基于學科核心素養的U型教學模式*
——以“氣體的等溫變化”為例

李思敏 朱巧萍

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院 寧夏 銀川 750000)

杜威經驗論改造所衍生的教育特性表明，經驗教育具有連續性、情境性、整體性、交互性和偶然性[1].根據經驗教育的特性，郭元祥教授概括出了一種新的經驗教學模式——U型模式[2].該模式包括“下沉”“潛行”“上浮”3個主要環節，而這3個環節用圖形表示類似于“U”型，所以命名為“U型模式”.其中，“下沉”即還原和下沉，知識具有連續性，學習新知識需要與原有知識建立聯系，在已有知識基礎上進行擴建補充或改良修正，與原有知識產生認知沖突，達到想要繼續探索、求真的效果；“潛行”即經驗與探索，利用活動經驗，以新的問題為目標，引導探究，進行新知識框架體系的建構，這一過程是學生深入學習的關鍵，通過不斷經歷“經驗—活動—新經驗”的探究過程，擴展認知，達到對知識的了解和認識；“上浮”即反思與上浮，對新知識進行反思與應用，加深理解，能夠進行知識提取，達到知識的升華.

《新課程標準》對物理學科核心素養的落實、精選和內容等提出了要求，以實現立德樹人的根本任務，發展素質教育的獨特育人價值[3].將學科核心素養滲透到U型模式中指導教學實踐，在教學環節中潛移默化地培養學生核心素養，實現教育育人的終極目標.本文以2019人教版普通高中物理教科書選擇性必修第三冊第二章第2節“氣體的等溫變化”為研究內容，通過在該節教學中運用U型教學模式，如圖1所示，充分體現物理學科核心素養的滲透.

圖1 “氣體的等溫變化”U型教學模式圖

1 教材分析

“氣體的等溫變化”是本章的重點內容，研究在等溫狀態下，一定質量的氣體壓強p與體積V的關系.重點使學生通過實驗理解氣體等溫變化的規律，得出玻意耳定律，難點在于如何運用玻意耳定律去分析和解決實際問題.高中物理課程標準(2017版)對本章的要求是“通過實驗，了解氣體實驗定律”，其中“探究等溫情況下一定質量氣體壓強與體積的關系”也是新課程標準中所規定的學生必做的實驗之一[3].

2 學生分析

選擇性必修第三冊這本物理教材在實際教學中一般面向高二或高三的學生，學生在之前的學習中有過認識氣體狀態參量的機會，對壓強、體積和溫度3個物理概念分別有所掌握，但是對于三者之間存在的關系還沒有系統認識，并且學生已經使用過控制變量、圖像分析等實驗與探究的方法，在教師的引導下可以很容易明確目標，設計實驗方案，根據現象和數據總結出規律.

3 教學過程

3.1 下沉——聯系生活知識表象

情景活動一：表演控制氣球的魔術

圖2所示為自制的簡易哈勃瓶，在瓶內放入氣球，將氣球口固定在瓶口，請學生上臺演示吹氣球.展示利用一個瓶蓋就可以控制氣球膨脹的神奇之處，設置懸念.

圖2 自制“哈勃瓶”

情景活動二：視頻展示+演示實驗

(1)播放視頻：如圖3所示，在太陽下暴曬的密封鐵桶，當用冷水沖洗降溫時會變癟.

圖3 冷水沖洗熱鐵桶

(2)實驗演示：如圖4所示，將裝過熱水后的塑料瓶密封，用冷水沖洗，塑料瓶會變癟.

圖4 冷水沖洗熱水瓶

通過視頻和演示的實驗，學生了解到與氣體狀態相關的物理量，認識到對于一定質量的氣體，其狀態與體積、壓強和溫度有關，進而使其明白氣體“狀態參量”的概念和內容.

設計意圖：一節課的開始，最重要的一點就是集中學生注意力，讓學生快速進入到物理課的學習中來，通過學生的親自動手操作，提高學生參與度，迅速吸引學生.通過展示實驗現象與學生原有認知的沖突，激起學生的好奇心和探究心理，進而繼續探索新知.將生活中的現象構建成物理模型，密切聯系生活，加強與個人的聯系性.實驗現象將抽象的物理知識表象化，讓學生能夠明白3個狀態參量之間存在一定的聯系，為接下來的繼續探究作下鋪墊.

3.2 潛行——自我加工科學探究

3.2.1 引入新課

利用舊知識(“速度、位移與時間”的關系、“電流、電壓與電阻”的關系)歸納出本節探究內容應選用的實驗方法——控制變量法，結合氣體狀態參量內容，引出本節課的主要意圖在于探究溫度不變時，一定質量氣體壓強p與體積V之間的關系，即“氣體的等溫變化”.

設計意圖：本節課應用的實驗方法是學生之前所學習過的，教師給出一點提示引導，學生就能說出答案，讓學生回憶之前知識，目的在于使他們想起該實驗方法如何使用，類比推理到本節實驗該如何進行，在學習新內容的同時也鞏固舊知識.

3.2.2 新課探究

情景活動一：定性探究氣體等溫變化的規律

教師提供給學生儀器備品，學生分組進行實驗活動，小組思考討論，明確實驗目的，利用所給儀器，自主設計安裝實驗裝置(圖5)，進行實驗操作，觀察現象，猜想結論，最后各小組展示成果，說明本組的實驗現象和結論，并分析以下幾個問題:

圖5 定性探究等溫變化規律的實驗情景

(1)如何確定自己所研究的氣體質量是不變的？

(2)在實驗過程中是如何控制溫度不變的？

(3)壓強的變大變小是通過什么判斷的？

引導學生得出一定質量的氣體，溫度不變時，體積越大，壓強越小；體積越小，壓強越大.

情景活動二：定量探究氣體等溫變化的規律

利用圖6所示的實驗儀器，學生分組設計實驗，明確實驗的注意事項，利用傳感器讀取數據，繪制表格記錄數據，如表1所示，運用圖像法分析、處理數據，如圖7所示.各組對實驗圖像進行對比分析，概括總結氣體等溫變化的規律，并找出造成圖像差異的可能性.

圖6 定量探究等溫變化實驗儀器

表1 某組學生實驗數據表(T=24.6 ℃)

圖7 某組學生數據處理圖

情景活動三：DIS實驗模擬等溫變化規律

圖8 DIS實驗裝置圖

圖9 DIS實驗數據擬合截圖

設計意圖：學生通過小組交流討論設計實驗，經歷猜想假設、收集和處理數據，歸納總結結論和規律等實驗探究過程，體驗知識的得出，加深對知識理解的同時也提升了動手和動腦能力，是培養科學思維的必備過程；交流實驗結果的過程也是學生反思自我的過程，通過理解結果中不可避免的誤差也有利于學生實事求是、科學嚴謹的科學態度的培養；將傳感器與計算機等現代信息技術加入到物理課堂的教學中，更是體現了核心素養中科學與技術的融合，形成物理智慧化課堂，提高實驗的效率，促進物理教學信息化發展[4].

3.3 上浮——自我建構知識升華

情景活動一：回顧課前吹氣球魔術，運用本節知識解釋原因

學生將玻意耳定律與“魔術”對比，注意到氣體壓強和體積的變化，發現不擰上瓶蓋時吹氣球，瓶內壓強與外界大氣壓相同，壓強不發生變化；擰上瓶蓋時，吹氣球會使瓶內氣體體積變小，導致壓強變大，所以不容易吹起來.

情景活動二：播放一段人在水底吐泡泡的視頻和圖片,如圖10所示，讓學生觀察泡泡在水中由下至上的變化情況

圖10 水底吐泡視頻圖

學生觀看“水底吐泡”視頻，發現泡泡由下至上越來越大，泡泡中氣體體積變大，根據玻意耳定律，氣泡內氣體壓強會變小，而實際情況確實是在上升過程中水的壓強和氣體壓強之和在變小，所以符合玻意耳定律.

情景活動三：組織學生回憶玻意耳定律的知識，并讓學生思考生活中應用此定律的例子或裝置

學生利用生活中的物品舉例子：噴灑農藥的噴霧器、洗手液或洗發水的瓶子等，教師補充“氣壓保溫瓶”，布置學生課后查閱資料，分析氣壓保溫瓶或洗手液、洗發水瓶子等物品的內部構造和工作原理，然后自制模型，下節課組織活動互相展示，交流成果.

設計意圖：通過揭示現象的本質，加強學生知識的建構和理解，培養學生從物理學視角解釋現象和實際問題，形成自己的物理觀念，理解科學本質；認識到物理學在社會和生活中的應用，打破“唯分數”的思想，看到物理學的真正價值；將知識運用建模，使其得到升華，逐漸形成探索自然的內在動力，并有創造性的應用和發展能力.

4 結束語

物理學科以實驗為基礎，其知識和規律的獲得來源于經驗，親身體驗知識的產生過程、歸納總結物理規律是理解物理知識、解決物理學習困難的關鍵.本文利用U型模式教學，讓學生經歷從生活現象到定性探究再到定量實驗的過渡，整個學習過程由淺入深、由簡到繁，“下沉”出生活中的物理問題，“體驗”到新知識的獲得過程，“上浮”做到物理現象的解釋和建模.這種教學模式既貼近學生已有經驗，又利于學生理解接納新的知識，培養學生的物理觀念，訓練其科學思維，對養成學生的物理興趣和提高物理教學的有效性具有重要作用.