例談物理實驗對學(xué)科核心素養(yǎng)的培育功能
——以“汽化和液化”為例

朱恒奇

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理學(xué)科育人的集中體現(xiàn),是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出:“實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分,是落實物理課程目標(biāo),全面提高學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的重要途徑,要發(fā)揮實驗在物理教學(xué)中的重要作用”。因此,物理實驗的作用和地位顯得格外重要,本文通過“汽化和液化”教學(xué)為例,從實驗觀察、實驗探究、實驗創(chuàng)新三方面淺析物理實驗對學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培育功能。

一、通過實驗觀察,夯實物理學(xué)科素養(yǎng)基礎(chǔ)

在初中物理學(xué)科中,有大量的演示實驗和學(xué)生實驗,在這些實驗教學(xué)過程中,有非常豐富的內(nèi)容和廣泛的途徑適用于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力。在“汽化和液化”教學(xué)中,通過實驗導(dǎo)入新課,提供真實的現(xiàn)象讓學(xué)生思考,大大地激發(fā)學(xué)生求知欲望和探索欲望,較好地促使學(xué)生觀察習(xí)慣的養(yǎng)成。

教師實驗:手上蘸些酒精,然后在黑板上寫字,讓學(xué)生觀察,看到什么現(xiàn)象? 說明什么問題?

學(xué)生觀察并回答:黑板上的“濕”字馬上不見了,說明液態(tài)的酒精變成氣態(tài)跑掉了。

教師實驗:向透明塑料袋中,滴入幾滴酒精,放入熱水中。然后把塑料袋從熱水中取出再放入冷水中,請同學(xué)們觀察塑料袋的變化,聞一聞、看一看塑料口袋內(nèi)有什么? 并猜想這可能是什么原因。

學(xué)生觀察并總結(jié):酒精在熱水中由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài),體積大大增加而使塑料袋鼓起;在冷水中,酒精由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),體積大大縮小,而使塑料袋變癟了。

從八年級物理入門教學(xué)開始,教師要高度重視學(xué)生觀察能力培養(yǎng),逐步形成在觀察中獲取感知、在觀察中引發(fā)思考、在觀察中激發(fā)實踐的良好習(xí)慣,夯實物理學(xué)科素養(yǎng)基礎(chǔ)。

二、開展實驗探究,實施物理學(xué)科素養(yǎng)途徑

科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo),又是重要的教學(xué)方式之一。將科學(xué)探究列入物理教學(xué)內(nèi)容,旨在將學(xué)習(xí)重心從過分強調(diào)知識的傳承和積累向知識的探究過程轉(zhuǎn)化,從學(xué)生被動接受知識向主動獲取知識轉(zhuǎn)化,從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、實事求是的科學(xué)態(tài)度和敢于創(chuàng)新的探索精神。

在“探究水沸騰時溫度變化的特點”實驗,讓學(xué)生充分體驗科學(xué)探究的步驟和方法:

提出問題:水在沸騰時有什么特征? 水沸騰后如果繼續(xù)加熱,溫度是不是越來越高? 水里的氣泡是怎么來的?

猜想與假設(shè):因為沸騰是日常生活中大家都非常熟悉的現(xiàn)象,可以讓同學(xué)們相互討論、思考和猜想,教師將學(xué)生提出的問題和猜想列在黑板上,并進行歸類。

重點觀察:(1)溫度隨時間的變化情況;(2)氣泡的生成和變化情況。

設(shè)計實驗與制訂計劃:明確了實驗?zāi)康?讓學(xué)生根據(jù)需要確定器材:鐵架臺、酒精燈、火柴、石棉網(wǎng)、燒杯、中心有孔的紙板、溫度計、水、鐘表。

設(shè)計實驗方案時,讓學(xué)生思考討論:怎樣才能使水盡快沸騰?

進行實驗與收集數(shù)據(jù):學(xué)生在進行實驗時,學(xué)會分工合作,如計時、觀察氣泡的變化情況、溫度的變化,溫度計的使用方法、酒精燈的正確操作在此得到進一步的復(fù)習(xí)鞏固,要求同學(xué)們將觀察到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象記錄在表格中。

要注意觀察水沸騰前后的氣泡和溫度的變化;要記錄當(dāng)水溫升高時,每隔1min 記錄一次溫度計的示數(shù),直至水沸騰后3～5min;實驗后要畫出水沸騰前后溫度隨時間的變化圖像。

分析與論證:

(1)繪制“溫度—時間”圖像。實驗結(jié)束后,根據(jù)記錄的數(shù)據(jù),在書本水沸騰時的“溫度—時間”圖像中標(biāo)出相應(yīng)的坐標(biāo)點,用平滑的曲線把這些點連接起來。

(2)利用多媒體展示學(xué)生繪制的水沸騰的“溫度—時間”圖像。

交流評估:小組的同學(xué)在實驗時,得出水的沸點不是100℃,這時教師要肯定學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度,給予鼓勵。同時還要幫助學(xué)生找出原因,可能是實驗使用的溫度計存在質(zhì)量問題,也可能是本地的氣壓不是1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

拓展實驗:

另一組同學(xué)用加蓋的燒瓶做水沸騰實驗如圖甲所示,沸騰一段時間后,撤去酒精燈,發(fā)現(xiàn)水停止沸騰.立即用橡皮塞塞住燒瓶口并將其倒置,迅速向燒瓶底部澆冷水,如圖乙所示,結(jié)果發(fā)現(xiàn)水又重新沸騰了。

因為在瓶底澆冷水后,瓶內(nèi)溫度降低,水蒸氣液化,氣體壓強減小,因為水的沸點會隨氣壓的減小而降低,因此,水會重新沸騰起來。通過拓展實驗,大大地激發(fā)了學(xué)生實驗探究的熱情。

本實驗中,給學(xué)生較大的空間,在老師的指導(dǎo)下,通過自主的探究活動,經(jīng)歷科學(xué)探究過程,體驗科學(xué)探究的樂趣,學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法,領(lǐng)悟科學(xué)探究的思想和精神,培養(yǎng)勇于創(chuàng)新的意識和能力,從而積淀起基本的科學(xué)探究素養(yǎng)。

三、利用實驗創(chuàng)新,促進物理學(xué)科素養(yǎng)落地

物理學(xué)科核心素養(yǎng),更多地需要在知識建構(gòu)的過程中實現(xiàn),而利用創(chuàng)新實驗設(shè)計來激活學(xué)生的形象思維、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,就成為最佳選擇。

例如,在研究酒精汽化如何影響氣球體積的變化的問題上,讓學(xué)生參與設(shè)計了兩次對比實驗:

一次氣球里只裝空氣,然后放到熱水里;

另一次裝一樣多的空氣,并加入少量酒精,然后放到熱水里。

實驗現(xiàn)象表明:裝有酒精也裝有空氣的氣球要比只有空氣沒有酒精的膨脹現(xiàn)象要明顯得多。

又如,演示汽化和液化實驗:取一支50ml 的注射器,用凡士林涂擦注射器的活塞,拉動活塞使注射器里吸進少許乙醚,取下針頭,迅速用橡皮帽堵住注射器的小孔。用熱水給注射器加溫,乙醚迅速汽化,同時用手向外拉活塞,使液態(tài)乙醚全部消失,完成汽化實驗。用手推活塞,壓縮乙醚蒸氣,很快出現(xiàn)液態(tài)乙醚,完成液化實驗。實驗簡單易操作,現(xiàn)象明顯,能讓學(xué)生充分了解汽化與液化的條件,促進學(xué)生汽化與液化物理觀念的形成。

通過創(chuàng)新實驗,讓學(xué)生對實驗的關(guān)注不再滿足于現(xiàn)象的有趣,而是深入到實驗現(xiàn)象背后的物理規(guī)律。因此,從學(xué)生創(chuàng)新的實驗出發(fā),在不斷觀察和論證過程中,進行了有效地探究,實驗設(shè)計思路幫學(xué)生打開了物理觀念的大門,而這也是創(chuàng)新實驗的基本價值所在。從學(xué)生角度來講,實驗的創(chuàng)新、學(xué)生的參與讓物理核心素養(yǎng)落地生根。