基于学习分析的初中物理研究性备课——以苏科版“机械能与内能的相互转化”为例

隗月玲 季卫新

(1. 江苏省南京市板桥中学,江苏 南京 210039;2. 江苏省南京市雨花台区教师发展中心,江苏 南京 210012)

1 引言

学习分析理论是近年来国际上逐渐兴起的以学习和教学为研究对象的分析与设计理论,这一理论基于大数据,运用数据统计、人工智能、信息可视化等技术获得海量信息,对学习者、学习内容、学习资源、学习方法等要素进行分析,确定备课基点,探究支持有效学习的因素、机制、模式。学习分析不仅可为学生自我评价、诊断与导向提供支持,也可为教师调整教学策略、进行个性化研究学习提供数据平台。结合物理教学现状,基于学习分析的备课可以优化初中物理教学模式,完善教学评价体系,提高物理教师备课的科学化水平,提升教师的专业素养。

研究性备课需要研究课标、教材,做到激活、改组和拓展教材，要研究学生的学习需求、资源和方式，研究师生互动,做到共同发展、教学相长，从而最大限度地优化教学模式,提高教学质量。笔者以苏科版物理教材中“机械能与内能的相互转化”的教学为例,探讨基于学习分析的研究性备课过程中遇到的问题及解决策略。

2 研究课标,明确教学内容

课程标准对“机械能与内能的相互转化”这一内容的要求是:(1) 知道做功的过程就是能量转化或转移的过程。(2) 了解热机的工作原理。知道内能的利用在人类社会发展史上的重要意义。

针对要求(1),本节课淡化“热传递改变内能”,将重点放在 “做功改变物体的内能”上,结合学生的学习实际,在处理本部分内容时,通过对固、液、气分别做功的实验,用电子温度计显示内能变化,认识到做功是改变物体内能的一种方式。

针对要求(2),自制简易内燃机模型,帮助学生构建热机模型。研究物理学史,体会科技发展对人类生活的影响。根据课程标准的要求及其解读,笔者拟将热值的内容放在第二课时进行，学习目标设定如下:

(1) 通过对固、液、气做功的实验,认识到做功是改变物体内能的一种方式。

(2) 通过燃烧的气体对瓶塞做功的实验,知道热机的工作原理。

(3) 借助自制内燃机模型,了解汽油机的基本结构及工作过程。

(4) 通过介绍“热机的发展历程”,了解内能的利用在人类社会发展中的重要意义。

3 研究教材, 优化实验资源

研究性备课要研究教材,做到激活、改组和拓展教材。物理教师在备课时,应在合理挖掘教材的同时,寻找其促进学生发展的因素,通过创新实验设计,优化实验资源,有效激发学生兴趣,培养学生的思维能力。

3.1 课题的引入

教材中引入了两幅图片：(1) 车高速行驶时,轮胎温度升得很快。(2) 燃料燃烧使汽车发动机工作的原理。笔者认为,该图片不能有效刺激学生感官,而演示实验的直观性和持续性一直是设计实验过程中所追求的目标, 设计一个能将内能持续转化为机械能的简易装置,能使更多的学生参与到实验观察的活动中来,对能量转化过程有更直观的体验。因此本节课在引入环节通过热机实物展示(如图1),让学生看到热机运转情况,以激发学生的兴趣。并且在新课结束后,再将热机实物拿出,要求学生应用所学知识说明其工作原理,对其发展史有进一步的了解,做到首尾呼应。

图1

3.2 做功——改变物体内能的另一种方式

教材中引入了两个活动:(1) 学生弯折铁丝,铁丝内能增大。(2) 教师演示空气压缩引火仪实验,引导学生思考、举例,得到做功可以改变物体内能的结论。通过分析教材,笔者将该探究活动改为三个,分别对铁丝(固体)、空气(气体)、水(液体)做功,观察其内能变化,将看似零散的实验巧妙结合在一起,让学生明白对固、液、气体均可做功, 有效拓展了学生的思维。

关于对空气做功,以往的实验是压缩空气引火,观察和分析火花产生的原因，得到结论,但实验过程时间短,成功率低,现象转瞬即逝，不易观察,而且部分学生对现象的理解有困难。因此,笔者将实验进行了改进，在空矿泉水瓶内加入温度传感器,利用打气筒通向瓶内打气(如图2),并利用希沃投屏软件观察温度变化,效果更直观,学生的理解更容易。

图2

关于对水做功实验,以往采用榨汁机快速搅拌水来演示。笔者考虑到该演示实验的局限性,且榨汁机要利用电能,部分学生会认为是电能转化为内能,对本节的学习产生一定干扰。因此,将该实验改为分组实验,学生自己动手,亲身经历,印象更深刻。在矿泉水瓶中放入温度传感器(如图3),学生戴隔热手套用力摇晃,持续一分钟, 水的温度可升高1℃,效果明显。

图3

对于气体对外做功实验，以往都是分析瓶口出现的“白气”,其现象并不明显,且学生对于瓶口“白气”成因的解释也较难理解。为此笔者增加一个实验，用打气筒向空矿泉水瓶里打气,在塞子冲出的一瞬间观察温度变化，实验时用手机拍摄视频,用希沃投屏软件慢动作播放,现象直观、明显。

3.3 自制简易热机,建构内燃机模型

教材用反复弯折铁丝、空气压缩引火的实验介绍做功可以改变物体的内能后,直接呈现点火爆炸实验,然后给出热机相关概念,并引入内燃机。前两个实验说明了机械能可转化为内能,对应内燃机的压缩冲程,后一个实验中是内能转化为机械能,对应做功冲程。问题是并非学生自主发现这些对应关系,他们对内燃机工作过程的理解并不容易。在呈现点火爆炸实验现象后,笔者利用自制简易热机模型,层层递进,引导学生知道：气体怎样进入气缸(安装进气口,活塞向下运动)？如何将气缸内气体预热,使其内能增大(进气口关闭,压缩气体,活塞向上运动)？如何让气体对活塞做功(安装火花塞,点燃燃气)？燃烧后的废气怎样处理(安装排气口)？如何避免活塞直线距离运动过长(利用旋转的曲轴带动连杆,实现活塞的连续循环往复)？在实验装置改进的基础上，最终建立内燃机的完整模型。这种建模方法更符合初中生的认知特点,学生能形象、具体地了解内燃机的构造和工作原理。

4 研究学生,创设问题情境

初中生虽然具有一定的实验操作能力、思维能力，但自主性不强,分析能力有限,因此教师要及时给予指导。在学习本节之前,学生已经学习了不同形式的能量,较易接受“热传递是改变物体内能的一种方式”,但难以理解“做功能改变物体内能”。如何让学生形成“转化”的观念,在强化物理观念的同时培养学生的科学思维能力？这就要引导学生从生活走向物理，而初中生的生活经验有限,教师需要利用各种手段引导，本节的教学以问题为主线,发挥问题的驱动作用,以激发学生的探索欲望,提升探究能力,具体设计如下。

问题1:桌上有一根铁丝,要改变其内能,你有哪些方法？什么现象能说明铁丝内能改变？

问题2:对铁丝做功,铁丝内能增大,若要得到对物体做功、物体内能增大的结论,我们还需要补充哪些实验?

问题3:对空气做功,空气内能能否改变?如何对空气做功，知道其内能发生了改变？

问题4:对水做功,水的内能能否改变?如何对水做功,知道其内能发生了改变？

问题5:机械能可以转化为内能,内能能否转化为机械能?

问题6:如何让燃气不断地对瓶盖做功,使瓶盖连续获得较大的机械能?

5 促进师生互动,优化评价方式

《义务教育物理课程标准(2011年版)》指出:“对学生的评价应从甄别式的评价转向发展性评价,既要关注学生的学习结果,更要关注他们的学习过程,既要关注学生学习的水平,更要关注他们在学习活动中所表现出来的情感与态度。”笔者备课时预测了每个教学环节对应的评价点及其标准(见表1),新课结束后,利用移动平台,对学习情况及时进行评价,同时也为学生的自我评价提供数据支持,为教师优化教学模式提供参考。

表1

6 研究物理学史,体验科技发展对人类生活的影响

从原始社会到18世纪,木柴作为取火燃料一直是最主要的能源。

从18世纪初开始,煤炭在西方国家逐渐代替木柴，1875年瓦特改进的蒸汽机使煤炭得到大规模使用,第一次工业革命得以更快地向纵深发展。

1859年第一口油井在美国宾夕法尼亚州打出,石油工业由此发端，19世纪末人们发明了以柴油和汽油为燃料的内燃机,汽车、飞机、内燃机车等的出现推进了人类社会的发展。随着社会突飞猛进的发展,常规能源—煤、石油、天然气将逐渐枯竭,环境污染也日趋严重,人类开始对核能、太阳能、海洋能、生物质能等的开发进行研究与利用。

热机的发展经历了蒸汽机、内燃机、喷气发动机和火箭等多个阶段,学生通过对物理学发展的回溯,体验科技发展对人类生活的影响,感受到每一次变革都推动了社会的进步,激发学生树立投身社会建设的愿望。

7 结语

基于学习分析的研究性备课,将物理核心素养的培养渗透于备课之中,充分体现课改理念,坚持以学生为中心,满足学生个性化学习需求, 有效培养学生的科学思维能力，提升课堂效率。

基于学习分析的研究性备课,将国际前沿的学习分析理论引入日常的备课活动,优化教学模式,调整教学策略,使备课建立在坚实的大数据基础上,更具有科学性和针对性,从而真正促进教师备课行为的规范和备课质量的提高,凸显“精准教、多元学、显性评”的教学主张,实现初中物理课堂“减负增效”的改革目标。