后總結(jié)、歸納如表5所示。

歸納總結(jié)時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生在分析圖像的過程中對固體進(jìn)行分類，進(jìn)而建構(gòu)晶體和非晶體的物質(zhì)模型。同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生對兩個(gè)熔化探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行提煉，即做此類實(shí)驗(yàn)時(shí)，在物態(tài)變化過程中應(yīng)關(guān)注“溫度”“狀態(tài)”“吸、放熱”，幫助學(xué)生建立物質(zhì)觀念、能量觀念，形成科學(xué)本質(zhì)觀。

4 結(jié)語

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程，實(shí)驗(yàn)發(fā)揮著極其重要的作用。在本節(jié)課中，筆者通過搭建的情境支架和設(shè)置的環(huán)環(huán)相扣的問題串，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷了模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證以及質(zhì)疑創(chuàng)新等思維加工過程，同時(shí)，他們也完整體驗(yàn)了問題提出、證據(jù)收集、解釋形成及交流討論等科學(xué)探究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，最終將觀察到的事實(shí)或現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為物理概念、規(guī)律等學(xué)科知識。隨著教學(xué)環(huán)節(jié)的逐步推進(jìn)，學(xué)生腦海中隱性的物理觀念得以提煉和升華，追求科學(xué)本質(zhì)的熱情被激發(fā)，嚴(yán)謹(jǐn)求真的科學(xué)態(tài)度逐漸養(yǎng)成，使命擔(dān)當(dāng)和社會責(zé)任深入內(nèi)心。教師應(yīng)立足于科學(xué)探究，聚焦于科學(xué)思維，滲透物理觀念，落實(shí)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，發(fā)揮物理課程的育人價(jià)值，落實(shí)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

［1］［2］［3］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：2-4，3，9．

［4］劉炳昇，李容.義務(wù)教育教科書 物理 八年級 上冊［M］.南京：江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2023：39.

［5］劉玉靜.“熔化和凝固”說課稿［J］.物理通報(bào)，2013（8）：44-45，49.

［6］洪從兵.指向“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”培養(yǎng)的初中物理教學(xué)——以《熔化和凝固》一課為例［J］.教育研究與評論（中學(xué)教育教學(xué)），2022（7）：78-80．