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(guò)程，教師利用開(kāi)放引導(dǎo)性的問(wèn)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(guò)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(lèi)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(wèn)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(guò)程，而更多是由教師直接告知要研究的問(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)程就是研究過(guò)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(guò)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(wèn)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(kāi)放性、引導(dǎo)性、發(fā)展性的問(wèn)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(guò)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(guò)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@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(kāi)口敞開(kāi)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(tīng)我指令，向下，再向上”，學(xué)生便配合“悄悄地”捏緊和松開(kāi)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(guò)討論，得出探究的問(wèn)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(wèn)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(kāi)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(guò)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(wèn)“你覺(jué)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(guò)討論，決定先從最簡(jiǎn)單的成反比關(guān)系開(kāi)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(wèn)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(guò)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(shū)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(guò)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(guò)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(kāi)口，開(kāi)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(wèn)“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(guò)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(lèi)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(guò)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(wèn)“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(kāi)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(guò)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(guò)上下移動(dòng)開(kāi)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(guò)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?。薄粒保埃?ｋｇ/ｍ３，ｇ?。保?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(kāi)頭的魔術(shù)，揭秘為何捏緊和松開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(jué)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(guò)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)。

參考文獻(xiàn)：

［1］韋冬余．論施瓦布科學(xué)探究教學(xué)的基本內(nèi)涵［Ｊ］．全球教育展望，２０１５，４４（４）：２８－３５．

［2］劉霽華．指向素養(yǎng)發(fā)展的物理課堂轉(zhuǎn)型與重構(gòu)［Ｊ］．基礎(chǔ)教育參考，２０２１（１２）：５０－５４．

［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。