福建省三明市第二中學(xué)(365000) 施生晶 洪英蘭

化學(xué)研究的最終價值在于運用“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實驗系統(tǒng)”引導(dǎo)學(xué)生將傳統(tǒng)實驗方法和現(xiàn)代信息技術(shù)手段相結(jié)合，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力和實驗探究能力。讓學(xué)生在探究中獲得科學(xué)知識，領(lǐng)會科學(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

實驗1：壓強與體積關(guān)系見圖1。

圖1 氣體壓強與體積關(guān)系實驗

實驗器材：玻璃注射器、橡膠套、鐵架臺。

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

學(xué)生體驗：氣體體積減小，壓強增大。

猜想1：壓強可能與體積成反比。

實驗2：壓強與溫度關(guān)系(見圖2)。

圖2 氣體壓強與溫度關(guān)系實驗

實驗器材：U型管(連通器)、紅色的液體、有兩個孔(大和小)玻璃容器、鐵架臺。

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：氣體溫度升高，壓強增大。

猜想2：壓強可能與溫度成正比。

探究方案：學(xué)生體驗氣體的三個狀態(tài)參量(溫度、壓強、體積)之間存在一定的關(guān)系，若能測出壓強、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、溫度、體積之間的關(guān)系。

設(shè)計目的：通過2個實驗探究活動，改進教學(xué)手段，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生實驗素養(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，激發(fā)學(xué)生探索新事物的欲望，有效提升學(xué)生的實驗探究素養(yǎng)。

2 氣體等溫變化兩種探究實驗裝置

“DIS實驗系統(tǒng)”裝置操作簡單，能使探究實驗做得更迅速，采集數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確(見表1)。為保證課堂實驗探究的順利進行及教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)，首選“DIS實驗系統(tǒng)”實驗裝置。

表1 探究實驗裝置的比較

3 數(shù)據(jù)采集

在朗威Lab Studio操作系窗口，依次找到“設(shè)置”→“實驗設(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。

運用控制變量法探究氣體等溫變化的實驗。實驗過程中，改變氣體體積時，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)；手推動注射器活塞，出現(xiàn)對氣體做功，氣體內(nèi)能會改變，要考慮充足時間，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，負責(zé)改變氣體體積；一人負責(zé)讀體積數(shù)值；一人負責(zé)點擊鼠標(biāo)，進行數(shù)據(jù)采集(見表2)。

圖3 改變氣體體積操作

表2 氣體體積和壓強的實驗數(shù)據(jù)

采集數(shù)據(jù)是學(xué)生必須掌握的一項重要的實驗技能，是學(xué)生今后從事科學(xué)實踐的一項基本功；通過數(shù)據(jù)采集過程，培養(yǎng)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)實事求是的精神和嚴謹科學(xué)態(tài)度。

4 數(shù)據(jù)處理流程與分析

物理是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。物理教學(xué)離不開實驗探究，學(xué)生能從實驗數(shù)據(jù)得出物理規(guī)律才是實驗探究的核心。實驗數(shù)據(jù)是探究者對某一物理現(xiàn)象進行分析判斷的依據(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，對實驗數(shù)據(jù)進行處理，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力和實驗探究能力，提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

4.1 列表法處理數(shù)據(jù)

把采集到的壓強數(shù)值和對應(yīng)的體積輸入Excel表格中，再添加體積的倒數(shù)、壓強×體積、平均值、相對誤差、絕對誤差。利用Excel軟件中相應(yīng)的函數(shù)，軟件自動進行相關(guān)數(shù)據(jù)運算，得出結(jié)果(見表3)。

表3 列表法處理實驗數(shù)據(jù)

若用人工處理計算數(shù)據(jù)，需要預(yù)留較長時間給學(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應(yīng)值。

教師要培養(yǎng)學(xué)生觀察數(shù)據(jù)，強化對數(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，壓強越大；②“壓強×體積”數(shù)值不相同，但變化不大，用多次測量求出的平均值是4 145.94；③根據(jù)“相對誤差”的數(shù)據(jù)進行判斷，在誤差允許范圍內(nèi)，“壓強×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，氣體的壓強與體積成反比。

4.2 圖像法處理數(shù)據(jù)

物理圖像簡明、清晰,能直觀表示變量間變化過程和變化趨勢，是一種特殊且形象的語言和工具。圖像可避免復(fù)雜的運算過程，運用數(shù)和形的巧妙結(jié)合，能恰當(dāng)?shù)乇磉_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，畫出P-V圖像。為使圖線能真實地反映P-V測量值之間的關(guān)系，應(yīng)根據(jù)圖線的大致形狀合理選取測量點。因測量存在誤差,要仔細分析后決定取舍，所作的線并不一定要通過所有的點，要求數(shù)據(jù)點均勻地分布在所作線的兩旁。教師引導(dǎo)學(xué)生運用圖像特征來表達物理規(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、分析等實驗技能，還能培養(yǎng)學(xué)生細致、耐心、求實的實驗素養(yǎng)。通過圖像處理實驗數(shù)據(jù)過程，提升學(xué)生的實驗探究素養(yǎng)。但人工繪圖占用大量時間，受課堂教學(xué)時間的限制，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：氣體壓強與體積、體積倒數(shù)的關(guān)系

掌握Excel軟件計算和繪圖等功能，把畫圖機械性的工作讓計算機完成，學(xué)生只需輸入實驗數(shù)據(jù)，就能體驗軟件處理數(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生不需要耗時的畫圖像，能專注數(shù)據(jù)和圖像分析，能激發(fā)學(xué)生實驗探究的欲望。

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)測量物理量，實時實驗數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)以表格形式及時顯示，軟件實時進行數(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，只需點擊鼠標(biāo)，操作簡單，短時間內(nèi)就完成實驗，可以精中集力進行實驗探究，有效提高實驗效率，學(xué)生能體會到信息技術(shù)的魅力，能體驗科學(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，在組織實驗教學(xué)以及課外活動中,要讓學(xué)生體驗科學(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)生體會科學(xué)探究的實質(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。