探索物理教學中核心素養常態化生長的關鍵路徑①
——以“機械能與內能的相互轉化”教學為例

姜棟強

(江蘇省南通市海門區中小學教師研修中心,江蘇 南通 226100)

常態化的物理課堂如何成為核心素養生長課堂,這一問題在教學實踐中不時會困擾教師。還是原來那些熟悉的物理概念和規律,還是原來的施教者,有很多課堂設計看起來往往都大同小異,如何把學生核心素養的生長變成新常態,需要我們關注重點環節,探索關鍵路徑。

核心素養生長的一些重點環節可能是我們以前不怎么重視的教學細節,核心素養生長的關鍵路徑需要教師用心觀察、探索,需要花一些精力,在“同”中求“小異”?！靶　笔且驗椴恍枰處熁ㄙM大量的時間和精力去準備,不一定要設計“高大上”的實驗和活動,而是在細節上不斷優化?！爱悺笔峭怀鲋呛兔?利用不同的問題、不同的情境還原學生思維生長的歷程。筆者以“機械能與內能的相互轉化”教學為例,優化細節,就“小”求“異”,探索物理教學中核心素養常態化生長的關鍵路徑。

1 在“看”的細節中扎根情智,生發核心素養

在常態物理教學中教師都會創設一定的情境,一般是演示實驗、生活現象的呈現等,主要指向興趣的激發和思維的啟迪。筆者在這節課的導入中沒有采用“汽車高速行駛后輪胎溫度會升得很高”和“燃料燃燒使汽車發動機工作”的圖片,因為這種圖片資源略顯單薄,對學生的興趣激發和思維啟迪缺少震撼力度,也沒有采用“賽車飛馳漂移冒煙”視頻,雖然這個視頻中的“冒煙”效果直指本節課的學習主題,但是“冒煙”的背后存在“危險駕駛”的誤導或誘導。本課采用以下兩種途徑來導入。

(1) 課前循環播放我國“神舟號”回收艙定點著落視頻。提前做好視頻剪輯,并配上激昂的背景音樂,重點突出“中國元素”“摩擦起火”“國防教育”“展望未來”四個方面,無需太多講解。學生在觀看過程中,最直接的感受就是回收艙著落過程中與大氣摩擦起火,而這個感受直接與今天的主題密切相關,而且其他三個方面會隱性滲透強國自豪感、邊防戰士使命感、航天夢想等。

(2) 在課堂開始,教師呈現如圖1所示的斯特林蒸汽小汽車,點燃外置的酒精燈,汽車很快就在講臺上運動起來。結合實物和電腦屏幕上的實物投屏,學生感受到兩個細節：一個是酒精燃燒,另一個是汽車動了起來。此時,教師借助學生實實在在觀察到的現象提出問題：汽車為什么會動起來?這個導入取代了單調的圖片導入,引發學生基于觀察的思考,也為后續學習埋下了“同”中求“異”的伏筆?！巴笔情_啟了本節課學習的核心知識“內能轉化為機械”的應用,即熱機,“異”是這是一款“外燃機”,這個差異可以引發學生將其與“內燃機”進行對比,引發思考：如何提高效率、增大動力?

圖1

每節課的情境導入都要追求趣味性和教育性(圖2)。趣味性是要迎合學生的興趣點,集奇、妙、趣、智等為一體,對接學生的思維點和本節課的核心概念,并引領學生的思考,而這一切都是為了助推科學探究活動的開展。教育性是導入內容本身能很好地彰顯本課的教育價值,同時更能引發學生對導入內容的觀察、思考、猜想等,以物理學科的魅力驅動學生學習、思考,同時能自然融入本節課所蘊含的“科學態度與價值”元素。

圖2

2 在“試”的細節中獲得體驗,促進核心素養的成長

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學課程,實驗的主體是學生。[1]為此,在初中物理教學中,我們要盡可能讓學生體驗實驗的過程,無論是演示實驗還是分組實驗,學生只有經歷了實驗的過程,才能感受實驗操作背后的緣由,也只有切實體驗了實驗的成功與失敗,學生才能深刻理解實驗的價值與意義。在這節課中,空氣壓縮引火儀有其特殊的價值與意義,這種價值來自于我們對裝置的內涵價值的挖掘與引導,在“空氣壓縮引火儀”的實驗中,我們采用了以“失敗”代替“成功”的曲折方式。

將空氣壓縮引火儀分發給每組學生,引導學生參照教材要求進行實驗,并提示學生注意實驗安全。這個實驗通常會呈現三種結果：第一種結果是沒有出現預期現象,這部分學生沒有認真閱讀操作說明,沒有明白到底該怎么操作、注意什么。第二種結果如圖3甲所示,大部分學生得到了“冒煙”的效果,給學生的感覺就是溫度升高了,內能增加了。第三種結果如圖3乙所示,由少部分學生做成,這個現象非常震撼,會激活學生的學習熱情。為此,教師請得到第三種結果的學生帶著器材上來再次實驗,并請學生介紹成功的心得,而學生的心得會鎖定下列關鍵詞：速度要快、用力要猛、底座要穩。由此達成了兩個教學效果：(1) 呈現了“機械能可以轉化為內能”的實證;(2) 使學生認識到：機械能越大,轉化的內能也越大。

圖3

但是,學生拿著原來的器材上臺演示時,成功的概率很低,給學生一種“失敗”的感覺,而這種失敗卻是一種珍貴的教學資源。為了讓每位學生經歷這種“敗中求進”的體驗,在不斷改進中感悟技巧,并為后續的改進“內燃機”的設計作鋪墊,我們結合具體的慢動作和問題,讓學生尋求失敗背后的原因,需要關注以下細節。

細節1：壓縮儀內由于前期的點燃,氧氣濃度降低,如果沒有將活塞拔出的話,很難讓小棉絮再次點燃。

問題1：壓縮活塞是為了獲得什么能?

此時結合學生的回答生成板書：“壓縮”,學生知道要獲得內能,必須先提供機械能,為后續的壓縮沖程服務。

問題2：剛才能夠壓縮點燃小棉絮,為什么現在不能點燃了呢?小棉絮燃燒除了要達到著火點外,還需要消耗什么?該怎么操作才能讓缺失的氧氣得到補充呢?

此時結合學生的回答生成板書：“吸氣”,學生知道此時的吸氣是為了吸收氧氣,為后續的吸氣沖程服務。

細節2：上臺展示的學生再次實驗時沒有達到圖3乙的效果,于是將活塞移至上端后繼續反復按壓,這種按壓并沒有吸入新的氧氣,而是產生了很多的尾氣,尾氣沒有排出,導致氧氣嚴重不足,成功概率更低。

問題1：反復按壓能讓氧氣進來嗎?但是按壓時都冒煙了,說明燃燒不充分,怎樣才能讓生成的尾氣排出呢?

此時,結合這一細節和學生的回答,生成板書：“排氣”,為后續的排氣沖程打下了鋪墊,學生也知道這是排出了廢氣。

問題2：你現在知道怎么改進實驗操作細節了嗎?再試一試。

細節3：凡士林一方面有防止漏氣的作用,另一方面還有潤滑的效果,學生初次遇到,不知道它的作用。

問題3：加了凡士林后,同學們在實驗時,有什么感受?你覺得為什么會這樣?在工作的過程中,加了凡士林不僅讓活塞運動順暢,還有什么好處?

這對后續“熱機”發展歷程中的相關討論起到鋪墊的作用,一方面是密封的重要性,另一方面也感受到“潤滑效果”,將提升熱機的動力,減少能量損耗。

科學探究和科學思維是物理學科核心素養的兩個重要方面,若沒有深入的科學探究,就不可能促進科學思維的充分生長,然而,如果沒有科學思維的充分生長,也不能保證科學探究的有效開展。

3 在“做”的細節中拓展思維,提升核心素養

“做中學”不僅僅是單純做,還需要動腦,并在不同維度、不同細節上優化、改進,只有通過“做中學”,學生才能收獲新的認知和生長。為此,本節課深入回歸了“做的細節”。

3.1 做中思

在空礦泉水瓶中噴入少量酒精,蓋上蓋子用力扭擠,快速旋開瓶蓋(圖4)。將實驗與問題結合,挖掘其中的“細節”價值,請學生結合實驗思考如下問題。

圖4

(1) 為什么瓶蓋能飛出去,它的機械能來自于哪里?

(2) 瓶蓋飛出去時,瓶內出現了什么現象?為什么會有這樣的現象?你能想辦法去證明嗎?

(3) 要想讓瓶蓋飛得更遠,你有什么好辦法?

通過以上3個問題的解決,一是幫助學生建構“內能”可以轉化為“機械能”的認知。二是學生發現瓶內有“白氣”,通過分析提出猜想：氣體對外做功,內能減小、溫度降低。引發學生的再次分析和思考,想法驗證這個猜想。三是思考獲得更大的機械能的途徑,一方面引導學生認識到：內能越多,獲得的機械能也越多。

3.2 做中比

在上面一個環節問題討論的基礎上,教師給學生留足 “做”的空間和時間,并啟發學生的進一步思考。

3.2.1 讓瓶蓋飛得更遠

(1) 以用力“按壓”的形式來獲取更多的內能,并迅速旋開瓶蓋。

(2) 利用加熱的方式來獲取更多的內能(圖5)。

圖5

(3) 采用點火爆炸實驗(圖6)。

圖6

通過“做”和“比”,學生發現圖5和圖6所示實驗中橡皮塞和蓋子飛得更遠,而且在圖6所示實驗中只需要少量酒精即可產生非常震撼的效果,為后續的內燃機再次作鋪墊。另一方面的對比是圖6和圖4所示實驗中都出現了“白氣”,兩者是否都證明了“氣體對外做功,內能減小”,導致溫度降低而產生了液化現象呢?可繼續做實驗予以驗證。

3.2.2 驗證“對外做功,內能減小”

為了檢驗“氣體對外做功,內能減小”的猜想,關鍵在于檢驗溫度是否降低。此時引導學生設計實驗,并把自己的想法表達出來,促進學生發散性思維、創新思維的發展。有學生想到用溫度傳感器來記錄溫度變化,在交流的基礎上,教師采用如圖7所示的氣體對外做功演示儀進行演示,當壓縮氣體時,溫度明顯升高,而在活塞飛出去的瞬間,溫度迅速降低。

圖7

3.3 做中融

學生在課堂上生成的質疑是寶貴的教學資源,需要教師充分引導和激活,以促進學生科學思維能力的提升。結合圖4和圖5所示的兩個相似實驗,在瓶蓋(橡皮塞)飛出的瞬間,都出現了白氣,教師追問學生：“白氣”的出現能說明內能減小嗎?結合圖7所示的實驗,通過對比,學生發現圖5中的“白氣”是水沸騰產生的水蒸氣遇冷液化形成的,而不是由于熱蒸氣對外做功使溫度降低。學生只有經歷了實驗操作、觀察對比、分析論證才能真正達成知識與技能的融通,才能激發思維的活力。[2]

3.4 做中通

結合前面的一系列活動,此時教師可以用問題鏈激發學生思考,并逐漸完善板書。

問題1：如果要獲得持續不斷的機械能,服務于生活生產的話,你能從剛才的實驗中找到什么靈感呢?

學生回答：需要壓縮氣體(圖4甲),點燃里面的燃料(圖6)。

教師用投影呈現圖8甲。

圖8

問題2：燃料和氣體怎么進去呢?燃燒后的廢氣如何處理?

生：像空氣壓縮引火儀一樣,需要有一個口進氣和加入燃料,還要有一個口來排氣,最好還要加兩個門來控制“口”的開和關。

教師用投影呈現圖8乙。

問題3：要使這樣的裝置提供持續的動力,要將活塞一直往下推嗎?該怎么改進?

生：可以往復地推,需要加一個曲軸和連桿來帶動活塞的往復運動。

教師用投影呈現圖8丙。

問題4：考慮到連桿與曲軸運動時的安全性和整個裝置的氣密性,[3]我們還需要對圖8 丙進行怎么樣的完善?

生：可以在圖丙的裝置底部加上密封的外殼。

教師用投影呈現圖8丁,最終完成如圖9所示的總結板書。

圖9

成功固然值得慶幸與自豪,但是成功背后的艱辛和智慧需要每位向往成功的學生去“重溫”,感慨成功背后的付出,也以此激發他們的求知欲、求勝欲。在這節課的教學中,學生經歷了多次的失敗,而正是這些失敗使學生感悟良多。

筆者請學生閱讀“熱機的發展歷程”,并思考：如何讓熱機提供更強大的動力?對接前面所有活動的細節,比如,獲取更大的內能、減小摩擦、提高效率等,使學生逐漸形成能量觀念。

中國元素、中國力量是我們這一節課的落地點,在教學的最后,筆者再次介紹中國航天成就,既展示中國航天領先世界的光輝一面,也呈現光輝背后經歷的艱辛與失敗,以反映中華兒女的智慧與勤勞。此時,學生感受到的不僅是自豪,還有榜樣的力量、自己責任的重大。

4 結語

常態課的教學也許是大同小異的,同的是流程和內容,異的卻是教師用心、用智設計的“細節”,這些細節可激活學生的思維,提升他們的思維品質,服務于學生關鍵能力的提升、必備品格的健全、價值觀念的形成,讓學生擁有走得更遠的能力。