基于學(xué)習(xí)分析的初中物理研究性備課
——以蘇科版“機(jī)械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”為例

隗月玲 季衛(wèi)新

(1. 江蘇省南京市板橋中學(xué),江蘇 南京 210039;2. 江蘇省南京市雨花臺(tái)區(qū)教師發(fā)展中心,江蘇 南京 210012)

1 引言

學(xué)習(xí)分析理論是近年來國際上逐漸興起的以學(xué)習(xí)和教學(xué)為研究對(duì)象的分析與設(shè)計(jì)理論,這一理論基于大數(shù)據(jù),運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、人工智能、信息可視化等技術(shù)獲得海量信息,對(duì)學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)方法等要素進(jìn)行分析,確定備課基點(diǎn),探究支持有效學(xué)習(xí)的因素、機(jī)制、模式。學(xué)習(xí)分析不僅可為學(xué)生自我評(píng)價(jià)、診斷與導(dǎo)向提供支持,也可為教師調(diào)整教學(xué)策略、進(jìn)行個(gè)性化研究學(xué)習(xí)提供數(shù)據(jù)平臺(tái)。結(jié)合物理教學(xué)現(xiàn)狀,基于學(xué)習(xí)分析的備課可以優(yōu)化初中物理教學(xué)模式,完善教學(xué)評(píng)價(jià)體系,提高物理教師備課的科學(xué)化水平,提升教師的專業(yè)素養(yǎng)。

研究性備課需要研究課標(biāo)、教材,做到激活、改組和拓展教材，要研究學(xué)生的學(xué)習(xí)需求、資源和方式，研究師生互動(dòng),做到共同發(fā)展、教學(xué)相長，從而最大限度地優(yōu)化教學(xué)模式,提高教學(xué)質(zhì)量。筆者以蘇科版物理教材中“機(jī)械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”的教學(xué)為例,探討基于學(xué)習(xí)分析的研究性備課過程中遇到的問題及解決策略。

2 研究課標(biāo),明確教學(xué)內(nèi)容

課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“機(jī)械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”這一內(nèi)容的要求是:(1) 知道做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程。(2) 了解熱機(jī)的工作原理。知道內(nèi)能的利用在人類社會(huì)發(fā)展史上的重要意義。

針對(duì)要求(1),本節(jié)課淡化“熱傳遞改變內(nèi)能”,將重點(diǎn)放在 “做功改變物體的內(nèi)能”上,結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)際,在處理本部分內(nèi)容時(shí),通過對(duì)固、液、氣分別做功的實(shí)驗(yàn),用電子溫度計(jì)顯示內(nèi)能變化,認(rèn)識(shí)到做功是改變物體內(nèi)能的一種方式。

針對(duì)要求(2),自制簡易內(nèi)燃機(jī)模型,幫助學(xué)生構(gòu)建熱機(jī)模型。研究物理學(xué)史,體會(huì)科技發(fā)展對(duì)人類生活的影響。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求及其解讀,筆者擬將熱值的內(nèi)容放在第二課時(shí)進(jìn)行，學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)定如下:

(1) 通過對(duì)固、液、氣做功的實(shí)驗(yàn),認(rèn)識(shí)到做功是改變物體內(nèi)能的一種方式。

(2) 通過燃燒的氣體對(duì)瓶塞做功的實(shí)驗(yàn),知道熱機(jī)的工作原理。

(3) 借助自制內(nèi)燃機(jī)模型,了解汽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作過程。

(4) 通過介紹“熱機(jī)的發(fā)展歷程”,了解內(nèi)能的利用在人類社會(huì)發(fā)展中的重要意義。

3 研究教材, 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)資源

研究性備課要研究教材,做到激活、改組和拓展教材。物理教師在備課時(shí),應(yīng)在合理挖掘教材的同時(shí),尋找其促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的因素,通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),優(yōu)化實(shí)驗(yàn)資源,有效激發(fā)學(xué)生興趣,培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

3.1 課題的引入

教材中引入了兩幅圖片：(1) 車高速行駛時(shí),輪胎溫度升得很快。(2) 燃料燃燒使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作的原理。筆者認(rèn)為,該圖片不能有效刺激學(xué)生感官,而演示實(shí)驗(yàn)的直觀性和持續(xù)性一直是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中所追求的目標(biāo), 設(shè)計(jì)一個(gè)能將內(nèi)能持續(xù)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的簡易裝置,能使更多的學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)觀察的活動(dòng)中來,對(duì)能量轉(zhuǎn)化過程有更直觀的體驗(yàn)。因此本節(jié)課在引入環(huán)節(jié)通過熱機(jī)實(shí)物展示(如圖1),讓學(xué)生看到熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況,以激發(fā)學(xué)生的興趣。并且在新課結(jié)束后,再將熱機(jī)實(shí)物拿出,要求學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)說明其工作原理,對(duì)其發(fā)展史有進(jìn)一步的了解,做到首尾呼應(yīng)。

圖1

3.2 做功——改變物體內(nèi)能的另一種方式

教材中引入了兩個(gè)活動(dòng):(1) 學(xué)生彎折鐵絲,鐵絲內(nèi)能增大。(2) 教師演示空氣壓縮引火儀實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生思考、舉例,得到做功可以改變物體內(nèi)能的結(jié)論。通過分析教材,筆者將該探究活動(dòng)改為三個(gè),分別對(duì)鐵絲(固體)、空氣(氣體)、水(液體)做功,觀察其內(nèi)能變化,將看似零散的實(shí)驗(yàn)巧妙結(jié)合在一起,讓學(xué)生明白對(duì)固、液、氣體均可做功, 有效拓展了學(xué)生的思維。

關(guān)于對(duì)空氣做功,以往的實(shí)驗(yàn)是壓縮空氣引火,觀察和分析火花產(chǎn)生的原因，得到結(jié)論,但實(shí)驗(yàn)過程時(shí)間短,成功率低,現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝，不易觀察,而且部分學(xué)生對(duì)現(xiàn)象的理解有困難。因此,筆者將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，在空礦泉水瓶內(nèi)加入溫度傳感器,利用打氣筒通向瓶內(nèi)打氣(如圖2),并利用希沃投屏軟件觀察溫度變化,效果更直觀,學(xué)生的理解更容易。

圖2

關(guān)于對(duì)水做功實(shí)驗(yàn),以往采用榨汁機(jī)快速攪拌水來演示。筆者考慮到該演示實(shí)驗(yàn)的局限性,且榨汁機(jī)要利用電能,部分學(xué)生會(huì)認(rèn)為是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,對(duì)本節(jié)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生一定干擾。因此,將該實(shí)驗(yàn)改為分組實(shí)驗(yàn),學(xué)生自己動(dòng)手,親身經(jīng)歷,印象更深刻。在礦泉水瓶中放入溫度傳感器(如圖3),學(xué)生戴隔熱手套用力搖晃,持續(xù)一分鐘, 水的溫度可升高1℃,效果明顯。

圖3

對(duì)于氣體對(duì)外做功實(shí)驗(yàn)，以往都是分析瓶口出現(xiàn)的“白氣”,其現(xiàn)象并不明顯,且學(xué)生對(duì)于瓶口“白氣”成因的解釋也較難理解。為此筆者增加一個(gè)實(shí)驗(yàn)，用打氣筒向空礦泉水瓶里打氣,在塞子沖出的一瞬間觀察溫度變化，實(shí)驗(yàn)時(shí)用手機(jī)拍攝視頻,用希沃投屏軟件慢動(dòng)作播放,現(xiàn)象直觀、明顯。

3.3 自制簡易熱機(jī),建構(gòu)內(nèi)燃機(jī)模型

教材用反復(fù)彎折鐵絲、空氣壓縮引火的實(shí)驗(yàn)介紹做功可以改變物體的內(nèi)能后,直接呈現(xiàn)點(diǎn)火爆炸實(shí)驗(yàn),然后給出熱機(jī)相關(guān)概念,并引入內(nèi)燃機(jī)。前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了機(jī)械能可轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,對(duì)應(yīng)內(nèi)燃機(jī)的壓縮沖程,后一個(gè)實(shí)驗(yàn)中是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,對(duì)應(yīng)做功沖程。問題是并非學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)這些對(duì)應(yīng)關(guān)系,他們對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作過程的理解并不容易。在呈現(xiàn)點(diǎn)火爆炸實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后,筆者利用自制簡易熱機(jī)模型,層層遞進(jìn),引導(dǎo)學(xué)生知道：氣體怎樣進(jìn)入氣缸(安裝進(jìn)氣口,活塞向下運(yùn)動(dòng))？如何將氣缸內(nèi)氣體預(yù)熱,使其內(nèi)能增大(進(jìn)氣口關(guān)閉,壓縮氣體,活塞向上運(yùn)動(dòng))？如何讓氣體對(duì)活塞做功(安裝火花塞,點(diǎn)燃燃?xì)?？燃燒后的廢氣怎樣處理(安裝排氣口)？如何避免活塞直線距離運(yùn)動(dòng)過長(利用旋轉(zhuǎn)的曲軸帶動(dòng)連桿,實(shí)現(xiàn)活塞的連續(xù)循環(huán)往復(fù))？在實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)的基礎(chǔ)上，最終建立內(nèi)燃機(jī)的完整模型。這種建模方法更符合初中生的認(rèn)知特點(diǎn),學(xué)生能形象、具體地了解內(nèi)燃機(jī)的構(gòu)造和工作原理。

4 研究學(xué)生,創(chuàng)設(shè)問題情境

初中生雖然具有一定的實(shí)驗(yàn)操作能力、思維能力，但自主性不強(qiáng),分析能力有限,因此教師要及時(shí)給予指導(dǎo)。在學(xué)習(xí)本節(jié)之前,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了不同形式的能量,較易接受“熱傳遞是改變物體內(nèi)能的一種方式”,但難以理解“做功能改變物體內(nèi)能”。如何讓學(xué)生形成“轉(zhuǎn)化”的觀念,在強(qiáng)化物理觀念的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力？這就要引導(dǎo)學(xué)生從生活走向物理，而初中生的生活經(jīng)驗(yàn)有限,教師需要利用各種手段引導(dǎo)，本節(jié)的教學(xué)以問題為主線,發(fā)揮問題的驅(qū)動(dòng)作用,以激發(fā)學(xué)生的探索欲望,提升探究能力,具體設(shè)計(jì)如下。

問題1:桌上有一根鐵絲,要改變其內(nèi)能,你有哪些方法？什么現(xiàn)象能說明鐵絲內(nèi)能改變？

問題2:對(duì)鐵絲做功,鐵絲內(nèi)能增大,若要得到對(duì)物體做功、物體內(nèi)能增大的結(jié)論,我們還需要補(bǔ)充哪些實(shí)驗(yàn)?

問題3:對(duì)空氣做功,空氣內(nèi)能能否改變?如何對(duì)空氣做功，知道其內(nèi)能發(fā)生了改變？

問題4:對(duì)水做功,水的內(nèi)能能否改變?如何對(duì)水做功,知道其內(nèi)能發(fā)生了改變？

問題5:機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能能否轉(zhuǎn)化為機(jī)械能?

問題6:如何讓燃?xì)獠粩嗟貙?duì)瓶蓋做功,使瓶蓋連續(xù)獲得較大的機(jī)械能?

5 促進(jìn)師生互動(dòng),優(yōu)化評(píng)價(jià)方式

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》指出:“對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)應(yīng)從甄別式的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向發(fā)展性評(píng)價(jià),既要關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果,更要關(guān)注他們的學(xué)習(xí)過程,既要關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的水平,更要關(guān)注他們?cè)趯W(xué)習(xí)活動(dòng)中所表現(xiàn)出來的情感與態(tài)度?！惫P者備課時(shí)預(yù)測了每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)點(diǎn)及其標(biāo)準(zhǔn)(見表1),新課結(jié)束后,利用移動(dòng)平臺(tái),對(duì)學(xué)習(xí)情況及時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià),同時(shí)也為學(xué)生的自我評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持,為教師優(yōu)化教學(xué)模式提供參考。

表1

6 研究物理學(xué)史,體驗(yàn)科技發(fā)展對(duì)人類生活的影響

從原始社會(huì)到18世紀(jì),木柴作為取火燃料一直是最主要的能源。

從18世紀(jì)初開始,煤炭在西方國家逐漸代替木柴，1875年瓦特改進(jìn)的蒸汽機(jī)使煤炭得到大規(guī)模使用,第一次工業(yè)革命得以更快地向縱深發(fā)展。

1859年第一口油井在美國賓夕法尼亞州打出,石油工業(yè)由此發(fā)端，19世紀(jì)末人們發(fā)明了以柴油和汽油為燃料的內(nèi)燃機(jī),汽車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)車等的出現(xiàn)推進(jìn)了人類社會(huì)的發(fā)展。隨著社會(huì)突飛猛進(jìn)的發(fā)展,常規(guī)能源—煤、石油、天然氣將逐漸枯竭,環(huán)境污染也日趨嚴(yán)重,人類開始對(duì)核能、太陽能、海洋能、生物質(zhì)能等的開發(fā)進(jìn)行研究與利用。

熱機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭等多個(gè)階段,學(xué)生通過對(duì)物理學(xué)發(fā)展的回溯,體驗(yàn)科技發(fā)展對(duì)人類生活的影響,感受到每一次變革都推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步,激發(fā)學(xué)生樹立投身社會(huì)建設(shè)的愿望。

7 結(jié)語

基于學(xué)習(xí)分析的研究性備課,將物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)滲透于備課之中,充分體現(xiàn)課改理念,堅(jiān)持以學(xué)生為中心,滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需求, 有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，提升課堂效率。

基于學(xué)習(xí)分析的研究性備課,將國際前沿的學(xué)習(xí)分析理論引入日常的備課活動(dòng),優(yōu)化教學(xué)模式,調(diào)整教學(xué)策略,使備課建立在堅(jiān)實(shí)的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,更具有科學(xué)性和針對(duì)性,從而真正促進(jìn)教師備課行為的規(guī)范和備課質(zhì)量的提高,凸顯“精準(zhǔn)教、多元學(xué)、顯性評(píng)”的教學(xué)主張,實(shí)現(xiàn)初中物理課堂“減負(fù)增效”的改革目標(biāo)。