核心素養視域下的物理教學情境設計
——以“升華和凝華”一課為例

李 艷 申 潔

(1. 蘇州市第一初級中學校,江蘇 蘇州 215001; 2. 蘇州市振華中學校,江蘇 蘇州 215006)

1 依據和背景

2022年4月,國家教育部頒布了《義務教育物理課程標準(2022年版)》(以下簡稱《課標》).《課標》明確指出以培養學生核心素養為導向,在教學建議中明確提出“倡導情境化教學,突出問題教學”.[1]突出核心素養的培養是對我國教育價值取向的重新定位.核心素養是基于情境導向的,情境是知識的載體,創設能激發學生好奇—想象—聯想—感悟—創造性思維的情境是知識通向素養的必經之路.

同年9月,筆者以“升華和凝華”一課參加江蘇省評優課比賽,基于《課標》理念,筆者對本節課進行創新教學設計.歷經4個多月,開發了若干個基于情境的創新實驗.這些創新實驗對提升學生核心素養起到了積極的促進作用,同時也引起了很多一線教師的關注,并多次在公開課或論文中被引用.

基于同行的關注和認可,本文將詳細闡述“升華和凝華”這節課教學情境設計的全過程,真實還原創新實驗的設計意圖,以期與同行進行更深入的交流.

2 教學情境設計

“升華和凝華”是蘇科版八年級上冊第2章“物態變化”第4節的內容,是在“汽化和液化”“熔化和凝固”學習內容上的延伸.升華和凝華概念的建立是本節的教學重點,對其吸放熱規律的理解是本節的教學難點.針對初中學生的思維特點和認知規律,筆者通過創設情境,將抽象濃縮的物理概念充分稀釋還原,讓學生歷經科學探究和思維加工的過程,使物理概念和規律內化.具體教學情境設計流程如圖1.

圖1 教學情境設計流程圖

2.1 創設游戲情境,引發認知沖突

創設基于學生認知原點且能引發學生認知沖突的真實情境,不僅能激發學生求知欲,還有利于提高學生的學習興趣,為深度學習、培養學生高階思維能力做好準備.[2]

在新課引入環節,創設游戲情境——“冰塊”吹氣球.準備一盤冰塊,兩個相同的瓶子和氣球,如圖2所示.邀請一位學生上臺先取一個“冰塊”放入A瓶中,套上氣球,隨即在B瓶中完成相同操作.學生觀察到A瓶上方的氣球沒有反應,而B瓶上方的氣球被吹了起來.

圖2 “冰塊”吹氣球

問題:兩個氣球為什么會有不同的表現?

課堂生成:冰塊吹氣球,有悖于學生的生活經驗.有學生猜到瓶中的“冰塊”是干冰,認為可能是A瓶上方的氣球漏氣.筆者并沒有急于否定他的猜想,而是請這位學生將兩個氣球的位置互換一下.嘗試后學生發現仍然是B瓶上方的氣球被吹了起來,而A瓶上方的氣球吹不起來,他們猜想可能是兩個瓶子中的冰塊不同.這是思維的碰撞,也是培養學生實證意識的體現.

設計意圖:一盤外形完全相同的“冰塊”,通過吹氣球時的不同表現,讓學生從熟悉的冰塊聯想到干冰,再通過自主尋找證據,猜想外形一模一樣的冰塊可能是兩種不同的物質——冰和干冰.經過層層抽絲剝繭,讓學生在真實的情境中觀察、思考,在學生思維漸現的過程中引出課題“升華和凝華”.

2.2 創設實驗情境,逐層建構概念

物理概念是物理知識體系的基石,深度的概念理解需要學生在頭腦中建立科學的概念體系.筆者認為,在探究中增設概念體系建構的引導環節是實現深度概念理解的重要途徑.此教學環節,筆者通過以下兩個情境的設計實現對升華概念的深度建構.

2.2.1 初步建構升華概念

情境1:“冰塊”對比實驗.

將冰和干冰分別投入水中進行觀察,發現干冰入水后沉于水底并冒出大量氣泡,冰塊則浮于水面,如圖3所示.

圖3 “冰塊”對比實驗

設計意圖:對比,是一種常用的科學方法.將學生熟悉的冰塊與陌生的干冰進行對比觀察,感受它們在物態變化時的差異.干冰升華而成的氣體通過水中的氣泡直觀呈現.通過可視化實驗情境的設計,將思維過程顯性化,從學生的原有認知和經驗出發,幫助學生搭建腳手架,初步建構升華概念.

2.2.2 抽象內化升華概念

物理概念的建構離不開大量證據的支撐,是對事物本質特征的歸納和抽象提煉.筆者認為讓學生歷經從特殊到一般的概念建構過程,有助于學生對抽象概念內化.

情境2:觀察碘的升華.

問題1:干冰可以從固態直接變成氣態,這種現象只有干冰才有嗎?

問題2:將碘錘襯在白紙上觀察,你發現了什么?

任務:利用桌上的器材,讓碘錘中的紫紅色氣體更濃一些,并觀察在此過程中是否有液態碘出現.

課堂生成:在白紙的襯托下,碘錘微微呈現紫紅色,學生驚喜地發現氣態碘可以直接觀察到.在任務驅動下,學生嘗試用手捂、用電吹風吹或用熱水加熱等方式,近距離觀察到碘可以從固態直接變成氣態.

設計意圖:真實的體驗感知能促進學生對現象的深度思考和理解,有助于學生從看似不同的現象中找到共同點,尋求事物共同的本質特征.本環節的設計以實驗情境為載體,以任務為驅動,從干冰到碘,引導學生經歷歸納、分析、抽象等思維加工過程,啟迪學生從形象到抽象,從特殊到一般,建構升華概念.在此過程中,學生充分體驗各種加熱方式,為“升華吸熱”這一環節的教學做好鋪墊,具有承上啟下的作用.

2.3 創設問題情境,促進思維進階

問題情境是從教學的角度對現象的二次呈現,為學生的思考、探索指明方向,也為學生問題意識的培養提供信息載體.富有啟發性的問題往往能引發“情理之中、意料之外”的認知沖突,激發學生的思維活力,促進思維進階.

筆者在“升華吸熱”這一教學環節中,創設如下問題情境.

問題1:碘的升華是一個什么過程?

課堂生成:基于體驗,學生初步感知碘升華是一個吸熱過程.但此時學生對吸熱的認識是淺顯的,他們把吸熱等同于用熱源加熱.

問題2:干冰的升華是否也是一個吸熱過程?說出你判斷的依據.

課堂生成:有學生認為干冰升華不吸熱,因為沒有熱源加熱;也有學生認為干冰升華要從周圍空氣中吸熱,因為干冰周圍溫度很低,這部分學生經過推理,將空氣這一隱性的熱源顯性化.

問題3:你能否設計實驗證明你的觀點?

課堂生成:學生想到用溫度計測量干冰周圍空氣的溫度,筆者順勢按學生的想法進行實驗,觀察到溫度計示數不斷降低.

問題4:干冰周圍空氣溫度低,一定是升華吸熱造成的嗎?會不會還有其他因素?

課堂生成:基于引導,結合生活經驗,學生想到了熱傳遞.

問題5:能否在剛才實驗基礎上進一步優化實驗方案,探究干冰升華是否吸熱?

課堂生成:在交流互動后,筆者和學生共同確定了實驗方案:用熱水給裝有干冰的燒瓶底部加熱,觀察干冰上方溫度計示數的變化.實驗顯示溫度計示數不但沒有上升,反而急劇下降了,如圖4所示.從而得出結論:干冰升華也伴隨著吸熱.

圖4 探究干冰升華吸熱

設計意圖:對于“升華吸熱”這一規律的認識是本節的難點.大多數學生能說出“升華吸熱”,是基于看到了熱水等熱源,但科學論證在這里是缺席的.本環節通過問題串的設置,引導學生對有效設問進行深入思考,從碘升華需要顯性熱源出發,到干冰升華吸熱使隱性熱源顯性化,以論證的方式經歷尋找證據、評估證據、質疑證據的過程,形成“任何升華現象都伴隨著吸熱過程”這一物理觀念,最終促進頭腦中的概念和規律逐層進階,進而培養學生質疑和批判的能力與品格.

2.4 創設自然情境,彰顯學科育人價值

物理科學之美,是一種深層次的理性審美,因此在教學情境設計中,不僅要考慮情境設計應達到的教學目標,完成教學的基本任務,更應追求超越情境設計的教育效應,如創新、審美意識的滲透與培養等.[3]筆者在課堂上創設真實且具有藝術美感的場景氛圍,使學生既能直觀地感受到知識的原始形態,又能豐富審美體驗,充分彰顯物理學科的育人價值.

場景實驗:冰雪小屋.

筆者打造了一個 “冰雪小屋”,學生可觀察到小屋內極具蘇州特色的自然美景:紅色的玫瑰和綠色的松枝插在藍色花瓶里,旁邊擺有一塊黑色的假山石,如圖5所示.利用小屋外側夾層里的干冰將小屋內溫度降至-30 ℃以下,從小屋側壁小孔通入高溫水蒸氣,觀察到水蒸氣迅速凝華成霜.約5 min后,花瓣、松枝、假山石表面覆蓋一層厚厚的霜,完全呈現白色,如圖6所示.花瓣結霜特寫如圖7所示,霧凇特寫如圖8所示.

圖5 冰雪小屋原貌

圖6 冰雪小屋結霜美景

圖7 花瓣特寫

圖8 雪松特寫

設計意圖:這個場景實驗的設計靈感源于蘇式園林秋冬結霜的美景,通過豐富的視覺體驗,讓學生從物理學的視角鑒賞蘇式園林之美.此外,自然界結霜一般在晚上,且比較漫長,學生無法觀察到它形成的過程.這一實驗模擬了自然界霜和霧凇的形成過程,適合在課堂45 min的教學過程中完整呈現,直觀地將自然現象呈現在學生面前.也相當于現場生成一個關于“物態變化”的大單元情境,可讓學生找一找冰雪小屋里還有哪些物態變化,使其從中感知自然界的物態變化不是單一的,而是相互伴隨著發生的.讓學生在真實情境中實現知識建構,在形成物理觀念的同時提升審美情趣.

課堂生成:在等待冰雪小屋結霜的同時,學生用桌上的易拉罐和干冰同步制霜,并用放大鏡觀察,發現霜是由一顆顆小冰晶組成的,如圖9所示.筆者引導:將這些小冰晶進一步放大,則會看到形狀規則的六邊形,如圖10、11所示.看到這樣的形狀,學生自然聯想到了雪花.

圖9 放大鏡視角下的霜

體會江南的雪,宋代詩人王琪在《憶江南》中這樣描寫江南的雪:“江南雪,輕素剪云端.瓊樹忽驚春意早,梅花偏覺曉香寒.冷影褫清歡.”伴隨古詩和音樂,筆者讓學生將目光重新回到“冰雪小屋”,聚焦屋頂.此時屋頂已掛滿長長的霜花,如圖12所示,在重力作用下自然飄落,宛若下雪,如圖13所示.[4]

圖12 霜花

圖13 “江南的雪”特寫

設計意圖:本環節由放大鏡視角下的霜,從宏觀過渡到微觀,讓學生自然聯想到雪的成因.通過真實情境將不同時空出現的3種自然現象在“冰雪小屋”中同時呈現,從而將霜、雪、霧凇的形成過程統一起來——都是由水蒸氣凝華而來的.通過情境層層遞進,讓學生經歷從具體到抽象、從特殊到一般的認識過程,力求以學科知識為載體,發展科學思維能力,著力培養學生的核心素養.

課堂生成:在音樂和燈光下,雪花緩緩飄落,學生靜靜地觀賞著,宛若置身一場江南的初雪之中.當筆者讓他們輕吹易拉罐上的霜,觸摸雪花的時候,學生自發地面對面,舉起雙手,感受雪花落在手心里慢慢化成水的冰涼感覺,如圖14所示.從他們微笑且專注的臉上,感覺學生這一刻已經完全融入課堂的真實情境中,筆者也體會到了物理課堂帶給我們的一種和諧、恰如其分且渾然一體的美感.

圖14 學生觸摸“雪花”

設計意圖:好的情境一定是以“情”為紐帶,以“美”為境界的,以“情”觸“鏡”,才能有效激發學生無意識的心理活動和內心情感.筆者通過創設真實的下雪情境,結合古詩、音樂、燈光,由聽覺、視覺到觸覺,增強了情境的畫面感.通過感官體驗與物理概念建立聯系,讓學生在多方位欣賞與體驗自然之美的同時,逐漸培養從物理學視角描述客觀事物的物理自然觀.同時也讓學生感受到“各美其美,美美與共”的文化理念,豐富其人文內涵.

2.5 創設應用情境,促進深度學習

在建構升華和凝華的概念后,及時創設真實的應用情境,讓學生感知物理概念在實際生活、生產中的重要用途,體會物理與科學、技術、社會、環境的聯系,也可進一步加深學生對物理概念的認識理解,促進物理觀念的形成.

課后拓展作業:提取指紋.

筆者給學生準備了一個裝有碘顆粒的帶塞試管,請學生課后將自己的指紋提取出來,并查閱資料,了解其原理.

設計意圖:應用遷移是學生達到高水平能力等級不可或缺的重要階梯.建構系統的物理概念最終目的是使學生具有解決實際問題的能力,可以將知識廣泛遷移于各個方面指導實踐.筆者以真實情境和具體實際問題為背景,在作業設計環節,將探究和應用的理念從課堂延伸到課外,凸顯綜合性與實踐性,為學生核心素養的發展打下堅實的基礎.

3 結語

“升華和凝華”一課的教學情境設計,是筆者基于新課標理念的一次有益嘗試.整節課以培養學生核心素養為落腳點,結合情境,在學生認知發展的關鍵處提供可靠的證據支撐,助力學生不斷提升思維水平,體現物理學科的育人功能.每一個情境的設計,都是充滿教育智慧的科學性與人文性相融合的創造性活動,也是教學理念的升華,彰顯出作為學科教師對教育的追求與情懷.