基于學科核心素養的課堂演示實驗教學
——以“氣體的等溫變化”教學為例

卞志榮 宋海峰

（江蘇省天一中學，江蘇 無錫 214101）

物理是一門以觀察和實驗為基礎的學科.培養學生的學科核心素養需要有效的學習情境創設.物理實驗在整個物理教學中起著其他教學內容和形式不可替代的作用.實驗不僅能激發學生學習物理的興趣，還能培養學生的觀察能力、動手能力、邏輯思維能力、問題解決能力和創新能力，更能培養學生理論聯系實際、嚴謹求實、積極探索的科學精神.在“氣體的等溫變化”教學時，我們依據課程標準和教學內容，細化核心素養目標，在課堂演示實驗教學進行了積極有效的探索.

1 落實學科核心素養的實驗情境創設

創設情境進行教學，對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用.物理概念的建立需要創設情境，物理規律的探究需要創設問題情境，應用物理知識解決具體問題應結合具體的實際情境.演示實驗教學也是如此.

1.1 創設實驗情境，讓學生在質疑中產生探究欲望

英國科學家培根曾說過：“好奇心是孩子智慧的嫩芽，提問則是孩子求知欲發達的標志”.學生急待解決的新問題是最能激起學生的思維火花，激勵學生主動去思維、探索和創新.為此，我們在引入環節創設了對比實驗情境，引發認知沖突和疑問.

情境實驗1.吹氣球比賽.

教師課前把同規格的兩個氣球套在硬塑料管上并用細線扎緊，便于學生吹氣，然后分別置于兩個同規格透明的礦泉水瓶中，其中一個瓶與大氣始終相通，另一個用蠟封口，與大氣不相通（如圖1）.

圖1

讓大男生吹封口的氣球，小女生吹不封口的氣球，看誰吹得快，吹得大（如圖2）.演示結果明顯地看到男生的氣球吹得比女生的小且很費力.此時學生覺得不可思議，甚至有男生迫不及待地說：他不行，讓我來，興致沖沖地上臺比試，結果還是不敵小女生.學生在憤悱之時轉入新課“氣體的等溫變化”的探究學習之中.

圖2

1.2 創設實驗情境，讓學生在感受中構建概念

為了尋找表示氣體的狀態參量，傳統教法是提出問題：描述質點的運動狀態需要用速度、加速度、時間、位移等，現在要描述氣體的狀態是否也用這些物理量呢？然后教師直接告知學生，表示氣體狀態參量是：體積、溫度、壓強.這樣的灌輸式教學既省時又省力，但對學生來說，缺少了概念形成的過程感性認識和研究問題的抽象思維經歷，學生只能處于識記層面，不知道為什么要用這些物理量來表示氣體的狀態.基于傳統教法的不足，我們結合2017版新課標要求，創設了系列實驗情境，讓學生在實驗探究明白為什么要用體積、溫度、壓強等參量來表示氣體的狀態.

情境實驗2.吹氣論道.

如圖3，讓學生到臺前將氣球吹大，學生覺得越吹越吃力，為什么呢？讓學生在“玩中學”，在“趣中思”.

圖3

引導得出：氣體的壓強與氣體的質量有關.

情境實驗3.“康復”癟球.

教師手拿踩癟的黃色大乒乓球（增加可視度），請問誰有辦法能盡快讓它鼓起來？有學生說用筆套慢慢搟使其一點一點恢復；更多的學生說放到熱水中（如圖4）.讓學生在解決問題中“探”.

圖4

引導得出：氣體的壓強與溫度有關.

情境實驗4.“壓扁”氣體.

讓甲同學手拿自行車打氣筒并吸進一定量空氣后，讓乙同學堵住進氣口不讓漏氣，再讓甲同學下壓活塞，體驗打氣過程（如圖5）.學生解釋向下越壓越費力，以致于壓不動.

圖5

引導得出：氣體質量一定，溫度不變，壓強與體積有關.

師生總結：氣體具有一定的質量、體積、溫度、壓強等，對于一定質量的氣體我們可以用體積、溫度、壓強來表示氣體的狀態（板書：一、氣體的狀態參量）.

為了讓學生定性了解氣體狀態量之間的聯系，自然過渡到實驗探究尋找變化規律，我們設計了以下驅動性問題：

問題1.一定質量的氣體，體積越小，壓強一定越大嗎？（不一定，還與溫度有關）

問題2.一定質量的氣體，壓強不僅與體積有關，還與溫度有關，那么到底有什么具體關系？

下面我們研究“質量一定的氣體，在溫度不變的情況下，壓強隨體積變化的規律”（板書：二、氣體的等溫變化）.

1.3 創設實驗情境，讓學生在探究未知規律中，體驗實驗思想和研究方法

物理核心素養導向的教學要求教師為學生創設需要解決的真實問題情境，讓學生運用所學的知識和方法，設計實驗方案，自主開展研究活動.

情境實驗5.用帶壓強計的注射器，探究等溫變化規律.

問題1.實驗中怎么保持氣體質量一定？（用橡皮套堵住進氣口；用潤滑油涂抹活塞，防止漏氣）

問題2.實驗中怎么保持氣體溫度不變？（緩慢推拉活塞；不要用手握著注射器）

問題3.怎么改變氣體壓強？（上拉活塞氣體體積增大，下推活塞氣體體積減小）

問題4.實驗中要記錄哪些數據？（讀出氣體體積和對應氣體壓強計示數）

至此，通過上述問題的解決，設計出了課本第18頁的實驗裝置（如圖6所示）.

圖6

問題5.怎么尋找氣體壓強與體積的定量關系？（觀察法：體積大，壓強小；猜想：反比關系；圖像法：p-V圖，p-1／V圖）

疑問1：好像反比關系有點勉強，是壓根兒反比關系就不成立呢？還是實驗測量誤差較大而引起呢？在學生疑惑之時，教師展示更加精確的實驗儀器.

情境實驗6.用DIS實驗系統，探究氣體等溫變化規律——玻意耳定律.

用DIS實驗系統中的壓強傳感器可以較準確測量氣體壓強，實驗裝置連接如圖7所示，讓兩位學生走上講臺進行合作實驗，一位同學緩慢拉活塞，讀出氣體體積，另一位同學在電腦上記錄數據（如表1中）.

圖7

表1

利用計算機擬合p-V圖是一條曲線（如圖8），因不便于確定壓強與體積的關系，利用“化曲為直”的思想擬合p-1／V圖（如圖9）可以明顯看到p-1／V圖像是一條不過原點直線，只能說明一定質量的氣體，在溫度不變的情況下，壓強隨體積減小而均勻增大，但不成反比.

圖8

圖9

疑問2：圖線不過原點，是實驗誤差造成？還是一定質量的氣體，溫度不變時，氣體壓強與體積本身就不成反比呢？

引導：基于證據大膽質疑，培養實事求是的科學態度和分析解決問題的能力.基于學生初次接觸對氣體的實驗研究，且高二學生對實驗誤差的分析素養尚待提高，教師要設疑啟思，降低臺階.

探究：教師舉高實驗裝置，讓大家仔細觀察并提問：實驗研究的氣體是否就是注射器筒中氣體？并讓幾個學生走上講臺近距離仔細觀察.

問題發現：注射器前連接針頭的部分（叫乳頭），乳頭與壓強傳感器連接的軟管有一定的體積，其中存有氣體.

疑問3：圖線不過原點是否就是這微小體積影響所致呢？

修正：把實驗測得的氣體體積加上連接軟管中的氣體體積（測得此型號的注射器乳頭及連接軟管的總容積為1.5 mL）

氣體體積修正后數據如表2.

表2

利用計算機再次擬合p-V圖和p-1／V圖如圖10、11.

圖10

圖11

實驗結論：一定質量的氣體，在溫度不變的情況下，壓強與體積成反比.人們把這一規律叫玻意耳定律（板書：三、玻意耳定律）.

從以上可以看到，學生經歷了實驗設計、實驗測量、數據分析、尋找規律、發現問題、質疑改進、分析修正等科學研究過程，體會到了科學研究方法和實事求是的科學態度.

學以致用：能用玻意耳定律解釋夏天為什么容易爆胎？

2 課堂核心素養目標落實反思

教學目標是課堂教學的出發點，也是歸宿.課堂教學目標的設計直接關系到課堂教學的方向和定位.教學目標的有效達成度直接影響著課堂教學效率和質量的提高，影響著學生知識和方法的掌握，影響著學生核心素養的提升.一堂好的課，必須面向全體學生，使每個學生主動地得到全面發展.2017版課程標準明確要求必須把培養物理學科核心素養作為物理教學的重要目標，將“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”等物理學科核心素養的培養落實于教學活動中.審視本節課流程和細節，不難發現核心素養培養目標落實情況如下（表3）.

可以說，這節課的演示實驗教學，設計立足于學生生活、實施立足全體學生、目標立足于學生發展，充分體現了“學生主體，教師主導”的理念，教學效果較好.

3 結語

物理學是一門實驗科學，利用實驗創設探究學習情境不僅是必要的而且是行之有效的好方法.良好的實驗情境應該具備以下特點：基于生活實際，接近真實情境；引起認知沖突，激發積極思維；適合學生水平，符合最近發展區要求；緊扣教學內容，突出教學重點；具有形象性、具體性、探究性和可感知性.體現核心素養的課堂教學設計必須把核心素養培養作為教學設計的主目標并將其融合于教學各個環節之中.實施物理核心素養導向的教學，必須創設鮮活、真實的學習情境.教師應根據教材內容，積極創設學生熟知的、形象直觀的實驗情境，激發學生求知、探究欲望，為新課的開展注入動力.同時在實驗探究中引導學生理解科學思想和方法，培養科學思維習慣，增強科學探究能力和解決實際問題的能力，逐步形成科學的態度和正確的價值觀，最終落實物理核心素養的提升.

表3