“學習即研究”觀點下的物理實驗課堂實踐

摘 要：以“氣體等溫變化”為例，圍繞“體驗與感知”“設計與實踐”“反思與發(fā)展”三個環(huán)節(jié)展示了“學習即研究”觀點下物理實驗課堂的教學思路。以“設計與實踐”為核心，學生自主設計、自由討論，完成了ＤＩＳ實驗和自創(chuàng)的Ｕ形管水柱實驗，利用Ｕ形管水柱實驗實現(xiàn)了僅用１ ｍ長管子和水測量大氣壓的創(chuàng)新。整個過程，教師利用開放引導性的問題驅動學生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，真正實現(xiàn)了從“知識本位”過渡到“素養(yǎng)本位”。

關鍵詞：學習即研究；等溫變化；物理實驗課堂

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）12-0052-4

１ “學習即研究”觀點下的物理實驗教學

科研之路總是曲折、艱辛的，要經歷“提出問題—設計實驗—自制儀器—采集數(shù)據(jù)—反思分析”等多個階段才僅能初步得到實驗結論。反觀我們的學生，便缺乏了這樣親歷實驗的過程，而更多是由教師直接告知要研究的問題，直接介紹要采用的方法，甚至直接演示要做的實驗。這嚴重剝奪了學生提出自我主張、親歷實驗過程的權利和機會，導致了學生的被動學習、淺層理解，導致他們缺乏探究意識。據(jù)此，施瓦布提出了“科學即探究，科學不只是學習知識，還要學習科學研究的過程和方法”［１］。劉霽華老師提出了“學習即研究”的觀點，他指出“學習的本質是研究，學習者就是研究者，學習過程就是研究過程”［２］。這對于我們的物理實驗教學有很大的啟發(fā)。

真實的學習可以認為是“濃縮式”的研究過程［３］。物理實驗課堂應以學生的主體實踐為主線，學生將親歷“體驗與感知”“設計與實踐”“反思與發(fā)展”三個環(huán)節(jié)，具體流程如圖１所示?！绑w驗與感知”強調真情境、真體會，可以采用生活實例，也可以采用特殊裝置達到設疑激趣的效果。而“設計與實踐”則為核心，按照邏輯順序，先定性分析，再定量探究。在此環(huán)節(jié)中，教師應充分給予學生發(fā)揮的空間，教師僅僅作為材料的提供者和問題的驅動者，如何使用該材料來達到探究目的，以及如何測量待測量都應交由學生自由討論來得出。教師要轉變教學觀念，從“知識本位”轉化為“素養(yǎng)本位”，盡量達到拋出一個具有開放性、引導性、發(fā)展性的問題，便能激起學生思維上產生一連串“水花”的教學效果，切忌一手包辦、過度掌控。在這樣自由的環(huán)境中，學生才能做到自由討論、自主設計，甚至自創(chuàng)實驗。也許這個過程會有曲折，但也會有觀點的碰撞和思維的創(chuàng)造。最后的“反思與發(fā)展”則是一種升華，可以包含對實驗本身的誤差分析、方法改進，也可以包含知識遷移、拓展應用等。總之，這種具有濃烈研究氛圍的“發(fā)現(xiàn)生成式”學習才能將淺層知識重構成深度知識。

２ “學習即研究”觀點下“氣體等溫變化”教學案例

２．１ 體驗與感知——魔術激趣

教師先展示“浮沉子”裝置：一個裝了水的礦泉水瓶，瓶中還有一個倒置的開口敞開向下的棕色小瓶子，小瓶中只裝了一部分水。然后，邀請指定的學生上臺配合魔術表演。學生雙手握住大瓶，教師不與瓶子有任何接觸。隨著教師的口令“小瓶小瓶聽我指令，向下，再向上”，學生便配合“悄悄地”捏緊和松開大瓶，從而實現(xiàn)小瓶的沉浮，引得下面學生一片驚呼。

教師趁機鼓勵學生猜想原因，有人認為有磁力作用，有人認為小瓶上拴了透明的線……接著，教師請剛才上臺配合的學生揭秘，并展示捏緊大瓶前后的模型圖，如圖2所示。請學生觀察、對比捏緊瓶子前后氣體狀態(tài)參量的變化情況。最終經過討論，得出探究的問題是“當溫度一定的情況下，一定質量氣體的體積與壓強之間的關系”。

圖2 浮沉子模型圖

２．２ 設計與實踐

２．２．１ 定性探究——針筒海綿實驗

教師僅僅提供器材，一個密封的針筒，內部有一塊壓變海綿，并且不告訴學生接下來如何操作，而是提問學生“可以如何利用材料來探究p與Ｖ的定性關系”。然后，學生開始自由討M5PeBY1ypncQjoIpXBjwioUbl3v6Yyxeow4jQJZzXBU=論，最終由學生回答出推動活塞改變氣體體積，通過觀察海綿的形變來判斷氣體壓強的變化，并進行實際操作（圖3），得到p與Ｖ之間呈現(xiàn)負相關的定性結論。

圖3 針筒海綿實驗示意圖

２．２．２ 定量探究

（１）實驗猜想

基于剛才的定性分析，教師順勢提問“你覺得p與Ｖ之間可能存在哪種定量關系”，學生猜測可能反比、平方反比、立方反比……經過討論，決定先從最簡單的成反比關系開始猜想，如若不成立，再換成其他猜想。

（２）實驗設計

教師僅僅拋出問題“你認為可以如何測量p與Ｖ”“如何控制實驗條件”，并鼓勵學生自由討論，然后請不同小組進行匯報和補充。最終，經過不同小組的討論后，得到測量p的方法有壓強傳感器、液柱壓強……；測量Ｖ的方法有量筒、針筒、排水法、圓柱底面積乘高……；控制實驗條件：用密封實現(xiàn)“一定質量”，在室溫下操作實現(xiàn)“溫度一定”。這里需要注意的是，教師應及時板書學生的想法，并鼓勵學生大膽補充，注重思維生成。

根據(jù)上述的討論，可以實現(xiàn)的裝置有很多，由于時間的限制，本節(jié)課只選用了兩種方案，分別是ＤＩＳ實驗和自創(chuàng)的Ｕ形管水柱實驗。

①方案一：ＤＩＳ實驗

由于教材上有此方案，如圖4所示，故教師可注重于學生如何處理數(shù)據(jù)。經過討論，得到兩種處理方法：一種是判斷p、Ｖ的乘積是否是定值；另一種是作p－１/Ｖ圖或Ｖ－１/p圖，采用化曲為直的方式判斷圖像是否是過原點的直線，最終選擇作p－１/Ｖ圖來檢驗。

圖4 ＤＩＳ實驗裝置圖

②方案二：Ｕ形管水柱實驗（自創(chuàng)）

由于上述有學生提及了用液柱壓強去測量壓強，故教師展示Ｕ形管水柱裝置：Ｕ形管一端用黑色塞子密封，另一端開口，開口處可注水，研究對象為密封端的氣體；每根Ｕ形管后均固定有刻度尺，刻度尺的零刻度線與管子的上邊沿齊平，如圖5所示。請注意，教師僅僅是在上述討論之下呈現(xiàn)了這樣的裝置，至于如何操作，完全交由學生來設計。教師提問“如何利用該裝置測量密封氣體的p與Ｖ”“如何處理數(shù)據(jù)探究兩者是否成反比”，學生自由討論，然后由不同小組進行匯報。經過討論，學生一致認為，密封氣體壓強p=p０+ρgΔh（p０為大氣壓，Δｈ為兩側液面的高度差），體積V=L1S（L1為氣柱長度）。但對于數(shù)據(jù)處理方法有三種觀點：第一種認為類似剛才的ＤＩＳ實驗，可以測量p與Ｖ數(shù)值后，作p－１/Ｖ圖觀察是否是過原點的直線；第二種認為判斷p、Ｖ的乘積是否是定值；第三種指出第二種觀點中不用把p與Ｖ的準確值計算出來，太麻煩了，只需要關注每次加水后的變量Ｌ１和Δｈ即可。于是，教師立馬捕捉這個靈感，鼓勵學生推導，如若p與Ｖ成反比，Ｌ１和Δｈ滿足怎樣的關系。片刻之后，學生推導出，若（p０+ρgΔh）L1S=C（Ｃ為常數(shù)），則Δh=-，也就是兩液面高度差Δｈ與氣柱長度的倒數(shù)１/Ｌ１成一次函數(shù)關系。所以，我們只需要檢驗每次加水后，Δｈ－１/Ｌ１圖是否是一次函數(shù)圖像，就可以反證p與Ｖ成反比的假設是否成立。緊接著，教師順勢提問“該如何測量出Ｌ１和Δｈ”，學生回答：直接讀密封側液面的刻度得到L1，再讀出開口側液面的刻度Ｌ２，兩者之差就是Δｈ。（說明：本文的Ｕ形管水柱實驗與其他Ｕ型管實驗不同，均為原創(chuàng)，不同之處在于：第一，本文Ｕ形管固定，通過加水來改變密封氣體的Ｖ和p，其他Ｕ形管實驗不加水，而是通過上下移動開口端管子來改變密封氣體的Ｖ和p；第二，數(shù)據(jù)處理的方式不同，本文是作Δｈ－１／Ｌ１圖，不需要知道大氣壓、管子橫截面等數(shù)據(jù)，而其他Ｕ形管實驗是利用這些已知量求出p與Ｖ的精準值再處理數(shù)據(jù)，故本文從原理設計上更加簡潔、方便）

（ａ）實物圖 （ｂ）示意圖

圖5 Ｕ型管水柱實驗裝置

（３）實驗操作

接下來，兩個實驗同時進行，并均使用Eｘｃｅｌ表格輔助數(shù)據(jù)處理和圖像生成。方案一ＤＩＳ組推動活塞，在電腦上記錄體積和壓強，重復８次，作出p－１/Ｖ圖。方案二Ｕ形管組加６次水，在電腦上記錄每次兩側液面刻度，作出Δｈ－１/Ｌ１圖。教師及時用手機拍下每組的圖像，方便后續(xù)投屏到大屏幕上。

２．３ 反思與發(fā)展

２．３．１ ＤＩＳ實驗誤差分析

教師展示ＤＩＳ組的p－１/Ｖ圖，由學生進行匯報。學生發(fā)現(xiàn)得到的是一次函數(shù)圖像，并且用Eｘｃｅｌ表格擬合公式為“p＝１７１０．６（１/Ｖ）＋８．４６６４”，經由學生討論，發(fā)現(xiàn)Ｖ的測量值并不是氣體真實的體積，還應該包含傳感器連接管部分的體積。故教師現(xiàn)場在Eｘｃｅｌ表里修正體積，已提前測出連接管體積約為１．１ ｍＬ，修正后得到p－１/Ｖ圖的擬合公式為“p ＝ １９７４．６（１/Ｖ） ＋ ０．０３９１”，縱截距減小，如圖6、圖7所示。由此，在誤差允許的范圍內，可得到p與１/Ｖ成正比，即p與Ｖ成反比。

圖6 p-1/V圖（體積修正前）

圖７ p-1/V圖（體積修正后）

２．３．２ Ｕ形管水柱實驗分析和拓展

教師投屏幾組的Δｈ－１/Ｌ１圖，發(fā)現(xiàn)均為一次函數(shù)圖像，其中選取一個組的數(shù)據(jù)表和兩個組的圖像展示，如表１、圖８、圖9所示，由此說明p與Ｖ成反比的假設成立。有學生指出幾幅圖的截距差不多，教師立馬捕捉這個契機，讓學生討論原因。經過討論，學生發(fā)現(xiàn)根據(jù)原理公式，縱截距應該是，而這三個量均為常數(shù)，所以縱截距幾乎一致。隨即，教師讓學生現(xiàn)場估算大氣壓，利用圖８的參數(shù)，ρ?。薄粒保埃?ｋｇ/ｍ３，ｇ取１０ ｍ/ｓ２，得到大氣壓強約為９６ kPａ。而用傳感器當場測出的大氣壓為９５．３ kPａ，兩者非常接近，由此說明利用Ｕ形管不僅探究了p與Ｖ的關系，還順便測量出了大氣壓。并且教師進一步深化，指出歷史上的托里拆利實驗測大氣壓用的是水銀，很危險，而如果用水則需要１０多米長的管子，我們今天僅僅用１米長的管子和水就輕松測量出了大氣壓。

表１ Ｕ型管水柱實驗數(shù)據(jù)

圖8 Δh-1/L1圖1

圖9 Δh-1/L1圖2

２．３．３ 揭秘浮沉子

在課堂的最后，教師鼓勵學生自由討論開頭的魔術，揭秘為何捏緊和松開瓶子就能實現(xiàn)小瓶的沉浮。激烈討論后，由學生上臺陳述，主要有兩種觀點：第一種選取小瓶和小瓶中的氣體為研究對象，其受到重力和浮力平衡，當捏緊大瓶時，大瓶水面上方的氣體體積減小，壓強增大，從而導致小瓶開口處外部壓強增大，水流進小瓶，瓶內氣體體積被擠壓，排開水體積減小，浮力減小，重力不變，故下沉；另一種觀點選取小瓶、小瓶中的氣體、小瓶中的水這一整體為研究對象，當水流進小瓶時，整體的重力增加，而整體排開水的體積不變，故下沉。兩種觀點的不同在于研究對象的選取，但都完美地揭秘了浮沉子。

３ 結 語

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，這句話同樣也適用于科學探究。孩子天生就充滿了對于未知世界的探索欲望，他們的頭腦里總是充斥著各種有趣的想法，作為教師的我們，不應該扼住他們的天性，強行灌輸式教育，而應該注重探究過程，讓他們去經歷、去感受、去創(chuàng)造，努力去營造自由的討論氛圍和濃烈的研究氛圍。學習即研究，只有這樣的課堂才能真正實現(xiàn)學生有意義的學習，有深度的學習，有生成的學習。

參考文獻：

［1］韋冬余．論施瓦布科學探究教學的基本內涵［Ｊ］．全球教育展望，２０１５，４４（４）：２８－３５．

［2］劉霽華．指向素養(yǎng)發(fā)展的物理課堂轉型與重構［Ｊ］．基礎教育參考，２０２１（１２）：５０－５４．

［3］劉霽華．從知識積累學習到素養(yǎng)發(fā)展學習的轉變——“學習即研究”觀點的思考與實踐［Ｊ］．中小學教材教學， ２０２１（９）：４７－５２．

（欄目編輯 劉 榮）

收稿日期：2024-07-03

基金項目：成都市教育科研規(guī)劃課題“融合式教學視域下高中生自主學習培養(yǎng)模式研究”（CY2024Y144）。

作者簡介：梅怡楠（1999-），女，中學二級教師，主要從事中學物理教學工作。