提升“科學(xué)探究”素養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐
——以“氣體的等溫變化”實(shí)驗(yàn)探究為例

福建省三明市第二中學(xué)(365000) 施生晶 洪英蘭

化學(xué)研究的最終價(jià)值在于運(yùn)用“科學(xué)探究”是物理學(xué)科四大核心素養(yǎng)之一,“科學(xué)探究”包括問題、證據(jù)、分析、交流等要素。在“氣體的等溫變化”探究活動(dòng)過程中，筆者利用自制教具創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生探究素養(yǎng)提升的學(xué)習(xí)情境，選擇“DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”引導(dǎo)學(xué)生將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和現(xiàn)代信息技術(shù)手段相結(jié)合，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力和實(shí)驗(yàn)探究能力。讓學(xué)生在探究中獲得科學(xué)知識(shí)，領(lǐng)會(huì)科學(xué)探究方法，形成科學(xué)思維，養(yǎng)成科學(xué)探究的習(xí)慣。

1 自制教具，科學(xué)探究

實(shí)驗(yàn)1：壓強(qiáng)與體積關(guān)系見圖1。

圖1 氣體壓強(qiáng)與體積關(guān)系實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器材：玻璃注射器、橡膠套、鐵架臺(tái)。

學(xué)生演示：橡膠套和柱塞封閉一段空氣柱，讓女生單個(gè)手指向下壓柱塞，壓到一定程度時(shí)，女生不自覺再增加一個(gè)手指壓柱塞。

學(xué)生體驗(yàn)：氣體體積減小，壓強(qiáng)增大。

猜想1：壓強(qiáng)可能與體積成反比。

實(shí)驗(yàn)2：壓強(qiáng)與溫度關(guān)系(見圖2)。

圖2 氣體壓強(qiáng)與溫度關(guān)系實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器材：U型管(連通器)、紅色的液體、有兩個(gè)孔(大和小)玻璃容器、鐵架臺(tái)。

學(xué)生演示：U型管右側(cè)通過塑料管與密閉的玻璃容器相聯(lián)，左側(cè)與大氣相通，管內(nèi)兩側(cè)紅色的液柱等高。學(xué)生兩手抱住密閉的玻璃容器，觀察到左側(cè)管液柱緩慢上升。

現(xiàn)象分析：人體的體溫37 ℃左右，通過手和玻璃的熱傳遞，使密閉容器中的氣體溫度升高，壓強(qiáng)增大，通過塑料管，向下壓右側(cè)管的液柱，導(dǎo)致左側(cè)管液柱上升。

學(xué)生體驗(yàn)：氣體溫度升高，壓強(qiáng)增大。

猜想2：壓強(qiáng)可能與溫度成正比。

探究方案：學(xué)生體驗(yàn)氣體的三個(gè)狀態(tài)參量(溫度、壓強(qiáng)、體積)之間存在一定的關(guān)系，若能測(cè)出壓強(qiáng)、體積、溫度數(shù)值，再研究它們之間的關(guān)系，一定更直觀、更可靠。進(jìn)而引入到本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，形成定量研究思路，制定探究方案：要用“控制變量法”研究氣體壓強(qiáng)、溫度、體積之間的關(guān)系。

設(shè)計(jì)目的：通過2個(gè)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，改進(jìn)教學(xué)手段，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)提升的學(xué)習(xí)情境，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象、相互討論、得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑精神和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)學(xué)生探索新事物的欲望，有效提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)。

2 氣體等溫變化兩種探究實(shí)驗(yàn)裝置

“DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”裝置操作簡(jiǎn)單，能使探究實(shí)驗(yàn)做得更迅速，采集數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確(見表1)。為保證課堂實(shí)驗(yàn)探究的順利進(jìn)行及教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，首選“DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)裝置。

表1 探究實(shí)驗(yàn)裝置的比較

3 數(shù)據(jù)采集

在朗威Lab Studio操作系窗口，依次找到“設(shè)置”→“實(shí)驗(yàn)設(shè)置”→“當(dāng)前組”→“添加欄”，根據(jù)窗口提示的相關(guān)內(nèi)容，依次添加：體積、體積倒數(shù)、壓強(qiáng)。

運(yùn)用控制變量法探究氣體等溫變化的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，改變氣體體積時(shí)，要避免用手直接接觸注射器，防止人體通過熱傳遞，影響研究的氣體溫度(見圖3)；手推動(dòng)注射器活塞，出現(xiàn)對(duì)氣體做功，氣體內(nèi)能會(huì)改變，要考慮充足時(shí)間，使內(nèi)部氣體與外界發(fā)生熱交換。三人協(xié)作，能迅速、準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)。一人推注射器，負(fù)責(zé)改變氣體體積；一人負(fù)責(zé)讀體積數(shù)值；一人負(fù)責(zé)點(diǎn)擊鼠標(biāo)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(見表2)。

圖3 改變氣體體積操作

表2 氣體體積和壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采集數(shù)據(jù)是學(xué)生必須掌握的一項(xiàng)重要的實(shí)驗(yàn)技能，是學(xué)生今后從事科學(xué)實(shí)踐的一項(xiàng)基本功；通過數(shù)據(jù)采集過程，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)事求是的精神和嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度。

4 數(shù)據(jù)處理流程與分析

物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。物理教學(xué)離不開實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生能從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出物理規(guī)律才是實(shí)驗(yàn)探究的核心。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是探究者對(duì)某一物理現(xiàn)象進(jìn)行分析判斷的依據(jù)，教師要引導(dǎo)學(xué)生采用傳統(tǒng)和現(xiàn)代信息技術(shù)等方段，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力和實(shí)驗(yàn)探究能力，提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

4.1 列表法處理數(shù)據(jù)

把采集到的壓強(qiáng)數(shù)值和對(duì)應(yīng)的體積輸入Excel表格中，再添加體積的倒數(shù)、壓強(qiáng)×體積、平均值、相對(duì)誤差、絕對(duì)誤差。利用Excel軟件中相應(yīng)的函數(shù)，軟件自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)運(yùn)算，得出結(jié)果(見表3)。

表3 列表法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

若用人工處理計(jì)算數(shù)據(jù)，需要預(yù)留較長(zhǎng)時(shí)間給學(xué)生，且演算過程相當(dāng)繁鎖，效率又低。采用Excel辦公軟件來處理數(shù)據(jù)，只需輸入相關(guān)函數(shù)，就能直接得到某些具體的對(duì)應(yīng)值。

教師要培養(yǎng)學(xué)生觀察數(shù)據(jù)，強(qiáng)化對(duì)數(shù)據(jù)的敏感性及分析處理能力，分析表3，教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律：①一定質(zhì)量的氣體，溫度保持不變，體積越小，壓強(qiáng)越大；②“壓強(qiáng)×體積”數(shù)值不相同，但變化不大，用多次測(cè)量求出的平均值是4 145.94；③根據(jù)“相對(duì)誤差”的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，在誤差允許范圍內(nèi)，“壓強(qiáng)×體積”數(shù)值不變；④得出結(jié)論：一定質(zhì)量的氣體，溫度保持不變，氣體的壓強(qiáng)與體積成反比。

4.2 圖像法處理數(shù)據(jù)

物理圖像簡(jiǎn)明、清晰,能直觀表示變量間變化過程和變化趨勢(shì)，是一種特殊且形象的語言和工具。圖像可避免復(fù)雜的運(yùn)算過程，運(yùn)用數(shù)和形的巧妙結(jié)合，能恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)物理過程和物理規(guī)律。物理圖像是處理物理問題的重要方法，是培養(yǎng)學(xué)生探究素養(yǎng)的重要手段。

4.2.1 人工繪圖作圖像

選用合適坐標(biāo)軸比例，用表2中的P和V數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，畫出P-V圖像。為使圖線能真實(shí)地反映P-V測(cè)量值之間的關(guān)系，應(yīng)根據(jù)圖線的大致形狀合理選取測(cè)量點(diǎn)。因測(cè)量存在誤差,要仔細(xì)分析后決定取舍，所作的線并不一定要通過所有的點(diǎn)，要求數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻地分布在所作線的兩旁。教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用圖像特征來表達(dá)物理規(guī)律的能力，分析畫出的P-V圖像是曲線，可能是雙曲線、拋物線、圓弧一部分等(見圖4)。

P-V圖像 P-1/V圖像圖4 人工繪圖：氣體壓強(qiáng)與體積、體積倒數(shù)的關(guān)系

人工繪圖作圖像，能培養(yǎng)學(xué)生的讀數(shù)、記錄、處理、分析等實(shí)驗(yàn)技能，還能培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致、耐心、求實(shí)的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。通過圖像處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過程，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)。但人工繪圖占用大量時(shí)間，受課堂教學(xué)時(shí)間的限制，在教學(xué)過程中，教師常選擇性的開展。

4.2.2 利用Excel軟件的繪圖功能畫圖像

圖5 用Excel軟件的繪圖：氣體壓強(qiáng)與體積、體積倒數(shù)的關(guān)系

掌握Excel軟件計(jì)算和繪圖等功能，把畫圖機(jī)械性的工作讓計(jì)算機(jī)完成，學(xué)生只需輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，就能體驗(yàn)軟件處理數(shù)據(jù)帶來的便捷，有效提升學(xué)生現(xiàn)代信息素養(yǎng)。因?qū)W生不需要耗時(shí)的畫圖像，能專注數(shù)據(jù)和圖像分析，能激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的欲望。

4.2.3 利用Lab Studio軟件處理數(shù)據(jù)

圖6 用Lab Studio操作系統(tǒng)繪圖：氣體壓強(qiáng)與體積、體積倒數(shù)的關(guān)系

利用Lab Studio軟件，設(shè)置相關(guān)測(cè)量物理量，實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)以表格形式及時(shí)顯示，軟件實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果以圖像形式顯示。探究者不要讀數(shù)據(jù)、記數(shù)據(jù)，不要人工繪圖，只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)，操作簡(jiǎn)單，短時(shí)間內(nèi)就完成實(shí)驗(yàn)，可以精中集力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，有效提高實(shí)驗(yàn)效率，學(xué)生能體會(huì)到信息技術(shù)的魅力，能體驗(yàn)科學(xué)探究的樂趣，享受成功喜悅。

5 結(jié)束語

物理學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生思維能力的一門科學(xué)。作為教師，在組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及課外活動(dòng)中,要讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探索的艱辛，讓學(xué)生感知探索的過程，讓學(xué)生掌握正確的思維方式和科學(xué)方法，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)探究的實(shí)質(zhì)，學(xué)生的物理核心素養(yǎng)在不知不覺中得到提升，使學(xué)生成為全面發(fā)展的人才。