聚焦物理實驗教學 助力核心素養培養

摘 要：物理學科四大核心素養，包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任。本文以蘇科版物理教材八年級上冊第二章第三節“熔化和凝固”為例，簡要闡述如何基于科學探究、科學思維、物理觀念和科學態度與責任四個維度進行物理實驗的教學。

關鍵詞：實驗教學；核心素養；科學探究；熔化和凝固

1 引言

《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）強調，要注重落實物理課程的育人價值，培養學生適應個人終身發展和社會發展需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。 核心素養是課程育人價值的集中體現，物理課程要培養的核心素養，主要包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任。 ^［1］

《課程標準》明確要求注重科學探究，突出問題導向，強調真實問題情境，引導學生不斷探索，提高分析問題、解決問題的實踐本領和科學思維能力，發展核心素養。^［2］課堂教學是培養核心素養的主陣地。科學探究不僅是核心素養的一個維度，而且也是促進學生核心素養發展的關鍵因素。本文以蘇科版物理教材八年級上冊第二章第三節“熔化和凝固”為例，主要闡述如何基于科學探究、科學思維、物理觀念和科學態度與責任四個維度進行物理實驗的教學。

2 教學設計思路

“熔化和凝固”在《課程標準》中的內容要求：經歷物態變化的實驗探究過程，知道物質的熔點和凝固點，了解熔化和凝固過程中的吸熱和放熱現象。^［3］因此，本節課的重點是“探究冰、燭蠟的熔化特點”。實驗探究必然涉及核心素養的四個維度，所以本節課的教學思路是“立足于科學探究，聚焦于科學思維，滲透物理觀念，落實科學態度與責任”。結合科學探究與核心素養的關系，筆者制訂了科學探究步驟及其對應的核心素養要素的學習目標（見表1）。

3 課堂教學設計

3.1 問題

蘇科版教材通過插圖——各拉丹冬雪山和正在消融的冰凌引入，如圖1所示。^［4］兩幅插圖與教學內容密切相關，避免了冗長的文字敘述，濃縮了很多信息，具有很強的啟發性。然而由于南京地域的局限性，學生對插圖中所展示的熔化、凝固現象并不熟悉。若教師讓學生再提出一個可以探究的問題，那么這對學生來說可能是一個較大的挑戰。因此，筆者基于后續實驗的研究對象——燭蠟，創設了一個真實問題情境——現場制作“火漆印章”（見圖2）。

在學生觀看完制作過程后，教師可通過設問的方式引導學生理解物理觀念，以下是教學片段。

師：印章的形成過程中，蠟粒經歷了哪些物態的變化？

生：蠟粒先從固態變成液態，然后又從液態變成固態。

師：很好，我們把物質從固態變成液態的現象稱為熔化，液態變成固態的現象稱為凝固。制作中，通過加熱讓蠟熔化，這說明了什么？

生：熔化吸熱。

師：那凝固呢？

生：凝固放熱。

師：有沒有同學注意到制作者在加熱蠟粒時，在火苗上方不斷地晃動小勺，還用牙簽去攪動蠟液，這樣做有什么好處嗎？

生：受熱均勻。

設計意圖：“火漆印章”是在學生之間很流行的一種手工工藝品。它的制作利用了石蠟稍加熱即熔化的特性。而石蠟正好也是后續探究實驗的研究對象，這與教材內容聯系緊密。通過再次設問，教師不僅能夠引導學生在熔化過程中關注“吸熱”與“狀態變化”，而且還為后續“探究冰和燭蠟熔化特點”實驗的加熱方法和操作步驟提供了基礎。因此，創設學生喜聞樂見的情境，能有效提高學生探索事物本質的內在動力，從而培養他們從物理學視角觀察事物的能力，把知識與情境結合起來，初步形成物理觀念和對科學本質的認識。

3.2 證據

3.2.1 猜想與假設

教師出示一個裝有冰塊的燒杯，引導學生觀察冰的熔化，并介紹“固液共存狀態”。學生結合生活經驗和觀察到的現象，再通過回顧“觀察水的沸騰”實驗進行猜想：冰和燭蠟在加熱時溫度的變化可能有什么特點？教師要求學生說出猜想的依據。

設計意圖：通過觀察冰和燭蠟的熔化現象，鼓勵學生敢于猜想，敢于發表個人的意見和看法，并嘗試將實際問題的對象和過程轉換成物理模型，培養學生的科學思維。

3.2.2 設計實驗與制訂方案

在本章第二節中，學生已經探究了“水的沸騰”，因此這一環節教師引導學生對比三個實驗，并歸納出實驗思路，設計出實驗方案，從而留下更多的時間讓學生觀察熔化過程，突破本課重難點。設計三個實驗細目表如表2所示。

設計意圖：將“探究水的沸騰”舊知進行遷移，通過對比、梳理、總結，使學生對探究目的和實驗設計有較清楚的認識。在師生互動討論中，培養學生科學思維，提高學生分析問題、解決問題的實踐本領。

此外，“探究冰的熔化特點”實驗被認為是初中物理學習中的疑難實驗之一。該實驗較為復雜，且成功率不高，因此一些教師會選擇使用海波、金屬鎵作為替代物進行實驗，或者選擇播放實驗視頻來展示實驗過程及現象。鑒于學生對海波、金屬鎵等材料較為陌生，且播放實驗視頻相較于學生親身參與的探究實驗缺乏直觀性和說服力，所以筆者對實驗進行了如下優化。實驗前，先將純凈水冷凍成冰。上課前，利用碎冰機將冰塊粉碎，隨后將這些碎冰分裝至多個直徑約為2厘米的大試管中，每個試管填充至約三分之二的位置。最后，將所有裝有碎冰的試管統一放置于裝有干冰的保溫桶中，以便在做實驗取出試管時，冰塊仍保持著低溫凝固的狀態供學生觀察與探究。

3.2.3 獲取與處理信息

由于冰和燭蠟的熔化實驗時間過長，所以將全班48人分為8組，其中4組探究冰的熔化，4組探究燭蠟的熔化。

分工：組裝實驗器材1人，計時1人，攪拌1人，觀察溫度并讀數1人，觀察物質狀態1人，記錄1人。筆者特別強調實驗時學生要各司其職，分工協作。

實驗：實驗過程中，教師應著重培養學生嚴謹認真、實事求是的科學態度以及持之以恒的毅力。教師需要引導學生仔細觀察溫度計示數的變化以及在不同溫度和時刻下物質狀態的轉變，并要求學生每半分鐘記錄一次數據。^［5］此外，教師還需提醒學生在探究冰的熔化實驗時，應從溫度計上的溫度下降到趨于穩定時開始計時，在實驗過程中適時攪拌，以確保熱量均勻傳遞到所有冰塊。

數據處理：學生將數據記錄在表格中，并繪制溫度隨時間變化的圖像。運用軟件，學生將數據實時傳輸到電腦中，通過屏幕終端展示。

設計意圖：通過教學活動，讓學生體驗科學探究的全過程，旨在培養學生嚴謹認真、實事求是的科學態度以及團隊合作的意識，并使學生初步具備獲取科學證據的能力。

3.3 解釋

在科學論證階段，通過點陣筆技術平臺的“對比講評”功能，教師展示兩組“探究冰的熔化特點”數據和圖像（見表3、圖3、表4、圖4），引導學生思考溫度和狀態隨時間的變化規律。

再結合教師提前做的冰熔化實驗視頻和0℃時不同時刻的冰的狀態（見圖5），讓學生明確“冰的熔化過程”——冰熔化時吸收熱量但溫度不變，發生變化的只是它的狀態，由固態變成液態。最后，教師引導學生對比冰和燭蠟的數據和圖像進行以下分析：你的猜想是否正確？物質在熔化前、熔化時、熔化后，溫度是如何變化的？吸熱還是放熱？不同物質的熔化過程中，溫度隨時間的變化規律是否相同？在歸納或演繹中，教師教會學生引用證據，引導學生養成使用證據的習慣。

針對第2組異常的數據和圖像，教師可對第2組同學進行設問：對比兩組數據，你們有什么發現？你們的結果和另一組的結果是不是相同？如果不同，怎樣解釋？教師可以通過事實告訴學生，由于錯過最佳時機，他們沒有采集到“冰熔化前，溫度上升”的數據。但教師可以通過倍速播放課前錄制的實驗視頻，彌補這一缺憾。

由于種種條件的限制，學生很難得到像教師給出的或者第1組這樣理想的曲線，但可以確定的是學生能得到冰在熔化時溫度不變的一條水平直線。課堂上可能有學生質疑第2組數據中第3 min時研究對象的溫度和狀態——“為什么固液共存狀態時，溫度上升為1℃？”教師需要引導學生反思：當時的實驗操作，有沒有可能在什么地方發生錯誤？進行論證的根據充分嗎？實驗結果可靠嗎？其實，這個實驗成功的關鍵是需要學生不停地、快速地攪拌碎冰。只有這樣，才能保證同一試管內物體各部分的溫度達到一致，近似達到瞬間溫度的平衡。否則，溫度計測量的溫度將僅代表其玻璃泡附近的一薄層晶體（液體）的溫度，而非整個系統的溫度。

設計意圖：通過分享與合作，以及對熔化圖像的分析，學生得以再次體會到應用圖像法描述物理過程的優越性，并在此過程中提升他們圖像分析能力和科學思維能力。

此外，“探究冰的熔化特點”實驗受到主、客觀因素的影響，實驗現象或效果可能不太理想，尤其是難以準確采集到“冰在熔化前溫度持續上升，而在熔化過程中溫度保持不變”的關鍵數據。在教學中，如果教師刻意回避異常數據，不尊重實驗事實，或者忽視證據的收集，并試圖將實驗數據或結論強加給學生，那么這樣的做法不僅無法充分發揮實驗應有的教育作用，反而會阻礙學生形成正確的科學態度。^［6］因此，為提高實驗成功率，凸顯科學事實，秉持實事求是的科學態度，實驗前，教師需要對實驗進行優化設計。實驗時，教師需要細心指導學生操作；實驗后，教師需要與學生一起嚴謹、認真、理性地分析數據，反思實驗過程。

3.4 交流

對探究過程和結果進行交流階段，教師引導學生運用“比較法”來描述這兩種物質熔化過程中的異同點。教師引導學生進行思考和討論，最后總結、歸納如表5所示。

歸納總結時，教師引導學生在分析圖像的過程中對固體進行分類，進而建構晶體和非晶體的物質模型。同時，教師引導學生對兩個熔化探究實驗進行提煉，即做此類實驗時，在物態變化過程中應關注“溫度”“狀態”“吸、放熱”，幫助學生建立物質觀念、能量觀念，形成科學本質觀。

4 結語

物理是一門以實驗為基礎的自然科學課程，實驗發揮著極其重要的作用。在本節課中，筆者通過搭建的情境支架和設置的環環相扣的問題串，引導學生經歷了模型建構、科學推理、科學論證以及質疑創新等思維加工過程，同時，他們也完整體驗了問題提出、證據收集、解釋形成及交流討論等科學探究的關鍵環節，最終將觀察到的事實或現象轉化為物理概念、規律等學科知識。隨著教學環節的逐步推進，學生腦海中隱性的物理觀念得以提煉和升華，追求科學本質的熱情被激發，嚴謹求真的科學態度逐漸養成，使命擔當和社會責任深入內心。教師應立足于科學探究，聚焦于科學思維，滲透物理觀念，落實科學態度與責任，發揮物理課程的育人價值，落實學生核心素養的培養。

參考文獻

［1］［2］［3］中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022：2-4，3，9．

［4］劉炳昇，李容.義務教育教科書 物理 八年級 上冊［M］.南京：江蘇鳳凰科學技術出版社，2023：39.

［5］劉玉靜.“熔化和凝固”說課稿［J］.物理通報，2013（8）：44-45，49.

［6］洪從兵.指向“科學態度與責任”培養的初中物理教學——以《熔化和凝固》一課為例［J］.教育研究與評論（中學教育教學），2022（7）：78-80．