APP下载

深度挖掘演示实验资源精准整合科学探究策略

2022-05-10李先全

物理教学探讨 2022年4期
关键词:科学思维科学探究物理实验

摘   要:“双减”政策要求,要优化教学方式,大力提升课堂教学质量。实验教学特别是演示实验教学,是中学物理课堂教学的重要组成部分。在传统的演示实验教学中,老師按照菜单式方式“按单抓药”,现象在预期中发生,实验结论在预设中得出,实验中没有新产生“意外”,师生缺少对新产生问题的探究分析。文章以“物体的内能”为例,深度挖掘教材中压缩空气增加内能的演示实验资源,精准开发设计热传递的演示实验,充分探究现象本质,注重科学思维的形成过程,加速学生核心素养的精准达成。

关键词:核心素养;科学探究;科学思维;物理实验;演示实验教学

中图分类号:G633.7 文献标识码:A    文章编号:1003-6148(2022)4-0014-3

1    问题的提出

中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》(简称“双减”)指出,要优化教学方式,大力提升课堂教学质量。同时,《义务教育物理课程标准(2011年版)》明确指出,实验教学是物理教学的重要组成部分,是落实物理课程目标,全面提高学生科学素养的重要途径[1]。而演示实验可以大大提高初中物理课堂趣味,增强学生学习物理的好奇心,锻炼学生的科学思维,发展学生的物理核心素养。演示实验如何精准指向物理概念的建立和物理规律的形成?笔者以沪科版九年级物理“物体的内能”一节的两个演示实验教学为例[2],探讨在科学探究中如何优化设计演示实验教学,提升学生的科学思维,培养学生的核心素养。

2    整合的策略

2.1    精准设计教材演示实验教学

以“空气被压缩,内能增加”演示实验教学为例。

2.1.1    教师的“痛”

教材提及,“在一个配有活塞的厚玻璃筒中放一小团硝化棉,迅速向下压活塞,硝化棉就燃烧起来。”如图1所示,很多老师在演示这个实验时很难成功,特别是部分青年老师演示时更难成功,有老师由于用力过猛导致仪器损坏,甚至有老师用拍打的方式推动活塞时手掌受伤。安全是任何实验的前提,实验中要杜绝师生受伤,尽量避免实验仪器损坏。

2.1.2    失败的“因”

压缩空气实验失败的原因有两方面:第一,动作不迅速,实际上压缩空气的时间稍长,玻璃筒就会向外界传递较多热量,玻璃筒内的空气升温慢,不容易让燃料达到燃点。第二,一次压缩失败后,很多老师反复压缩空气,其实次数越多玻璃筒内剩余的氧气越少,燃烧现象更难发生。

2.1.3    精准的“教”

(1)问题整合——问题导向,激发兴趣

在实验教学中,老师请学生思考三个问题:

第一,关于器材的选择。为何要用厚的玻璃筒作为实验器材?薄的玻璃筒是否可行?用不透明的金属筒能否替代玻璃筒?

第二,关于动作的要领。为何竖直向下压活塞?为何动作要迅速?

第三,关于燃烧的条件。为何使用硝化棉作为燃料?燃烧的条件是什么?能否用其他燃料替代硝化棉?燃烧现象会一直持续下去吗?

(2)学生整合——小组合作,建立关联

经过讨论,学生能感知到以下信息:

第一,玻璃筒透明,燃烧现象发出的光可以在玻璃中传播,便于实验观察,不能用不透明的金属筒替代玻璃筒。金属筒导热性能比玻璃筒强,压缩空气中容易散热。“厚”能承受更大的压强和压力,这是实验安全的需要。

第二,外力带动活塞向下运动,其目的是为了压缩气体,对气体做功。通过讨论,学生对“快速”的动作很感兴趣,这与学过的“时间”建立起关联,进一步对“玻璃筒向外界热传递少,压缩空气易升温,从而更加容易达到硝化棉的燃点”等知识达成共识。通过讨论和分享,让学生知道这个实验其实还与光学、力学有密切联系。

(3)动机整合——老师引领,强化动机

硝化棉具有高度可燃性和爆炸性,其危险程度根据硝化程度而定,含氮量在12.5%以上的硝化棉危险性极大,遇火即燃烧。在温度超过40 ℃时能加速其分解而自燃。受热逐渐分解而放出酸,降低着火点。当然,燃烧需要空气中的氧气。放入硝化棉时取下活塞,封闭活塞时就有氧气被封闭在玻璃筒内。老师继续追问学生,一旦发生燃烧现象,燃烧会持续进行下去吗?学生思考后都能得出自己的结论,并在交流中达成共识,由于玻璃筒内封闭的氧气较少,所以硝化棉燃烧现象持续时间短。老师继续介绍,这个实验其实可以用餐巾纸替代硝化棉,从而启发学生科学探究的好奇心和浓厚的兴趣。

(4)效果整合——安全演示,可视度高

为了让实验老师安全操作,同时保护实验器材,给出几点建议:

第一,将活塞的初态调整至距离玻璃筒底部1/3处,用一只手握住玻璃筒,从而固定玻璃筒的位置。注意,手握的位置应靠近玻璃筒上部,把底部附近的空间留出,有利于观察燃烧现象。

第二,演示平台适当在高处,可以将凳子或实物展示台放在讲台上增加高度。

第三,可将教室的灯光关掉,有条件的拉上窗帘。

第四,用手掌快速挤压推动活塞快速向下移动,或者用手掌打压活塞。

第五,失败后的应急措施,做好三个“及时”:及时补充氧气,及时更换硝化棉或者餐巾纸,及时添加黄油让气密性更好。

(5)技术整合——用好设备,增强效果

可用手机录下实验过程(图2),实验后进行回放,也可以利用手机上照相的“慢动作”摄像功能,把实验的燃烧过程拍成慢镜头,便于学生再次观察和分析。

2.2    精准开发设计演示实验教学

以“热传递”演示实验教学为例。

2.2.1    问题整合——提出问题,激发兴趣

热传递现象在生活中有很多实例,教材呈现的现象有“炉上的铁锅热得烫手”“太阳下的棉絮被晒得很暖和”等。这些现象都是来自于人的感受,而温度是表示物体冷热程度的物理量,但人的感受不能完全代替仪器的客观测量,这正是引入温度计测量温度的原因。怎样让学生在科学探究的实验中,通过科学思维建立热传递的科学概念?基于这一核心问题,笔者设计了如下演示实验。

2.2.2    资源整合——设计方案,科学探究

实验器材来源于生活,用蜡烛在钢锯条的不同位置滴上蜡烛液滴,蜡烛放热凝固,用酒精灯对钢锯条加热(图3),发现离蜡烛火焰越近的蜡烛小颗粒最先熔化,由于重力作用,液滴掉落下来。这说明物体的热传递是由高温部分传向低温部分的。但这个实验有明显的不足之处:第一,可视性相对较差,液滴较小,不易观察;第二,钢锯条是金属材料,表面积较大,散热较快,传热相对较慢;第三,由于表面张力作用,液滴下落较慢,所以现象不明显。

2.2.3    方案整合——优化改进,再次实验

为了保持较快的传热性,仍然选用金属材料;为了减少散热,就得减少散热面积,用铁丝替代钢锯条,同时用小的蜡块熔化底部后凝固在铁丝上,铁丝用铁架台的金属夹固定,让蜡块的间距几乎相等(图4)。这样就可以克服表面张力的作用,让受热底部熔化的蜡块在重力的作用下快速脱离铁丝而下落。实验现象是:离酒精灯火焰加热处近的蜡块先脱落,间距相等的蜡块从铁丝上脱落的时间间隔不等,最远处的蜡块在实验中没有脱落。

2.2.4    迁移整合——问题拓展,迁移提升

第一,从蜡块脱离铁丝下落的顺序离酒精灯由近及远,这说明什么现象呢?学生通过讨论,离酒精灯越远,温度越低,从而得出热传递的条件是存在温差。第二,从蜡块脱离铁丝下落的时间间隔为何由少到多,讨论后感悟到热传递需要时间。第三,尽管酒精灯一直加热,最远处的蜡块不易脱落,学生讨论后又能进一步感知到“热传递的快慢与散热有关”,从而深化了物理课堂的学习。学生最大的收获是,明白了热传递需要时间,高温的酒精灯灯焰给金属传热,金属的高温部分向低温部分传热,同时,金属还在向环境温度相对金属低的空气散热。

3    教学的反思

通过以上的演示实验教学,学生通过实验研究,能够建立起做功和热传递都可以改变内能的科学观念,形成科学思维,加速达成核心素养。笔者对演示实验精准整合反思如下。

3.1    精心设计演示方案,是开展科学探究的原点

建构主义学生观认为,学生是信息意义的主动构建者,学习并不是把知识从外界搬到记忆中,而是以已有的经验为基础,通过与外界的相互作用来构建新的理解[3]。而物理实验探究正是学生与外界相互作用构建新知识的过程,实验教学特别是演示实验教学,可以清除学生的前概念误区,规范学生科学知识的构建。演示实验教学中,提倡老师自制仪器[4]。物理教育家朱正元教授提出,制作的演示仪器要注意“简单、明了、尺寸够大”。“简单”可以省工省料,符合勤俭办学的方针;“明了”可以突出重点,避免物理现象繁杂,造成主次不分;“尺寸够大”能使全班学生都能看清,达到好的教学效果。

3.2    精准生成物理问題,是提升科学思维的支点

以问题驱动实验现象的观察与分析,是提升科学思维的必要手段,学生在实验过程中很容易失败,课堂自然就生成了问题,师生一起来寻找失败的原因,改进实验的方案,通过再次实验,学生实验动机更加强烈,学习策略更加科学、有效。同时,即便实验过程结束了,但实验中的现象可以进一步挖掘[5],比如,“热传递”实验演示教学的最后,让学生拓展问题,分析出热传递需要时间,物体在受热的同时还在传热。

3.3    精彩对话过程评价,是达成核心素养的沸点

老师边讲边实验,边实验边讲解,有利于收集新的课堂实验证据,更好地对证据进行解释和分析,同时可以改进和优化实验方案,更好地交流与分享,关注过程评价。实现学生学习能力迁移,让习得经验通过科学思维加工促进学生核心素养的发展。

参考文献:

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2011年版)[S].北京:北京师范大学出版社,2012.

[2]义务教育物理课程标准实验教科书编写组.义务教育教科书物理九年级全一册[M].上海:上海科学技术出版社,2013.

[3]张大均.教育心理学第2版[M].北京:人民教育出版社,2011.

[4]李先全.实验驱动探究,分享回归课标——初三复习课引入自制“浮沉子”演示实验的教学反思[J].物理教学探讨,2016,34(12):15-17.

[5]李先全.深挖教材习题资源,助推思维能力迁移——以“电流做功的快慢”的习题教学为例[J].中学物理教学参考,2017,46(3):65-66,98.

(栏目编辑    赵保钢)

猜你喜欢

科学思维科学探究物理实验
用面向科学思维的教学方法改进计算机图形学课程教学
重视科学实验课教学发展学生科学思维探析
“非常规”物理实验在课堂教学中的应用探讨
化学教学中科学探究存在的几个偏差
突围与重构——小学科学课堂中师生交往的真效性实践探究
高中物理科学探究教学的现状及其对策
关于高中三年级的第二轮复习的思考
浅谈大学教改中创新型的物理试验问题