“三味”課堂:初中物理課堂轉型的方向
——以“機械能與內能的相互轉化”一課為例

賁可敬

(江陰市夏港中學,江蘇 江陰 214442)

物理學科的本質是以實驗為基礎,以思維為中心,以生活為本源,物理課堂要體現探究味、方法味和生活味,才能彰顯物理學科育人價值,這也是課堂轉型的方向．筆者以曾執教的江蘇省“名師送培”示范課“機械能與內能的相互轉化”為例,談談初中物理課堂如何突破教學的“表層化”現狀,充分體現探究味、方法味和生活味．

1 有探究味的課堂

初中物理教學中,引導學生自主開展探究活動,可以有效激發學習動力,形成課堂活力,提升關鍵能力．

1.1 自由選擇實驗器材

教學過程中要創設機會,讓學生根據實驗目的自由選擇器材,自行設計實驗．課程標準要求進行學生實驗時,應讓學生在理解實驗方案的前提下,自己選擇實驗器材,組合實驗裝置,自主進行實驗．本課中設置了“使一根鐵絲的內能增大”的學生活動,提供的器材非常豐富,如:熱水、酒精燈、火柴、鐵錘、砂紙、砂輪機、鐵絲等,如圖1所示．學生可以自由選擇其中一種或多種器材進行探究活動,以達到活動目的．教師理應創設豐富的課程資源,尤其是實驗資源,為學生的多樣化學習提供選擇支撐．

圖1 使鐵絲內能增大實驗器材圖

1.2 自行設計實驗方案

本課嘗試在某些實驗中開放設計思路,事先只明確實驗目的及評價指標,其他環節由學生自行設計,以此來訓練學生的科學思維．如:研究汽油機的工作過程時,我們設計了觀察汽油機一個工作循環,了解各沖程時氣門打開、關閉情況,活塞運動方向及往復的次數,飛輪轉動的圈數,對外做功的次數等實驗目的,由學生自行設計方案進行研究．有些學生根據如圖2所示教材圖片的提示進行研究,也有的小組操作如圖3所示汽油機模型進行研究,還有的借助如圖4所示flash動畫達到了實驗目的．

圖2 汽油機工作循環示意圖

圖3 汽油機模型圖

圖4 flash動畫圖

1.3 自主展示實驗過程

展示與交流相當于探究活動的“增值評價”,以往的總結都是由教師“替”學生完成的．為了營造研究性學習的氛圍,訓練學生的語言組織和表達能力．本課由學生分組實驗后先進行組內交流,進而推舉代表展示實驗過程,各組取長補短,改進和優化本組或他組的設計,得到更加科學合理的實驗方案．自主展示活動還可激發學生的多元化視角、個性化思考,進而為學生在交流碰撞中提升創新能力提供鮮活的素材,學生的科學思維能力和辯證認識客觀事物的能力得到加強．

2 有方法味的課堂

物理方法是學生離開學校,走向社會后仍然留存在腦海里的學習印跡,是學生終身受用的,為學生適應社會發展的必備能力．物理研究方法的廣泛應用為研究、解決物理問題帶來了很大的便利．課程標準要求讓學生學習基本的科學方法,并能將這些方法應用到自己的生活中去．

2.1 模型建構

物理學描述的就是關于客觀世界的模型,其基本思想方法是用模型來描述現實,用數學來表達模型,用實驗來檢驗模型,用模型的規律來解決實際問題．模型建構是物理科學思維能力的一個重要維度,也是一種重要的科學思維方法,在培養學生的思維發展、解決問題能力方面起著至關重要的作用．[1]本課教師自制了電火花發生器實驗裝置,如圖5所示,顯性目的是為了表明不僅機械能可以轉化成內能,內能也可以轉化成機械能,可以起到“點題”的作用,即機械能與內能可以相互轉化．同時,為引出熱機的概念提供實驗原理保障．其隱性目的是通過從實驗向實踐的延伸,構建汽油機的模型,為研究其工作過程做好鋪墊．[2]具體過程如下.

圖5 自制電火花發生器實驗圖

按動電火花發生器的按鈕,盒蓋獲得機械能而彈出,生活中若能利用這一動力為人類服務則實際意義更大,比如用來推動車輛前進,為汽車提供動力．將盒蓋換成一個活塞,點火裝置更換為火花塞,如圖6所示．每工作一次后,要添加燃料,打開盒蓋不方便,可以在氣缸一端的一側開一小口以補充燃料,此小口即為進氣門．燃料不可能完全燃燒,產生的廢氣要及時排出,在氣缸一端的另一側開一小口以排出廢氣,此小口即為排氣門,如圖7所示．為了能在恰當的時間打開或關閉進氣門或排氣門,可以通過兩根彈簧達到要求,如圖8所示．由于氣缸的長度有限,活塞總是向同一方向運動,反復性無法得以保障,因此需要添加曲軸和連桿,以實現活塞向不同方向的往復運動,如圖9所示．考慮連桿與曲軸運動時的安全性和整個裝置的氣密性,可以在原有裝置底部加上一個外殼,最終得到汽油機氣缸的原型,如圖10所示．

圖6

圖7

圖8

圖9

圖10

2.2 轉換放大

物理實驗過程中的很多現象不顯見、不易見,需要通過轉換放大顯性化,為物理研究帶來便利．有些物體內能增大,可以通過感官直接判斷．如將鐵絲放入熱水中,將鐵絲放在酒精燈火苗上烤,彎折鐵絲,敲打鐵絲,砂紙摩擦鐵絲等,通過觸覺感覺物體發熱、發燙;如將鐵絲放在砂輪機上摩擦,可以通過視覺判斷物體內能增大,火花四濺就是最好的判斷,如圖11所示．如利用空氣壓縮引火儀進行實驗時,壓縮空氣做功,空氣內能增大,可以通過筒底的硝化棉燃燒,看到有火花出現間接判斷．當然物體內能減小,也可以通過轉換的思想來判斷．比如:用打氣筒通過橡皮管向玻璃瓶內打氣,瓶塞彈起,可以通過瓶內水面上方出現白霧的現象來推斷瓶內水面上方氣體內能減小;電火花發生器點火時,盒蓋彈出,盒內出現白煙也是轉換的思想判斷盒內酒精蒸氣的內能減小．

圖11 鐵絲在砂輪機上摩擦示意圖

2.3 遷移應用

遷移是學習真實發生的重要表征,應用則是檢驗學習成效的重要途徑．遷移應用是學生在教學活動中對未來將要從事的社會實踐的初步嘗試,也是教學具有生活性的重要體現,更是物理學科特有的社會價值．[3]教學過程中學生分組實驗時用打氣筒向盛放少量水的玻璃瓶內打氣,瓶塞彈起,同時瓶內水面上方出現白霧．此實驗中的打氣過程對應汽油機的壓縮沖程,而瓶塞彈起的過程對應做功沖程．其中做功沖程的類比比較形象易見,但打氣過程瓶內空氣內能增加卻無法體現．通過自制的壓縮、做功沖程演示儀,如圖12所示,能完全反映氣體內能先增大后減小的過程．將滅火器頂部閥門旋開,倒出罐內殘渣,清洗后晾干,旋緊閥門．在滅火器的頂部開一個孔,能放入數顯式傳感溫度計即可．在滅火器底部開一個小孔,焊接上一個自行車的氣門芯,在頂部噴管內塞入足量彩色碎紙片．用一個老式打氣筒給滅火器罐打氣,可以看到數顯溫度計的示數逐漸升高,用做功的方式使罐內空氣內能增加的現象一目了然．停止打氣,示數稍有上升,待示數穩定后,打開滅火器罐頂部的手柄,彩色碎紙噴射而出,十分壯觀,同時看到數顯溫度計的示數逐漸下降．用此裝置能較好地模擬汽油機的壓縮和做功沖程,尤其能清晰地顯示氣體的內能大小變化情況．

圖12 自制壓縮、做功沖程演示器圖

3 有生活味的課堂

初中物理教育理應激發并保持學生的學習興趣,讓學生通過學習和探索掌握物理學的基礎知識與基本技能,并能將其運用于生活、生產實際,為以后的學習、工作和生活打下基礎．

3.1 來源于生活

課程標準要求在學生建立概念和認識規律之后,應及時引導學生用掌握的知識來分析解決生活和社會中的實際問題,強化理論的應用意識．本課以“賽車急速漂移過彎”視頻引入新課,如圖13所示,以驚險刺激的視聽覺沖擊將學生從生活中帶入課堂．隨即出示兩個與視頻內容相關且與生活密切聯系的圖片及問題,如圖14、圖15所示,以此來引入教學課題,充分體現了物理源于生活、源于自然．

圖13 賽車急速漂移過彎場景

圖14 高速行車輪胎溫度為何升高？

圖15 燃料怎樣使汽車發動機工作？

3.2 服務于生活

課中設計的學生活動,如何使一根鐵絲的內能增大,既是為了引出做功這種改變物體內能的另一種方式的需要,更是從物理走向生活的學科價值體現．學生分組開展各種活動后進行展示,如將鐵絲放入熱水中,在酒精燈的火苗上烤,在同一處反復彎折,用砂紙來回搓,用鐵錘擊打,在砂輪機上摩擦等．這些實驗方式都是生產、生活中人們使用的最普遍最常見的方法．電火花發生器點火實驗將塑料蓋沖出,到汽油機氣缸模型的建立,從實驗模型到生活原型,熱機的大量使用正是物理學科發展的社會效能的充分體現．