基于學習分析的初中物理研究性備課
——以蘇科版“機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”為例

隗月玲 季衛(wèi)新

(1. 江蘇省南京市板橋中學,江蘇 南京 210039;2. 江蘇省南京市雨花臺區(qū)教師發(fā)展中心,江蘇 南京 210012)

1 引言

學習分析理論是近年來國際上逐漸興起的以學習和教學為研究對象的分析與設(shè)計理論,這一理論基于大數(shù)據(jù),運用數(shù)據(jù)統(tǒng)計、人工智能、信息可視化等技術(shù)獲得海量信息,對學習者、學習內(nèi)容、學習資源、學習方法等要素進行分析,確定備課基點,探究支持有效學習的因素、機制、模式。學習分析不僅可為學生自我評價、診斷與導(dǎo)向提供支持,也可為教師調(diào)整教學策略、進行個性化研究學習提供數(shù)據(jù)平臺。結(jié)合物理教學現(xiàn)狀,基于學習分析的備課可以優(yōu)化初中物理教學模式,完善教學評價體系,提高物理教師備課的科學化水平,提升教師的專業(yè)素養(yǎng)。

研究性備課需要研究課標、教材,做到激活、改組和拓展教材，要研究學生的學習需求、資源和方式，研究師生互動,做到共同發(fā)展、教學相長，從而最大限度地優(yōu)化教學模式,提高教學質(zhì)量。筆者以蘇科版物理教材中“機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”的教學為例,探討基于學習分析的研究性備課過程中遇到的問題及解決策略。

2 研究課標,明確教學內(nèi)容

課程標準對“機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”這一內(nèi)容的要求是:(1) 知道做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程。(2) 了解熱機的工作原理。知道內(nèi)能的利用在人類社會發(fā)展史上的重要意義。

針對要求(1),本節(jié)課淡化“熱傳遞改變內(nèi)能”,將重點放在 “做功改變物體的內(nèi)能”上,結(jié)合學生的學習實際,在處理本部分內(nèi)容時,通過對固、液、氣分別做功的實驗,用電子溫度計顯示內(nèi)能變化,認識到做功是改變物體內(nèi)能的一種方式。

針對要求(2),自制簡易內(nèi)燃機模型,幫助學生構(gòu)建熱機模型。研究物理學史,體會科技發(fā)展對人類生活的影響。根據(jù)課程標準的要求及其解讀,筆者擬將熱值的內(nèi)容放在第二課時進行，學習目標設(shè)定如下:

(1) 通過對固、液、氣做功的實驗,認識到做功是改變物體內(nèi)能的一種方式。

(2) 通過燃燒的氣體對瓶塞做功的實驗,知道熱機的工作原理。

(3) 借助自制內(nèi)燃機模型,了解汽油機的基本結(jié)構(gòu)及工作過程。

(4) 通過介紹“熱機的發(fā)展歷程”,了解內(nèi)能的利用在人類社會發(fā)展中的重要意義。

3 研究教材, 優(yōu)化實驗資源

研究性備課要研究教材,做到激活、改組和拓展教材。物理教師在備課時,應(yīng)在合理挖掘教材的同時,尋找其促進學生發(fā)展的因素,通過創(chuàng)新實驗設(shè)計,優(yōu)化實驗資源,有效激發(fā)學生興趣,培養(yǎng)學生的思維能力。

3.1 課題的引入

教材中引入了兩幅圖片：(1) 車高速行駛時,輪胎溫度升得很快。(2) 燃料燃燒使汽車發(fā)動機工作的原理。筆者認為,該圖片不能有效刺激學生感官,而演示實驗的直觀性和持續(xù)性一直是設(shè)計實驗過程中所追求的目標, 設(shè)計一個能將內(nèi)能持續(xù)轉(zhuǎn)化為機械能的簡易裝置,能使更多的學生參與到實驗觀察的活動中來,對能量轉(zhuǎn)化過程有更直觀的體驗。因此本節(jié)課在引入環(huán)節(jié)通過熱機實物展示(如圖1),讓學生看到熱機運轉(zhuǎn)情況,以激發(fā)學生的興趣。并且在新課結(jié)束后,再將熱機實物拿出,要求學生應(yīng)用所學知識說明其工作原理,對其發(fā)展史有進一步的了解,做到首尾呼應(yīng)。

圖1

3.2 做功——改變物體內(nèi)能的另一種方式

教材中引入了兩個活動:(1) 學生彎折鐵絲,鐵絲內(nèi)能增大。(2) 教師演示空氣壓縮引火儀實驗,引導(dǎo)學生思考、舉例,得到做功可以改變物體內(nèi)能的結(jié)論。通過分析教材,筆者將該探究活動改為三個,分別對鐵絲(固體)、空氣(氣體)、水(液體)做功,觀察其內(nèi)能變化,將看似零散的實驗巧妙結(jié)合在一起,讓學生明白對固、液、氣體均可做功, 有效拓展了學生的思維。

關(guān)于對空氣做功,以往的實驗是壓縮空氣引火,觀察和分析火花產(chǎn)生的原因，得到結(jié)論,但實驗過程時間短,成功率低,現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝，不易觀察,而且部分學生對現(xiàn)象的理解有困難。因此,筆者將實驗進行了改進，在空礦泉水瓶內(nèi)加入溫度傳感器,利用打氣筒通向瓶內(nèi)打氣(如圖2),并利用希沃投屏軟件觀察溫度變化,效果更直觀,學生的理解更容易。

圖2

關(guān)于對水做功實驗,以往采用榨汁機快速攪拌水來演示。筆者考慮到該演示實驗的局限性,且榨汁機要利用電能,部分學生會認為是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,對本節(jié)的學習產(chǎn)生一定干擾。因此,將該實驗改為分組實驗,學生自己動手,親身經(jīng)歷,印象更深刻。在礦泉水瓶中放入溫度傳感器(如圖3),學生戴隔熱手套用力搖晃,持續(xù)一分鐘, 水的溫度可升高1℃,效果明顯。

圖3

對于氣體對外做功實驗，以往都是分析瓶口出現(xiàn)的“白氣”,其現(xiàn)象并不明顯,且學生對于瓶口“白氣”成因的解釋也較難理解。為此筆者增加一個實驗，用打氣筒向空礦泉水瓶里打氣,在塞子沖出的一瞬間觀察溫度變化，實驗時用手機拍攝視頻,用希沃投屏軟件慢動作播放,現(xiàn)象直觀、明顯。

3.3 自制簡易熱機,建構(gòu)內(nèi)燃機模型

教材用反復(fù)彎折鐵絲、空氣壓縮引火的實驗介紹做功可以改變物體的內(nèi)能后,直接呈現(xiàn)點火爆炸實驗,然后給出熱機相關(guān)概念,并引入內(nèi)燃機。前兩個實驗說明了機械能可轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,對應(yīng)內(nèi)燃機的壓縮沖程,后一個實驗中是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能,對應(yīng)做功沖程。問題是并非學生自主發(fā)現(xiàn)這些對應(yīng)關(guān)系,他們對內(nèi)燃機工作過程的理解并不容易。在呈現(xiàn)點火爆炸實驗現(xiàn)象后,筆者利用自制簡易熱機模型,層層遞進,引導(dǎo)學生知道：氣體怎樣進入氣缸(安裝進氣口,活塞向下運動)？如何將氣缸內(nèi)氣體預(yù)熱,使其內(nèi)能增大(進氣口關(guān)閉,壓縮氣體,活塞向上運動)？如何讓氣體對活塞做功(安裝火花塞,點燃燃氣)？燃燒后的廢氣怎樣處理(安裝排氣口)？如何避免活塞直線距離運動過長(利用旋轉(zhuǎn)的曲軸帶動連桿,實現(xiàn)活塞的連續(xù)循環(huán)往復(fù))？在實驗裝置改進的基礎(chǔ)上，最終建立內(nèi)燃機的完整模型。這種建模方法更符合初中生的認知特點,學生能形象、具體地了解內(nèi)燃機的構(gòu)造和工作原理。

4 研究學生,創(chuàng)設(shè)問題情境

初中生雖然具有一定的實驗操作能力、思維能力，但自主性不強,分析能力有限,因此教師要及時給予指導(dǎo)。在學習本節(jié)之前,學生已經(jīng)學習了不同形式的能量,較易接受“熱傳遞是改變物體內(nèi)能的一種方式”,但難以理解“做功能改變物體內(nèi)能”。如何讓學生形成“轉(zhuǎn)化”的觀念,在強化物理觀念的同時培養(yǎng)學生的科學思維能力？這就要引導(dǎo)學生從生活走向物理，而初中生的生活經(jīng)驗有限,教師需要利用各種手段引導(dǎo)，本節(jié)的教學以問題為主線,發(fā)揮問題的驅(qū)動作用,以激發(fā)學生的探索欲望,提升探究能力,具體設(shè)計如下。

問題1:桌上有一根鐵絲,要改變其內(nèi)能,你有哪些方法？什么現(xiàn)象能說明鐵絲內(nèi)能改變？

問題2:對鐵絲做功,鐵絲內(nèi)能增大,若要得到對物體做功、物體內(nèi)能增大的結(jié)論,我們還需要補充哪些實驗?

問題3:對空氣做功,空氣內(nèi)能能否改變?如何對空氣做功，知道其內(nèi)能發(fā)生了改變？

問題4:對水做功,水的內(nèi)能能否改變?如何對水做功,知道其內(nèi)能發(fā)生了改變？

問題5:機械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能能否轉(zhuǎn)化為機械能?

問題6:如何讓燃氣不斷地對瓶蓋做功,使瓶蓋連續(xù)獲得較大的機械能?

5 促進師生互動,優(yōu)化評價方式

《義務(wù)教育物理課程標準(2011年版)》指出:“對學生的評價應(yīng)從甄別式的評價轉(zhuǎn)向發(fā)展性評價,既要關(guān)注學生的學習結(jié)果,更要關(guān)注他們的學習過程,既要關(guān)注學生學習的水平,更要關(guān)注他們在學習活動中所表現(xiàn)出來的情感與態(tài)度。”筆者備課時預(yù)測了每個教學環(huán)節(jié)對應(yīng)的評價點及其標準(見表1),新課結(jié)束后,利用移動平臺,對學習情況及時進行評價,同時也為學生的自我評價提供數(shù)據(jù)支持,為教師優(yōu)化教學模式提供參考。

表1

6 研究物理學史,體驗科技發(fā)展對人類生活的影響

從原始社會到18世紀,木柴作為取火燃料一直是最主要的能源。

從18世紀初開始,煤炭在西方國家逐漸代替木柴，1875年瓦特改進的蒸汽機使煤炭得到大規(guī)模使用,第一次工業(yè)革命得以更快地向縱深發(fā)展。

1859年第一口油井在美國賓夕法尼亞州打出,石油工業(yè)由此發(fā)端，19世紀末人們發(fā)明了以柴油和汽油為燃料的內(nèi)燃機,汽車、飛機、內(nèi)燃機車等的出現(xiàn)推進了人類社會的發(fā)展。隨著社會突飛猛進的發(fā)展,常規(guī)能源—煤、石油、天然氣將逐漸枯竭,環(huán)境污染也日趨嚴重,人類開始對核能、太陽能、海洋能、生物質(zhì)能等的開發(fā)進行研究與利用。

熱機的發(fā)展經(jīng)歷了蒸汽機、內(nèi)燃機、噴氣發(fā)動機和火箭等多個階段,學生通過對物理學發(fā)展的回溯,體驗科技發(fā)展對人類生活的影響,感受到每一次變革都推動了社會的進步,激發(fā)學生樹立投身社會建設(shè)的愿望。

7 結(jié)語

基于學習分析的研究性備課,將物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)滲透于備課之中,充分體現(xiàn)課改理念,堅持以學生為中心,滿足學生個性化學習需求, 有效培養(yǎng)學生的科學思維能力，提升課堂效率。

基于學習分析的研究性備課,將國際前沿的學習分析理論引入日常的備課活動,優(yōu)化教學模式,調(diào)整教學策略,使備課建立在堅實的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,更具有科學性和針對性,從而真正促進教師備課行為的規(guī)范和備課質(zhì)量的提高,凸顯“精準教、多元學、顯性評”的教學主張,實現(xiàn)初中物理課堂“減負增效”的改革目標。