以物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的溫度傳感器實驗教學案例設(shè)計

陳琪睿 慕曉艷 楊曉梅

(1. 寧夏回族自治區(qū)銀川市寧夏大學,寧夏 銀川 750021; 2. 陜西省榆林市綏德縣綏德中學，陜西 榆林 718000)

1 引言

中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)明確提出:學生發(fā)展核心素養(yǎng)主要指學生應(yīng)具備的,能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力．在其研究過程中明確提出“開展轉(zhuǎn)化研究,對接課標修訂”,同時新課程標準中明確提出:課程居于教育的核心地位,因此將課程推陳出新能夠推動學生核心素養(yǎng)發(fā)展．物理教學提倡以物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向,以物理核心素養(yǎng)更全面、更綜合的定義作為適應(yīng)時代變化以及培養(yǎng)什么樣的人為觀點的綜合目標．物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任4個方面．以培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的探究實驗教學在科學思維、科學探究以及科學態(tài)度與責任方面起到關(guān)鍵性作用．

教師在實際教學中落實以物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的教學首先通過以物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的教學設(shè)計體現(xiàn)教學思想．數(shù)字化傳感器在信息采集,自動控制,信息處理技術(shù)中的優(yōu)勢是將傳感器引入教學的前提,傳感器實驗旨在培養(yǎng)學生通過實驗發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律,提高學生的自主創(chuàng)新意識,發(fā)展學生的自主學習能力和獨立研究能力．本文給出以物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的溫度傳感器實驗教學案例,通過教學設(shè)計展示如何在實驗課堂中滲透物理核心素養(yǎng)．

2 溫度傳感器教學案例設(shè)計

借助傳感器物理實驗案例作為探究實驗載體的優(yōu)勢有:實驗操作簡潔;實驗數(shù)據(jù)無需專門記錄;實驗容易重復(fù)操作便于觀察實驗現(xiàn)象以及獲取多組實驗數(shù)據(jù);實驗細節(jié)清晰;提高實驗精度;克服傳統(tǒng)實驗方法單一,器材陳舊的弊端等．本文以人教版8年級上冊第3章“溫度的測量”一節(jié)教學內(nèi)容為例,展示以培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的溫度傳感器測量液體沸騰時溫度變化情況的部分教學案例，如圖1所示．

圖1 物理核心素養(yǎng)與教學設(shè)計融合示意圖

引導(dǎo)設(shè)計實驗：給學生視頻播放生活中燒開一壺水的現(xiàn)象,然后引入沸騰的概念．(引導(dǎo)學生從物質(zhì)觀與能量觀角度理解沸騰現(xiàn)象,從物質(zhì)相互作用觀來理解液體沸騰的內(nèi)在條件.)教師提問:水沸騰時的溫度是多少?沸騰后再加熱3min的溫度?學生用生活常識回答是100℃,后又猜測繼續(xù)燒溫度可能再升高或不變等等．教師:科學家們在一個問題爭執(zhí)不下的時候通常會用事實來說服別人,我們用什么辦法來驗證水溫是否繼續(xù)升高呢?學生回答用溫度計測量水的溫度,教師介紹全部實驗儀器及設(shè)備,請學生以小組形式自行選擇實驗儀器來進行驗證．探究實驗主要元件清單如表1所示.

表1 探究實驗主要元件清單

實驗原理圖加實物輔助的形式講解實驗原理.學生組裝實驗實物圖、實驗原理圖如圖2、3所示.教師提問:如何用現(xiàn)有實驗儀器設(shè)備來組裝測量水的溫度?換用酒精為實驗液體會產(chǎn)生相同效果嗎?

圖2 學生組裝實驗實物圖

圖3 實驗原理圖

概念建構(gòu)：學生設(shè)計小組實驗各有不同,通過對比用溫度計測量與溫度傳感器測量水沸騰時溫度變化的不同與各自優(yōu)缺點讓學生學會在判斷事物過程中應(yīng)用批判性思想與分析綜合等思維方法．由實驗現(xiàn)象引入教學能夠激發(fā)學生好奇心與求知欲,在液體沸騰概念介紹清楚之后引入傳感器實驗裝置,提示學生思考沸騰時溫度變化的特點．教師提問:為什么水沸騰后能夠頂起壺蓋?像不像有一股無形的力量頂起了壺蓋呢?普通的水蒸氣和液體沸騰時產(chǎn)生的推動壺蓋的氣體一樣嗎?(引導(dǎo)學生從能量的角度思考水沸騰現(xiàn)象,為后續(xù)學習能量的傳遞打下基礎(chǔ))實際測量中水在97℃左右沸騰,教師講解由于地理位置不同原因液體沒有達到100℃就沸騰,同時介紹在海拔更高的地區(qū)受大氣壓影響液體在70℃就會沸騰．教師提示學生觀察液體沸騰后水溫度的變化特點．由傳感器給出的數(shù)據(jù)波形圖,學生很快發(fā)現(xiàn)即使持續(xù)加熱液體溫度也不再上升的現(xiàn)象．持續(xù)沸騰時水的溫度不再上升,停止加溫后液體不再沸騰,前概念與現(xiàn)有事實發(fā)生沖突.這一現(xiàn)象啟發(fā)學生思考沸點這一科學概念,教師當即引入沸點這一新概念,告訴學生只有達到沸點并持續(xù)加熱液體才能沸騰.在現(xiàn)實情境中引入新概念學生對其理解程度自然加深,掌握概念內(nèi)涵與外延．同時用溫度傳感器代替溫度計來測量水的溫度變化情況,可精確、快速地實時記錄水的溫度,并給出實驗波形圖,形象、直觀地展示實驗結(jié)果．

設(shè)計意圖：由實驗數(shù)據(jù)如何總結(jié)得出實驗結(jié)論是此數(shù)據(jù)圖線的重要教學任務(wù).學生實驗數(shù)據(jù)波形圖如圖4所示.教師引導(dǎo):在液體沒有沸騰前水溫隨溫度上升而上升,在達到97℃后無論如何繼續(xù)加熱溫度也不再上升,而是基本維持恒定,圖線中的“上升段”代表溫度持續(xù)升高,“拐點”代表液體已經(jīng)達到沸騰狀態(tài),“持平線”代表液體保持沸騰,但溫度不再上升．實驗加入溫度傳感器,不再需要消耗大量時間手動記錄實驗數(shù)據(jù),也不需要根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)繪制實驗圖形,從而節(jié)約了大量時間,可以讓學生更好地探究物理實驗規(guī)律,而不是記錄實驗數(shù)據(jù)和繪制實驗圖形．學生親身實踐用溫度傳感器測量液體沸騰時水溫的變化特點的探究實驗,體驗觀察現(xiàn)象、合理猜測、設(shè)計多種方案與分析論證過程;采用個人抽象概括與小組合作完成實驗推理論證相結(jié)合的方式,在實驗合作與交流的過程中體驗實驗方案設(shè)計與實驗證據(jù)獲取,最終分析論證,評估反思得出實驗結(jié)果的過程．

圖4 學生實驗數(shù)據(jù)波形圖

初中學生在基本的觀察、分析、總結(jié)能力方面較為薄弱,理解數(shù)字化儀通用軟件的使用方法十分重要.實驗儀器的學習為探究實驗順利進行做準備.在側(cè)重思維與方法的教學中滲透建模思想、批判性思想、推理論證與分析綜合思想,知其然也知其所以然.在演示實驗操作環(huán)節(jié)請一組學生操作展示實驗,啟發(fā)學生無意注意,在側(cè)重探究與發(fā)現(xiàn)的實驗教學中滲透發(fā)現(xiàn)問題、合理猜測、分析論證,合作交流及評估反思的教育目標，在實驗過程中滲透物理核心素養(yǎng)．

3 結(jié)論與反思

新課改中特別強調(diào)了培養(yǎng)學生具有保護環(huán)境,節(jié)約資源,促進可持續(xù)發(fā)展的社會責任感,培養(yǎng)學生實事求是,不迷信權(quán)威的正確價值觀．通過溫度傳感器探究實驗,讓學生經(jīng)歷探究實驗過程,幫助學生直觀、形象的學習新知識;學生通過教師的引導(dǎo)積極參加到課堂中,激發(fā)學習物理知識的興趣,使學生樂于探索物態(tài)變化的現(xiàn)象,樂于了解日常生活中的物態(tài)變化.通過自主學習,觀察歸納,合作探究對物態(tài)變化有更加深入的認識．基于此,以物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向,設(shè)計基于數(shù)字化傳感器探究液體沸騰時溫度變化特點的學生自主探究實驗,實現(xiàn)以物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的物理觀念、科學思維,實驗探究及科學態(tài)度與責任的整合化案例設(shè)計.通過物理概念引入與物理規(guī)律總結(jié)在小組探究實驗過程中培養(yǎng)學生科學品質(zhì)、鍛煉學生科學思維,在概念建構(gòu)與規(guī)律總結(jié)上以探究實驗為依托,在設(shè)計上給出以溫度傳感器為例的一類教學設(shè)計的思維導(dǎo)圖(圖5),希望對傳感器類實驗的教學設(shè)計起到范例效果．

本次實驗結(jié)束后總結(jié)發(fā)現(xiàn)利用溫度傳感器改進測量液體沸騰時溫度變化特點的實驗中仍有不足: (1) 傳感器的引進確實使實驗現(xiàn)象方便快捷且直觀地展現(xiàn)在學生眼前,反思省去了讀取實驗數(shù)據(jù)與繪制波形圖這樣的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)是否忽略了學生的數(shù)據(jù)處理和獨立解決問題的能力; (2) 水的沸騰是一種劇烈的汽化現(xiàn)象,在學生小組探究過程中容易出現(xiàn)燙傷等意外事故,同時酒精也是易燃易揮發(fā)液體,安全問題沒有得到重視,實驗用水在實驗結(jié)束后也應(yīng)妥善處理等．使學生樹立起安全第一的實驗意識,樹立節(jié)約資源、可持續(xù)發(fā)展的正確價值觀．