实验探究教学中落实核心素养的思考

刘梅 王治国

摘   要：文章从培育学生物理学科核心素养的角度，对“气体的等温变化”实验教学进行分析，并在此基础上对本节课的实验探究教学提出了四个方面的建议。

关键词：实验探究教学;核心素养;气体的等温变化

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）1-0078-3

“气体的等温变化”是研究气体性质的开篇内容，也是学生对气体宏观现象规律的第一次实验探究，其中包含了许多科学思想与方法，是发展学生科学思维和实验探究能力，提升其物理学科核心素养的良好素材。本文从物理学科核心素养角度重点探讨在本节课中实施科学探究教学的相关问题。

1    教材内容的呈现与分析

教材是按“探究气体等温变化的规律”“玻意耳定律”“气体等温变化的p-V图像”三个部分来呈现相关知识。为了让学生体验科学探究过程，学习科学探究方法，教材尝试用科学探究的方法研究气体的等温变化，考虑到实验设计对学生来说比较困难，教材以较大的篇幅呈现了两种实验探究方案：一种是利用传统的实验装置——带有气压表的注射器来探究;另一种是采用传感器采集数据和计算机处理数据描绘图像的方法进行探究。笔者发现，第一种方案中各物理量易于测量，操作简便、直观，学生通过对实验数据的处理，较容易得出压强与体积之间的定量关系，其不足是气压表表盘的最小分度值較大，读数不够精确;第二种方案中测量范围广、精度高，实验操作更便捷，不用自己读数，也不用自己处理数据，其不足是实验数据处理过程中的“思维含量”偏低。

教材后半部分以“数学表达式”和“p-V图像”两种方式呈现出气体等温变化的规律，充分体现了编者关注学生知识结构的完整性和系统性，既注重知识形成过程，又强调知识的理解和应用。

2    实际教学中存在的问题

通过近几年的教学发现，在本节课教学中往往存在以下问题：

2.1    注重演示和模拟，忽略实际操作

部分教师为了追求知识建构的“短、平、快”，用教师演示实验替代学生探究实验，实验结论的得出和知识点的呈现采用讲授的方式，把教学重点放在对玻意耳定律的理解和应用上。这种做法可能导致学生不清楚知识的来龙去脉，学生虽然能够记住结论，但对规律和方法难以深入理解，学科核心素养在教学中并没有得到很好的落实。

2.2    重形式，轻思维

还有一种情况是提供给学生设计好的任务单，学生按照任务单上的实验步骤动手实验，观察现象，在已有表格中记录实验数据，学生的学习行为是被动“执行”，没有考虑实验为什么要这样做，有没有其他更好的操作方法;还有的探究过程甚至变成了“老师说，学生做”的验证性实验。表面上看，整个探究活动过程完整、条理清晰、课堂秩序自然流畅，教学目标按计划似乎达成了，但这种实验探究使得学生学习能力无法得到充分发展，不利于科学思维和创新能力的培养。

2.3    生搬硬套，不注重课本资源的整合与重组

教材中“用注射器加气压表的实验探究”和“用传感器和计算机探究” 两个实验方案各有优劣。第一种方案可以通过问题的设计引导学生开展探究学习，体验科学探究过程，领会科学探究的思想方法，但由于如前文所述的不足，让人感到实验不够严谨，结果也难以让人信服，不利于学生养成严谨的科学态度;第二种方案可以更快捷、准确地探究压强和体积的定量关系，但又不利于培养学生的科学思维能力。因此，教师应该对两种方案进行整合与重组。

3    教学建议

3.1    重视创设问题情境，培养学生提出问题的能力

提出问题是科学探究的第一步，也是进行实验探究的基础。在实际教学中，许多教师常常将“提出问题”简化处理：探究的问题不是让学生经过分析与思考后自主提出，而是由教师直接呈现，由此导致学生问题意识缺失，难以体会科学探究的基本特征，新课标规定的提出问题能力不能得到有效落实。笔者认为，教学中应当重视提出问题环节的设计，通过问题串创设“愤”“悱”情境，培养学生通过观察和思考自主发现问题和提出问题的习惯。

例如，在引入新课环节，设置以下问题情境：“说到气体同学们应当不会陌生，你们能说说在生活中气体变化的有关现象吗？”“比较上述现象，你有什么发现？”“如果让你来研究气体的变化，你最想知道的是什么？”“如何研究压强、体积和温度的关系？”“怎样运用控制变量法研究这三个物理量之间的关系？”这种以问题为导向，创设观察、分析、探究的氛围，学生的思维被激活了，虽然学生面对的是以前没有研究过的“气体”，也能够在观察中获得感悟，在分析中发现问题，进而自主地提出问题，主动参与到实验探究过程中。

3.2    注重学生的经历和体验，培养学生的科学探究能力

作为一节规律探究课，本节课的重点应当是如何落实探究教学，让学生在探究中理解玻意耳定律，感知科学探究的过程和方法。这就需要教师精心设计探究过程，引导学生经历科学探究过程，体验探究的艰辛和乐趣，提升其对科学本质的认识，提高其科学探究能力。

例如，在实验探究环节，笔者设计了如下问题：“气体在温度不变时，压强会随体积发生变化，生活中有这种变化吗？”“根据生活中的体验，你认为压强和体积之间存在什么关系？依据是什么？”“请同学们设计一个实验方案来验证这个猜想”“按照实验设计‘合理、可行、方便的要求，你们觉得哪个方案更合适一些？”“这个方案需要测量哪些物理量？如何测量？”“如何控制气体的质量m和温度T保持不变？”这种基于生活现象设计问题情境，通过“问题驱动”引导学生自主设计探究方案，选择符合情境要求的实验装置进行实验，学生在讨论交流中获得了体验，既有效地提高了学生的主观能动性，又让学生在享受设计性实验的独特乐趣中不断提高其参与实验的能力与信心。

在分析论证环节，引导学生观察分析数据：“你认为p和V之间存在什么关系？”“由图像可以看出p和V之间是什么关系？”“如何进一步确定p和V之间是不是成反比关系呢？”“以前有沒有遇到过类似的问题？”“有没有其他的处理方法？”“由实验测得的数据，你能发现什么？”“有没有同学没有得到这个结论？” “你们的pV乘积都一样吗？为什么？”学生在这一个个问题的引导下，经历了从实验数据到物理规律探究的过程，体验到了科学探究的方法，加深了对玻意耳定律的理解，促进了学生科学思维能力、科学探究能力的提升。

3.3    借助问题解决，渗透科学思维方法教育

问题解决的过程往往包含着科学的思维方法。本节课的主题是探究气体等温变化过程中的规律，围绕这个主题，教学中要注意遵循学生思维发展的特点，设置教学环节，促进其科学思维能力的提升。

控制变量法是高中物理教学中重要的研究方法，教学中要注意引导学生对控制变量法的理解，引导学生在实验过程中学会如何控制实验条件和物理变量，养成用控制变量的方法来解决问题的意识，从而提高其运用控制变量法来认识规律、理解规律的能力。

在记录和处理实验数据时，采用的是“列表法”和“图像法”，它们的显著特点是直观、一目了然，可以简明地显示出p和V之间的对应关系，既活跃了学生的思维，让学生学会把数学上的函数图像知识转化为解决物理问题的工具，又在潜移默化中达到了知识的迁移，加深学生对玻意耳定律的理解。教学中要注意放手让学生动手制表、画图、演算、分析， 体验科学处理数据的方法，养成科学的思维习惯，增强创新意识和实践能力。

学生对“直接呈现p-1/V图像来探究p和V的关系”心存疑惑：“为什么不用p-V图像？”“怎么想到要用p-1/V图像？”笔者采用“类比法”突破这一难点：通过引导学生类比“研究a与m的关系时，作a-1/m图像的方法”来理解作p-1/V图像可以避免烦琐的双曲线的判断，可以更方便、更直观地判断p、V之间的反比关系。

3.4    注重交流反思，培养学生严谨的科学态度与责任

探究气体等温变化的规律是一个严谨的科学探究过程。教学中要注意引导学生以尊重事实、一丝不苟的态度做好探究的各个环节的工作，体会科学探究的严谨性，养成实事求是、严谨细致的科学态度。

例如，在用带有气压表的注射器探究出气体等温变化的规律后，引导学生回顾实验操作过程：“有没有同学没有得到这个结论？”让没有得到这个结论的学生上台重复实验操作过程，师生间进行交流评估，指出存在的问题，找出问题的根源，认识到任何一个环节疏忽都会导致实验结果的偏差;在分析实验装置后，引导学生展开思考：“对‘p1V1=p2V2这个结论，你是否有绝对把握？”学生讨论交流后会得出：压力表表盘最小分度值较大，读数不够精确，所得数据也相对较少，仅仅只靠几组数据就下结论，让人感到不够严密。由此引导学生运用“传感器和计算机”可以更方便、准确、能测量更多数据的优势来论证上述结论。这种通过实验后的交流与反思，将教材资源有效组合，既加深了学生对实验结论的深刻理解，又培养学生严谨求实的科学态度。

在利用p-V图像处理实验数据后，引导学生思考：“图线是不是反比关系的双曲线？”“如何进一步确定p和V之间是不是成反比关系？”“图中的点能近似在一条直线上吗？”让学生通过对这些问题的思考，重新审视用图像处理实验数据的可靠性、科学性，发现实验数据与猜想间的差异，质疑数据的可靠性，深刻感悟到严谨和实事求是的必要性，从而形成用严谨的态度来对待科学问题的习惯。

参考文献：

[1]徐将二.“气体的等温变化”教学中的实验设计与思考[J].物理教学，2016，38（01）：31-34.

[2]陈晓冬.指向学生物理核心素养的教学实践——以“气体的等温变化”教学为例[J].物理教学，2018，40（08）：42-45.

（栏目编辑    李富强）