摘 要:以“氣體等溫變化”為例,圍繞“體驗(yàn)與感知”“設(shè)計(jì)與實(shí)踐”“反思與發(fā)展”三個(gè)環(huán)節(jié)展示了“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)下物理實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)思路。以“設(shè)計(jì)與實(shí)踐”為核心,學(xué)生自主設(shè)計(jì)、自由討論,完成了DIS實(shí)驗(yàn)和自創(chuàng)的U形管水柱實(shí)驗(yàn),利用U形管水柱實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了僅用1 m長(zhǎng)管子和水測(cè)量大氣壓的創(chuàng)新。整個(gè)過程,教師利用開放引導(dǎo)性的問題驅(qū)動(dòng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng),真正實(shí)現(xiàn)了從“知識(shí)本位”過渡到“素養(yǎng)本位”。
關(guān)鍵詞:學(xué)習(xí)即研究;等溫變化;物理實(shí)驗(yàn)課堂
中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2024)12-0052-4
1 “學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)
科研之路總是曲折、艱辛的,要經(jīng)歷“提出問題—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—自制儀器—采集數(shù)據(jù)—反思分析”等多個(gè)階段才僅能初步得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論。反觀我們的學(xué)生,便缺乏了這樣親歷實(shí)驗(yàn)的過程,而更多是由教師直接告知要研究的問題,直接介紹要采用的方法,甚至直接演示要做的實(shí)驗(yàn)。這嚴(yán)重剝奪了學(xué)生提出自我主張、親歷實(shí)驗(yàn)過程的權(quán)利和機(jī)會(huì),導(dǎo)致了學(xué)生的被動(dòng)學(xué)習(xí)、淺層理解,導(dǎo)致他們?nèi)狈μ骄恳庾R(shí)。據(jù)此,施瓦布提出了“科學(xué)即探究,科學(xué)不只是學(xué)習(xí)知識(shí),還要學(xué)習(xí)科學(xué)研究的過程和方法”[1]。劉霽華老師提出了“學(xué)習(xí)即研究”的觀點(diǎn),他指出“學(xué)習(xí)的本質(zhì)是研究,學(xué)習(xí)者就是研究者,學(xué)習(xí)過程就是研究過程”[2]。這對(duì)于我們的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很大的啟發(fā)。
真實(shí)的學(xué)習(xí)可以認(rèn)為是“濃縮式”的研究過程[3]。物理實(shí)驗(yàn)課堂應(yīng)以學(xué)生的主體實(shí)踐為主線,學(xué)生將親歷“體驗(yàn)與感知”“設(shè)計(jì)與實(shí)踐”“反思與發(fā)展”三個(gè)環(huán)節(jié),具體流程如圖1所示?!绑w驗(yàn)與感知”強(qiáng)調(diào)真情境、真體會(huì),可以采用生活實(shí)例,也可以采用特殊裝置達(dá)到設(shè)疑激趣的效果。而“設(shè)計(jì)與實(shí)踐”則為核心,按照邏輯順序,先定性分析,再定量探究。在此環(huán)節(jié)中,教師應(yīng)充分給予學(xué)生發(fā)揮的空間,教師僅僅作為材料的提供者和問題的驅(qū)動(dòng)者,如何使用該材料來(lái)達(dá)到探究目的,以及如何測(cè)量待測(cè)量都應(yīng)交由學(xué)生自由討論來(lái)得出。教師要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念,從“知識(shí)本位”轉(zhuǎn)化為“素養(yǎng)本位”,盡量達(dá)到拋出一個(gè)具有開放性、引導(dǎo)性、發(fā)展性的問題,便能激起學(xué)生思維上產(chǎn)生一連串“水花”的教學(xué)效果,切忌一手包辦、過度掌控。在這樣自由的環(huán)境中,學(xué)生才能做到自由討論、自主設(shè)計(jì),甚至自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)。也許這個(gè)過程會(huì)有曲折,但也會(huì)有觀點(diǎn)的碰撞和思維的創(chuàng)造。最后的“反思與發(fā)展”則是一種升華,可以包含對(duì)實(shí)驗(yàn)本身的誤差分析、方法改進(jìn),也可以包含知識(shí)遷移、拓展應(yīng)用等??傊?,這種具有濃烈研究氛圍的“發(fā)現(xiàn)生成式”學(xué)習(xí)才能將淺層知識(shí)重構(gòu)成深度知識(shí)。
2 “學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)下“氣體等溫變化”教學(xué)案例
2.1 體驗(yàn)與感知——魔術(shù)激趣
教師先展示“浮沉子”裝置:一個(gè)裝了水的礦泉水瓶,瓶中還有一個(gè)倒置的開口敞開向下的棕色小瓶子,小瓶中只裝了一部分水。然后,邀請(qǐng)指定的學(xué)生上臺(tái)配合魔術(shù)表演。學(xué)生雙手握住大瓶,教師不與瓶子有任何接觸。隨著教師的口令“小瓶小瓶聽我指令,向下,再向上”,學(xué)生便配合“悄悄地”捏緊和松開大瓶,從而實(shí)現(xiàn)小瓶的沉浮,引得下面學(xué)生一片驚呼。
教師趁機(jī)鼓勵(lì)學(xué)生猜想原因,有人認(rèn)為有磁力作用,有人認(rèn)為小瓶上拴了透明的線……接著,教師請(qǐng)剛才上臺(tái)配合的學(xué)生揭秘,并展示捏緊大瓶前后的模型圖,如圖2所示。請(qǐng)學(xué)生觀察、對(duì)比捏緊瓶子前后氣體狀態(tài)參量的變化情況。最終經(jīng)過討論,得出探究的問題是“當(dāng)溫度一定的情況下,一定質(zhì)量氣體的體積與壓強(qiáng)之間的關(guān)系”。
圖2 浮沉子模型圖
2.2 設(shè)計(jì)與實(shí)踐
2.2.1 定性探究——針筒海綿實(shí)驗(yàn)
教師僅僅提供器材,一個(gè)密封的針筒,內(nèi)部有一塊壓變海綿,并且不告訴學(xué)生接下來(lái)如何操作,而是提問學(xué)生“可以如何利用材料來(lái)探究p與V的定性關(guān)系”。然后,學(xué)生開始自由討M5PeBY1ypncQjoIpXBjwioUbl3v6Yyxeow4jQJZzXBU=論,最終由學(xué)生回答出推動(dòng)活塞改變氣體體積,通過觀察海綿的形變來(lái)判斷氣體壓強(qiáng)的變化,并進(jìn)行實(shí)際操作(圖3),得到p與V之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的定性結(jié)論。
圖3 針筒海綿實(shí)驗(yàn)示意圖
2.2.2 定量探究
(1)實(shí)驗(yàn)猜想
基于剛才的定性分析,教師順勢(shì)提問“你覺得p與V之間可能存在哪種定量關(guān)系”,學(xué)生猜測(cè)可能反比、平方反比、立方反比……經(jīng)過討論,決定先從最簡(jiǎn)單的成反比關(guān)系開始猜想,如若不成立,再換成其他猜想。
(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
教師僅僅拋出問題“你認(rèn)為可以如何測(cè)量p與V”“如何控制實(shí)驗(yàn)條件”,并鼓勵(lì)學(xué)生自由討論,然后請(qǐng)不同小組進(jìn)行匯報(bào)和補(bǔ)充。最終,經(jīng)過不同小組的討論后,得到測(cè)量p的方法有壓強(qiáng)傳感器、液柱壓強(qiáng)……;測(cè)量V的方法有量筒、針筒、排水法、圓柱底面積乘高……;控制實(shí)驗(yàn)條件:用密封實(shí)現(xiàn)“一定質(zhì)量”,在室溫下操作實(shí)現(xiàn)“溫度一定”。這里需要注意的是,教師應(yīng)及時(shí)板書學(xué)生的想法,并鼓勵(lì)學(xué)生大膽補(bǔ)充,注重思維生成。
根據(jù)上述的討論,可以實(shí)現(xiàn)的裝置有很多,由于時(shí)間的限制,本節(jié)課只選用了兩種方案,分別是DIS實(shí)驗(yàn)和自創(chuàng)的U形管水柱實(shí)驗(yàn)。
①方案一:DIS實(shí)驗(yàn)
由于教材上有此方案,如圖4所示,故教師可注重于學(xué)生如何處理數(shù)據(jù)。經(jīng)過討論,得到兩種處理方法:一種是判斷p、V的乘積是否是定值;另一種是作p-1/V圖或V-1/p圖,采用化曲為直的方式判斷圖像是否是過原點(diǎn)的直線,最終選擇作p-1/V圖來(lái)檢驗(yàn)。
圖4 DIS實(shí)驗(yàn)裝置圖
②方案二:U形管水柱實(shí)驗(yàn)(自創(chuàng))
由于上述有學(xué)生提及了用液柱壓強(qiáng)去測(cè)量壓強(qiáng),故教師展示U形管水柱裝置:U形管一端用黑色塞子密封,另一端開口,開口處可注水,研究對(duì)象為密封端的氣體;每根U形管后均固定有刻度尺,刻度尺的零刻度線與管子的上邊沿齊平,如圖5所示。請(qǐng)注意,教師僅僅是在上述討論之下呈現(xiàn)了這樣的裝置,至于如何操作,完全交由學(xué)生來(lái)設(shè)計(jì)。教師提問“如何利用該裝置測(cè)量密封氣體的p與V”“如何處理數(shù)據(jù)探究?jī)烧呤欠癯煞幢取?,學(xué)生自由討論,然后由不同小組進(jìn)行匯報(bào)。經(jīng)過討論,學(xué)生一致認(rèn)為,密封氣體壓強(qiáng)p=p0+ρgΔh(p0為大氣壓,Δh為兩側(cè)液面的高度差),體積V=L1S(L1為氣柱長(zhǎng)度)。但對(duì)于數(shù)據(jù)處理方法有三種觀點(diǎn):第一種認(rèn)為類似剛才的DIS實(shí)驗(yàn),可以測(cè)量p與V?jǐn)?shù)值后,作p-1/V圖觀察是否是過原點(diǎn)的直線;第二種認(rèn)為判斷p、V的乘積是否是定值;第三種指出第二種觀點(diǎn)中不用把p與V的準(zhǔn)確值計(jì)算出來(lái),太麻煩了,只需要關(guān)注每次加水后的變量L1和Δh即可。于是,教師立馬捕捉這個(gè)靈感,鼓勵(lì)學(xué)生推導(dǎo),如若p與V成反比,L1和Δh滿足怎樣的關(guān)系。片刻之后,學(xué)生推導(dǎo)出,若(p0+ρgΔh)L1S=C(C為常數(shù)),則Δh=-,也就是兩液面高度差Δh與氣柱長(zhǎng)度的倒數(shù)1/L1成一次函數(shù)關(guān)系。所以,我們只需要檢驗(yàn)每次加水后,Δh-1/L1圖是否是一次函數(shù)圖像,就可以反證p與V成反比的假設(shè)是否成立。緊接著,教師順勢(shì)提問“該如何測(cè)量出L1和Δh”,學(xué)生回答:直接讀密封側(cè)液面的刻度得到L1,再讀出開口側(cè)液面的刻度L2,兩者之差就是Δh。(說(shuō)明:本文的U形管水柱實(shí)驗(yàn)與其他U型管實(shí)驗(yàn)不同,均為原創(chuàng),不同之處在于:第一,本文U形管固定,通過加水來(lái)改變密封氣體的V和p,其他U形管實(shí)驗(yàn)不加水,而是通過上下移動(dòng)開口端管子來(lái)改變密封氣體的V和p;第二,數(shù)據(jù)處理的方式不同,本文是作Δh-1/L1圖,不需要知道大氣壓、管子橫截面等數(shù)據(jù),而其他U形管實(shí)驗(yàn)是利用這些已知量求出p與V的精準(zhǔn)值再處理數(shù)據(jù),故本文從原理設(shè)計(jì)上更加簡(jiǎn)潔、方便)
(a)實(shí)物圖 (b)示意圖
圖5 U型管水柱實(shí)驗(yàn)裝置
(3)實(shí)驗(yàn)操作
接下來(lái),兩個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行,并均使用Excel表格輔助數(shù)據(jù)處理和圖像生成。方案一DIS組推動(dòng)活塞,在電腦上記錄體積和壓強(qiáng),重復(fù)8次,作出p-1/V圖。方案二U形管組加6次水,在電腦上記錄每次兩側(cè)液面刻度,作出Δh-1/L1圖。教師及時(shí)用手機(jī)拍下每組的圖像,方便后續(xù)投屏到大屏幕上。
2.3 反思與發(fā)展
2.3.1 DIS實(shí)驗(yàn)誤差分析
教師展示DIS組的p-1/V圖,由學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)。學(xué)生發(fā)現(xiàn)得到的是一次函數(shù)圖像,并且用Excel表格擬合公式為“p=1710.6(1/V)+8.4664”,經(jīng)由學(xué)生討論,發(fā)現(xiàn)V的測(cè)量值并不是氣體真實(shí)的體積,還應(yīng)該包含傳感器連接管部分的體積。故教師現(xiàn)場(chǎng)在Excel表里修正體積,已提前測(cè)出連接管體積約為1.1 mL,修正后得到p-1/V圖的擬合公式為“p = 1974.6(1/V) + 0.0391”,縱截距減小,如圖6、圖7所示。由此,在誤差允許的范圍內(nèi),可得到p與1/V成正比,即p與V成反比。
圖6 p-1/V圖(體積修正前)
圖7 p-1/V圖(體積修正后)
2.3.2 U形管水柱實(shí)驗(yàn)分析和拓展
教師投屏幾組的Δh-1/L1圖,發(fā)現(xiàn)均為一次函數(shù)圖像,其中選取一個(gè)組的數(shù)據(jù)表和兩個(gè)組的圖像展示,如表1、圖8、圖9所示,由此說(shuō)明p與V成反比的假設(shè)成立。有學(xué)生指出幾幅圖的截距差不多,教師立馬捕捉這個(gè)契機(jī),讓學(xué)生討論原因。經(jīng)過討論,學(xué)生發(fā)現(xiàn)根據(jù)原理公式,縱截距應(yīng)該是,而這三個(gè)量均為常數(shù),所以縱截距幾乎一致。隨即,教師讓學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)估算大氣壓,利用圖8的參數(shù),ρ取1×103 kg/m3,g取10 m/s2,得到大氣壓強(qiáng)約為96 kPa。而用傳感器當(dāng)場(chǎng)測(cè)出的大氣壓為95.3 kPa,兩者非常接近,由此說(shuō)明利用U形管不僅探究了p與V的關(guān)系,還順便測(cè)量出了大氣壓。并且教師進(jìn)一步深化,指出歷史上的托里拆利實(shí)驗(yàn)測(cè)大氣壓用的是水銀,很危險(xiǎn),而如果用水則需要10多米長(zhǎng)的管子,我們今天僅僅用1米長(zhǎng)的管子和水就輕松測(cè)量出了大氣壓。
表1 U型管水柱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
圖8 Δh-1/L1圖1
圖9 Δh-1/L1圖2
2.3.3 揭秘浮沉子
在課堂的最后,教師鼓勵(lì)學(xué)生自由討論開頭的魔術(shù),揭秘為何捏緊和松開瓶子就能實(shí)現(xiàn)小瓶的沉浮。激烈討論后,由學(xué)生上臺(tái)陳述,主要有兩種觀點(diǎn):第一種選取小瓶和小瓶中的氣體為研究對(duì)象,其受到重力和浮力平衡,當(dāng)捏緊大瓶時(shí),大瓶水面上方的氣體體積減小,壓強(qiáng)增大,從而導(dǎo)致小瓶開口處外部壓強(qiáng)增大,水流進(jìn)小瓶,瓶?jī)?nèi)氣體體積被擠壓,排開水體積減小,浮力減小,重力不變,故下沉;另一種觀點(diǎn)選取小瓶、小瓶中的氣體、小瓶中的水這一整體為研究對(duì)象,當(dāng)水流進(jìn)小瓶時(shí),整體的重力增加,而整體排開水的體積不變,故下沉。兩種觀點(diǎn)的不同在于研究對(duì)象的選取,但都完美地揭秘了浮沉子。
3 結(jié) 語(yǔ)
“紙上得來(lái)終覺淺,絕知此事要躬行”,這句話同樣也適用于科學(xué)探究。孩子天生就充滿了對(duì)于未知世界的探索欲望,他們的頭腦里總是充斥著各種有趣的想法,作為教師的我們,不應(yīng)該扼住他們的天性,強(qiáng)行灌輸式教育,而應(yīng)該注重探究過程,讓他們?nèi)ソ?jīng)歷、去感受、去創(chuàng)造,努力去營(yíng)造自由的討論氛圍和濃烈的研究氛圍。學(xué)習(xí)即研究,只有這樣的課堂才能真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生有意義的學(xué)習(xí),有深度的學(xué)習(xí),有生成的學(xué)習(xí)。
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[3]劉霽華.從知識(shí)積累學(xué)習(xí)到素養(yǎng)發(fā)展學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變——“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)的思考與實(shí)踐[J].中小學(xué)教材教學(xué), 2021(9):47-52.
(欄目編輯 劉 榮)
收稿日期:2024-07-03
基金項(xiàng)目:成都市教育科研規(guī)劃課題“融合式教學(xué)視域下高中生自主學(xué)習(xí)培養(yǎng)模式研究”(CY2024Y144)。
作者簡(jiǎn)介:梅怡楠(1999-),女,中學(xué)二級(jí)教師,主要從事中學(xué)物理教學(xué)工作。