董友軍 翟春城
摘要:學習是一個不斷發(fā)展的過程。隨著學習時間的增加,學生對某一學習主題的認識不斷豐富和逐步深入,即“學習進階”。強調(diào)“學習進階”的物理規(guī)律教學,要明確“學習進階”的起點和終點,規(guī)劃“學習進階”的臺階。根據(jù)物理規(guī)律的邏輯思路,得到物理規(guī)律教學的五級臺階:觀察現(xiàn)象、提出問題、經(jīng)歷過程、提煉結(jié)論、遷移應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:學習進階物理規(guī)律核心素養(yǎng)《氣體實驗定律(Ⅰ)》
學習是一個不斷發(fā)展的過程。隨著學習時間的增加,學生對某一學習主題的認識不斷豐富和逐步深入,即“學習進階”。強調(diào)“學習進階”的物理規(guī)律教學,可以使學生在原有認識的基礎(chǔ)上,將大量零散的、碎片化的知識圍繞物理規(guī)律整合內(nèi)化,發(fā)展科學思維,形成物理觀念,培養(yǎng)核心素養(yǎng)。下面,以粵教版高中物理選擇性必修第三冊《氣體實驗定律(Ⅰ)》一課為例,闡明如何在物理規(guī)律教學中強調(diào)“學習進階”。
一、明確“學習進階”的起點與終點
“學習進階”的起點就是新知識在原有知識基礎(chǔ)上的生長點。物理規(guī)律教學“學習進階”的起點可以根據(jù)學生已有的知識結(jié)構(gòu)和認知能力來確定。學習《氣體實驗定律(Ⅰ)》一課前,學生已有的知識包括:會求被水銀柱封閉在玻璃管中的氣體的壓強;會用控制變量法研究三個物理量的關(guān)系;會用列表法、圖像法處理實驗數(shù)據(jù);會用坐標變換法把反比關(guān)系的曲線變換成正比關(guān)系的直線。認知心理學指出,這一年齡段(高二)的學生不但具有較強的抽象思維,而且能夠嚴密地邏輯推理,對出乎意料的物理現(xiàn)象有較強的好奇心,并樂意設(shè)計實驗,探究現(xiàn)象本質(zhì),總結(jié)規(guī)律。這就是學生已有的認知能力。
“學習進階”的終點是指一段學習的目標。顯然,這是一個相對的概念,某一段“學習進階”的終點也許是另一段“學習進階”的起點。我們認為,物理教學的短期目標是讓學生掌握知識,而長遠目標應(yīng)該是發(fā)展學生的物理學科核心素養(yǎng)。分析《氣體實驗定律(Ⅰ)》一課知識內(nèi)容,有機融入物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng),將本課“學習進階”的終點確定為:學生參與實驗,觀察實驗現(xiàn)象,分析實驗原因,明確氣體的狀態(tài)由溫度、體積、壓強三個參量決定,主要培養(yǎng)“物理觀念”“科學態(tài)度”等核心素養(yǎng);學生參與實驗,經(jīng)歷科學探究過程,總結(jié)出玻意耳定律的內(nèi)容,主要培養(yǎng)“科學思維”“科學探究”等核心素養(yǎng);學生討論、交流玻意耳定律的適用條件,總結(jié)出“等溫過程模型”,主要培養(yǎng)“科學態(tài)度”“科學思維”等核心素養(yǎng);學生總結(jié)出玻意耳定律的三種表達方式,并運用于習題和生活現(xiàn)象,主要培養(yǎng)“物理觀念”“科學思維”“科學態(tài)度”等核心素養(yǎng)。
二、規(guī)劃“學習進階”的五級臺階
要達到“學習進階”的終點,關(guān)鍵是要規(guī)劃好從起點到終點的“臺階”。根據(jù)物理規(guī)律的邏輯思路,我們把物理規(guī)律教學劃分為觀察、問題、過程、結(jié)論、應(yīng)用五個階段,對應(yīng)觀察現(xiàn)象、提出問題、經(jīng)歷過程、提煉結(jié)論、遷移應(yīng)用這五級臺階。
(一)觀察現(xiàn)象
現(xiàn)象是物理規(guī)律的外在表現(xiàn),觀察是獲得物理規(guī)律的重要方法。很多物理規(guī)律,就是對物理現(xiàn)象的本質(zhì)提煉。因此,在教學物理規(guī)律時,教師應(yīng)該想方設(shè)法,創(chuàng)設(shè)與規(guī)律關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象,讓學生形成感性認識,激發(fā)學生探究物理規(guī)律的興趣,進而培養(yǎng)學生主動學習的習慣。
課始,教師拿出事先準備好的空氣壓縮引火儀,請一名學生上臺快速向下壓活塞,當學生看到其中的小棉團被點燃時(如圖1),頓時發(fā)出驚嘆之聲,探究情緒高漲。
(二)提出問題
問題是研究的方向,是研究物理規(guī)律的起點。在教學物理規(guī)律時,教師應(yīng)盡量引導學生自己提出問題,從而培養(yǎng)學生提出問題的習慣和能力。
在學生觀察了棉團燃燒的現(xiàn)象之后,教師引導學生首先分析現(xiàn)象背后的原因,接著根據(jù)要求創(chuàng)設(shè)新實驗,定性分析,最后提出定量研究問題。具體教學過程如下:
師小棉團燃燒說明空氣狀態(tài)與哪些物理量有關(guān)?
生向下壓活塞,用眼睛可以觀察到管內(nèi)空氣體積減小;下壓過程中,手受到的作用力越來越大,說明管內(nèi)空氣壓強變大;小棉團燃燒,說明管內(nèi)氣體溫度升高,因此空氣狀態(tài)與體積、壓強、溫度有關(guān)。
師日常生活中有很多現(xiàn)象說明,一定質(zhì)量的氣體的狀態(tài)由壓強、溫度、體積決定。請問,我們可以用什么方法研究氣體三個狀態(tài)參量之間的關(guān)系?
生控制變量法。
師本節(jié)課,我們就來研究一定質(zhì)量的氣體,在控制溫度不變時,其壓強與體積滿足的關(guān)系。(展示組裝好的實驗裝置,如下頁圖2)老師已經(jīng)組裝好了實驗器材。
(演示實驗:緩慢向下壓活塞,發(fā)現(xiàn)空氣柱長度變短、氣壓計讀數(shù)變大,即氣體體積變小、壓強變大;緩慢向上拉活塞,發(fā)現(xiàn)空氣柱長度變長、氣壓計讀數(shù)變小,即氣體體積變大、壓強變小。)
師通過這樣的實驗過程,我們可以提出什么物理問題?
生一定質(zhì)量的氣體,在溫度不變時,其壓強與體積成反比嗎?
(三)經(jīng)歷過程
科學探究是物理學科核心素養(yǎng)的重要方面,而學生實驗動手能力是科學探究的核心要素。學生的實驗動手能力是通過經(jīng)歷實驗過程培養(yǎng)出來的。
根據(jù)本節(jié)課的實驗特點與教學條件,教師主要讓學生經(jīng)歷控制實驗條件、操作實驗過程、記錄實驗數(shù)據(jù)、處理實驗數(shù)據(jù)等過程。具體教學過程如下:
師為了保證氣體的質(zhì)量不變,老師已經(jīng)在注射器內(nèi)壁涂抹了潤滑油,避免活塞滑動過程中漏氣;為了保證氣體的溫度不變,要求大家緩慢移動活塞,且不要用手接觸注射器封閉氣體部分;為了精確地測量氣體的壓強,我們引進壓強傳感器和數(shù)據(jù)采集器,并借助計算機處理數(shù)據(jù)。
(學生實驗:測量教室環(huán)境溫度為16℃,在注射器20—60 mL范圍內(nèi),以5 mL為間隔,記錄對應(yīng)狀態(tài)下的壓強,見表1。)
師(操作電腦,得到p-V擬合圖像,見圖3)請問一定質(zhì)量的氣體,在溫度不變時,其壓強與體積是什么關(guān)系?
生是反比關(guān)系。
師反比曲線是雙曲線的一支。你們能夠看出這條曲線是雙曲線的其中一支嗎?
生看不出來。不過,我們可以“化曲為直”,即先算出1V的數(shù)據(jù),再用電腦畫出p-1V的圖像。
(學生算出1V,得到表2;再用電腦畫出p -1V擬合圖像,見圖4。)
(四)提煉結(jié)論
準確的結(jié)論要從探究物理規(guī)律的過程中提煉。教師應(yīng)鼓勵學生先各自嘗試總結(jié)結(jié)論,再通過相互交流、積極討論,使結(jié)論不斷修改完善。中學物理規(guī)律結(jié)論主要有三種表達方式:文字表達、公式表達、圖像表達。教師可在教學中根據(jù)實際情況,引導學生經(jīng)歷各種表達方式,加深對規(guī)律的理解,提升認知的關(guān)聯(lián)性和遷移性。
以下是本節(jié)課的核心結(jié)論——玻意耳定律的提煉過程:
師從圖4可以看出,圖像沒有過原點,但很接近,推測這是由于實驗誤差造成的。若忽略實驗誤差影響,p-1V圖像是一條過原點的直線,我們可以得到什么結(jié)論?
生p與1V成正比。
生p與V成反比。
生在氣體溫度不變時,p與V成反比。
生在氣體質(zhì)量、溫度不變時,p與V成反比。
師在物理的發(fā)展過程中,最先總結(jié)出這個規(guī)律的是英國科學家玻意耳,因此我們也把這個規(guī)律叫作玻意耳定律。文字表達只適用于氣體變化的定性分析,若要對氣體變化進行定量分析,就需要把文字表達轉(zhuǎn)化為公式表達,那如何用公式表達玻意耳定律?
生若設(shè)壓強為p、體積為V,則公式為p=CV(C為常量);若設(shè)初態(tài)時氣體體積為V1、壓強為p1,末態(tài)時氣體體積為V2、壓強為p2,則公式為p1V1=p2V2。
師(出示圖5、圖6)為了直觀地顯示兩個物理量之間的關(guān)系,常采用坐標圖像法表示玻意耳定律?;仡櫼幌拢R舛墒窃谑裁磳嶒灄l件下總結(jié)出來的?
生氣體的質(zhì)量不變、溫度不變。
師在物理中,一定質(zhì)量的氣體,在溫度不變時,壓強隨體積變化的過程,叫作等溫過程。等溫過程是玻意耳定律成立的條件。
(五)遷移應(yīng)用
遷移應(yīng)用是深度學習的重要方式,它不但能激發(fā)學生的學習興趣和求知欲望,引導學生勤于觀察和積極思考,而且能讓學生運用所學知識和方法去分析和解決問題,有利于培養(yǎng)學生運用物理知識解決實際問題的能力,激發(fā)創(chuàng)新精神,還能使學生真切體會到科學、技術(shù)、社會之間的相互聯(lián)系與互動關(guān)系,為培養(yǎng)學生的物理觀念、科學態(tài)度奠定堅實基礎(chǔ)。
本節(jié)課,教師設(shè)計了“噴泉”實驗和哈勃瓶吹氣球?qū)嶒灒龑W生遷移運用所學。具體教學過程如下:
(學生根據(jù)下頁圖7、圖8,組裝好“噴泉”實驗裝置,并進行實驗:向里推活塞和向外拉活塞,都可以看到“噴泉”。)
師為什么向里推活塞和向外拉活塞,都可以看到“噴泉”?
生向里推活塞,燒瓶內(nèi)水面上方的空氣溫度不變,體積變小,根據(jù)玻意耳定律可知壓強變大,從而把集氣瓶內(nèi)的水壓出玻璃管,形成“噴泉”;向外拉活塞,燒瓶內(nèi)的空氣溫度不變,體積變大,根據(jù)玻意耳定律可知壓強變小,從而外面的大氣壓把水槽內(nèi)的水壓入集氣瓶,形成“噴泉”。
(教師出示如圖9所示的實驗裝置:哈勃瓶和氣球。學生實驗:第1次拔掉橡皮塞吹氣球,很容易把氣球吹大;第2次塞上橡皮塞吹氣球,很難把氣球吹大。)
師為什么拔掉橡皮塞很容易把氣球吹大,而塞上橡皮塞很難把氣球吹大?
生拔掉橡皮塞吹氣球,哈勃瓶內(nèi)的氣體壓強始終等于大氣壓強,吹氣球時,氣球內(nèi)的壓強變大,大于哈勃瓶內(nèi)的大氣壓強,所以比較容易把氣球吹大;塞上橡皮塞,哈勃瓶與氣球形成封閉空間,其內(nèi)的氣體質(zhì)量不變、溫度不變,當向氣球中吹氣時,氣球體積變大,則封閉空間的體積變小,根據(jù)玻意耳定律可知,封閉空間的壓強變大,從而阻礙氣球被吹大,所以塞上橡皮塞很難把氣球吹大。
強調(diào)“學習進階”的物理規(guī)律教學,不僅能促進學生對物理規(guī)律的深刻理解和靈活應(yīng)用,也有利于培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。以上只是我們在教學實踐中的一種積極探索,也希望未來能在更多的物理教學(如物理概念教學、物理方法教學等)中探索出新的“學習進階”路徑。
*本文系廣東省教育科學“十三五”規(guī)劃重點課題“基于物理核心素養(yǎng)導向的高中物理教學關(guān)鍵問題的實踐研究”(編號:2017ZQJK038)的階段性研究成果。
參考文獻:
[1] 林崇德.21世紀學生發(fā)展核心素養(yǎng)研究[M].北京:北京師范大學出版社,2016.
[2] 郭玉英,姚建欣.基于核心素養(yǎng)學習進階的科學教學設(shè)計[J].課程·教材·教法,2016(11).
[3] 張勇,劉茂軍,朱金銘,等.利用PASCO傳感器探究氣體等溫變化規(guī)律[J].物理實驗,2018(10).