整合创新实验提升核心素养

2019-12-20欧旭升汤金波

中学物理·初中 2019年11期

欧旭升汤金波

摘要：创新实验是提升学生物理学科核心素养的重要途径.在“探究焦耳定律”探究课上，通过整合三个创新实验“电池点火”“电子测温仪探究电热”和“铅笔芯灯泡”，让学生“体验电热”“探究电热”“应用电热”，优化课堂教学，提升学生的核心素养.

关键词：创新实验;物理;探究;焦耳定律;核心素养

文章编号：1008-4134（2019）22-0049 中圖分类号：G633.7 文献标识码：B

若把精彩的课堂比作项链，那创新实验就是镶嵌其中的钻石.纵观全国各类物理优质课，都是靠创新实验这颗璀璨的钻石绽放出耀眼的光芒，牢牢抓住了师生的眼球.特级教师汤金波老师说过，学生自主创新实验是未来物理教学的最优途径.然而个人视野有限，如果能集思广益，整合一些优秀的创新实验开展课堂教学，也是激发学生学习兴趣、促使学生主动探究学习、发展能力、提高学科核心素养、提高课堂效率的重要方法.本人在2018年广东省陈进文名师工作室骨干教师跟岗学习活动中所上“探究焦耳定律”一课，尝试整合优秀创新实验，让学生“体验电热”“探究电热”“应用电热”，促使学生动脑去想，动手去做，动口去说，让学生从感性认知逐渐升华到理性认知，锻炼了学生的综合能力.

1 电池点火引爆学习热情，引导学生形成科学观念

（投影野外求生）师问：火是在野外不可或缺的，如果没有带打火机或火柴，只有电池和口香糖的包装纸，怎样点火呢？

一学生举手说老师我知道，用包装纸使电池短路.

师：看来同学见多识广啊，请你上来给大家展示.

师：但短路非常危险啊，在点火前，我们应该做好哪些安全防护措施呢？

生：电池很烫，会烫到手.

在师生的建议下，这位同学戴上手套和护目镜.只见这位同学将锡箔纸剪成细长条，然后在中间再剪一个缺口，让锡箔纸只有中间一点相连，带上手套，将锡箔纸首尾与电池相连，不一会锡箔纸就着火了（如图1所示）.

师：锡箔纸着火，说明纸的温度是如何变化？

生：升高.

师：为什么纸的温度会升高，达到了着火点呢？

生：短路，有电流通过.

师：这说明导体中有电流通过会产生热，这就是电流的热效应.

【感悟与反思】情景与问题是体验的基础，体验是落实核心素养的保障.电池短路实验让学生惊讶之余点燃了学习热情，对电流的热效应有了感性认知，通过着火现象引导学生从物理视角思考问题：短路（电流大）、通过锡箔纸（锡是导体，有电阻）、过一会（时间）着火（发热），窄的地方（电阻大）这些直观现象自然而然地猜想出电热的影响因素有电流、电阻和通电时间，学生在参与中体验，在体验中感受，在感受中形成物理观念.

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行.用口香糖的包装锡箔纸短路电池着火，实验看似简单，做起来却困难重重，历时一个月，经过多次实验才取得较好效果.首先是锡箔纸的选择，刚开始试用一条口香糖的包装纸（如图2所示），中间裁窄，将5号电池短路，电池感觉发烫，但是包装纸一点反应都没有.后来查阅资料得知国内单条口香糖的包装纸含锡比较少，于是改为大包装盒的包装纸（如图3所示），剥掉外层的塑料薄膜（如图4所示）终于成功了.后来一位听课教师说，用香烟盒里面的锡箔纸比较好，笔者不断改进实验，结果屡试失败.其次是操作方法，锡箔纸中间细的地方（如图5所示）火苗太小，很快熄灭，将连接处剪为胡须状（如图6所示），着火的纸较多，燃烧效果更好.课堂上只有一位同学演示，如果全班同学课后都能自主完成这一创新实验，更能提升物理学科核心素养.

2 可逆测温贴片简化探究过程，拓展思维深度

师：刚才各个小组展示出来的电路图都是采用5Ω和10Ω电阻串联来探究电热.但电流产生的热量无法测量，如何判断那个电阻产生的热量多呢？摸，不可靠！对了，可以转化为可测量的量例如温度.

追问：能否直接放在电阻上测（如图7所示），不行，没有与被测物体充分接触.

生：我们可以将电阻浸没在液体中（如图8所示），根据Q电阻放=Q 液体吸=cmΔt，通过液体温度高低即可判断出谁产生的热量多.

师：很好，这种方法叫测温法，类似的有膨胀法（如图9所示），今天我们介绍一种新方法：变色法.这是55 ℃可逆型变色测温贴片，现在这种测温纸已经贴在电阻外壳上了（如图10所示）.当温度超过测温贴片的标定温度 55 ℃时，变色测温贴片立即由黑色变成红色，并在测温贴片上显示该处超过的温度值：55℃;冷却下来后，测温贴片又会恢复原来的黑色.我们可以通过测温贴片变成红色的快慢确定产生的热量.大家对比一下上面的三种方法，哪种更好呢？

生：变色法，前面两种操作起来比较麻烦.

师：下面我们就进行实验，“比一比，看谁红得快”

【感悟与反思】实验前让学生独自设计实验电路图，再由小组交流、讨论方案的可行性、然后展示，全体同学讨论评价方案是否合理、优缺点.通过对判断方法的改进优化，培养学生思维的求异性;注重对物理实验的比较分析，培养学生思维的类比性;注重对物理实验的探索探究，培养学生思维的深刻性;注重对物理实验的创新设计，培养学生思维的发散性.教材中探究焦耳定律的实验方案是在烧瓶内安装发热电阻，观察烧瓶内煤油加热后温度上升情况来反映电阻发热量大小.如果全班进行分组实验，需要器材繁杂，实验现象也不太明显，耗时太长，课堂推进缓慢.为节省实验时间，有些教师可能播放视频或者演示带过，学生印象不深刻.而采用低成本的可逆测温纸直接贴在发热电阻上观察变色快慢的方法改进分组实验后，操作简便，实验现象明显，大大缩短实验时间，让学生有更充足的时间进行对比、思考，不断拓展学生思维的深度.而且测温纸可以重复利用，便于重复实验.另外，本节课重点是探究电流热效应与电阻和电流的定性关系，为了减少电路的连接时间，笔者课前已经将部分电路连接好（如图11所示），学生只要按设计方案把电阻接上即可观察得出结论（如图12所示）.

3 电子测温仪实现定性到定量，提升探究能力

师：从上面“比一比，看谁红得快”的活动中，我们初步得出“电阻相同时，电流越大，导体产生的电热越多;电流相同时，电阻越大，导体产生的电热越多”两个结论，那到底是电阻还是电流对电热的影响作用更大呢？

生：我们可以让电流和电阻分别变为原来两倍，看谁产生的热量多？

师：用我们之前的实验能验证吗？

生：可以测谁先红的时间，但可能不够精确.

师：为了精确测量，我们采用这台温度传感器.（展示焦耳定律演示器），现在控制电流相同，通电相同时间后，我们发现Δt1∶Δt2=2℃∶1℃，根据Q电阻放=Q 液体吸=cmΔt说明产生的热量Q1∶Q2等于多少呢？

生：2∶1

师：电流产生的热量与电阻成什么比？

生：正比.

师：当电阻相同时，如何让电流变为原来的两倍呢？引导学生设计出图15的混联电路，通过多次实验的数据（如图16所示）发现Δt1∶Δt2=4∶1说明Q1∶Q2 =4∶1，从而得出电热与电流平方成正比的定量关系.为了更有说服力，我们还可以通过把多组实验数据输入Execl表格中通过图像呈现电热与电流平方的正比例关系（如图17所示）.

【感悟与反思】探究实验不是简单的培养学生的动手能力，也不是以单一获取知识的手段为目的，而是要考虑其在教学中的教育价值，充分发挥实验在培养学生“模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新”以及“基于证据得出结论并作出解释，对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思”的能力等方面的作用，这样才能在探究中提升学生的核心素养.初中阶段的学生思维活跃，但是跨度太大他们不容易接受，所以要遵循循序渐进的原则，引导学生采用比例、图像等方法从定性到定量来理解物理知识，提高探究能力.之前的学习对测温法和膨胀法有了初步认识，现在的电子测温仪也就容易接受，更直观地得出实验数据.当然用传统的气体膨胀法也可以探究出定量关系（如图18所示），串联电流相同时5Ω电阻对应液柱上升1格、2格、3格;10Ω電阻液柱对应上升2格、4格、6格，从而得出定量关系.但操作较繁琐，一是在塑料管中灌红色煤油比较麻烦.二是液体容易汽化，液面不平时又需重新调整，使用电子测温仪，测出的数据又快又准，更有说服力.

4 铅笔芯变身灯泡，学以致用，渗透科学态度和责任感

师：铅笔芯大家经常用，铅笔芯可不可以导电？

生：可以

师：可不可以发光？

生（异口同声）：不可以！

师：下面我们给铅笔芯通电试试？将鳄鱼夹夹住铅笔芯放进玻璃瓶内，接通八节电池（如图19所示），只见铅笔芯慢慢冒烟、发红、发光直至烧断.教室里发出一阵惊讶声.这其实就是灯泡的雏形，它是利用电流的热效应发光的.那我们现在灯泡里的灯丝是铅笔芯吗？

生：不是，熔点太低了，应该用钨丝.

师：对，据说爱迪生经过1600次的实验，才找到了合适的灯丝，给世界带来了光明！（掌声）我们也要学习发明家这种坚韧不拔、勇于探索的精神，这样成功就离你不远了.

【感悟与反思】郝京华教授说过：“有时候，决定一个人行为的不是知识，而是情感态度与价值观.”在某种程度上，对学生进行科学的情感、态度、价值观方面的教育比传授科学知识更重要.铅笔芯变身灯泡实验，

不仅给学生带来震撼的视觉冲击，了解电流热效应的威力，更重要的是联系生活实际分析原理，活化规律应用，通过对比不断发现物品的缺陷，不断改进，重走科学家发明之路，领会其中艰辛，体验知识的力量，增强其强烈的社会责任感，树立科学的价值观.

在三个创新实验的串联下，“探究焦耳定律”一课让学生从感知活动——思维加工——理解应用，突显学生的主体地位，提升了学生的物理学科核心素养.教学中有了创新实验这颗钻石的衬托，课堂这条普通的项链才会更加珍贵，更加流光溢彩，令人流连忘返、印象深刻.

参考文献：