指向科学思维培育的初中物理实验教学问题设计——以“液化”为例

黄树清 卢 倩

(1. 福建师范大学物理与能源学院,福建 福州 350000; 2. 厦门市第五中学,福建 厦门 361000)

在初中物理教学中,实验是重要组成部分,实验教学是落实物理课程目标,全面提高学生科学素养的重要途径.[1]2017年高中新课标指出,物理课程的任务旨在落实立德树人根本任务,进一步提升学生的物理学科核心素养.[2]这对初中物理实验教学也提出了更高的要求.在初中物理教学中,应优化实验教学问题设计,提升学生科学思维培育,促进学科核心素养的落地.笔者以参加全国教学实验说课比赛一等奖的实验教学设计为例,探讨实验教学中问题设计的优化.

1 研究教学主体,明确问题起点

学生是学习的主体,教的行为、学的行为都应围绕发展学生个性需要和社会需求而开展.因此,实验教学设计的首要任务是研究学情,明确问题起点.问题设置要基于最近发展区,即根据学生的现有水平和通过学习可以达到的水平进行问题设置.首先应厘清学生的知识能力基础,学生已经掌握的知识不教,学生容易掌握的自学,学生不易掌握的运用问题驱动进行突破.其次应厘清学生的发展需求,学生迫切需要发展的重点教,学生认为困难的运用一定的教学手段教.

在沪科版初中物理教材中,“液化”是9年级上学期的学习内容.学生已经学完了分子动理论、熔化、凝固和汽化,初步掌握了研究物态变化的方法,奠定了研究液化的知识基础.液化的概念、现象的辨别等学生能够很容易地通过生活经历掌握,可以作为课前自学内容.在思维能力9年级学生已掌握一定的科学探究方法,但科学思维的发展仍需要教师指导.因此,这节课教师的问题应围绕如何引导学生在观察、设计实验的基础上,发展对比、分析、评价等高阶思维而设计.

2 根据实验环节,设计问题主线

在进行实验教学问题设计前,应先根据教学目标设计实验内容、实验器材以及实验中蕴含的思维方法,然后确定问题主线.

例如,“液化”是物态变化中重要的一环.课程标准要求“通过实验探究物态变化过程.能用水的三态变化解释自然界中的一些水循环现象.”其中液化放热的特点对于学生比较抽象,而教材中仅以“液化是汽化的相反过程”作为说明,缺乏实验辅助学生理解,因此应设计实验对此进行突破,符合初中生认识客观世界的特点.

本节课实验教学环节制定，如表1所示.

表1

根据教学环节,本节课的问题主线设置为:首先通过问题促进学生重视观察现象,辨识事实;其次通过比较分析促进学生理解现象背后的物理本质;然后通过问题解决促进学生发散思维;最后通过设计实验进行推理论证,促使学生综合运用实验和理论验证,建立对比分析的思维模型.通过问题主线的设置使探究从观察到设计逐步深入,思维从低阶到高阶逐步发展.

3 优化问题设计,培育科学思维

3.1 经历真实情境,引发自主提问

观察是思维的基础.在初中物理教学中,应还原给与学生一个生活的真实情境.在经历真实情境中,学生往往能够更加积极自信地观察现象,教师可以不必包办代替,让学生根据自己的知识和能力基础基于观察进行主动思考并提出问题.

图1

在本节课中,将“电磁炉烧水”这一生活中的情境“搬入”课堂.学生利用电磁炉烧水,直到沸腾并观察壶口处的现象.(如图1)教师提醒学生,可以用手电筒照射,便于观察;并且不可距离太近,应注意安全.

学生观察到有白气,提出问题:“白气是水蒸气吗”，“白气是如何形成的呢”等问题.经过讨论,学生分析,水蒸气是看不见的,白气是水蒸气遇冷凝结的小水珠.学生还总结得出气体可以变成液体,从而知道液化概念,并举例自然中和生活中的各种液化现象.

在真实场景中,根据观察现象引发认知冲突,根据冲突步步深入地思考,学生得以自己消除前概念,建立新的概念.在此过程中主动经历提问、辨别、分析和归纳等思维过程,发展了分析、归纳思维.

3.2 基于深入观察,形成问题猜想

学生在实验的过程中,观察不一定足够深入.教师应引导学生有方法、有顺序的进行观察,否则提出的问题将浮于表面,无法深入科学本质.更全面的观察使学生得以更加深入的思考.

在“电磁炉烧水”实验中,部分学生还观察到,白气不是紧挨壶嘴,而是出现在离壶嘴一段距离的地方.教师引导学生进行深入观察和讨论并猜想,“液化有条件吗”，“液化条件是气体温度降到足够低吗”等问题.

为了验证猜想,学生利用两只不锈钢汤匙、酒精灯及火柴,设计方案验证液化的条件:在一只汤匙上哈气,出现小水珠;将汤匙在酒精灯上稍稍加热后再哈气,没有小水珠.学生进行对比分析,水蒸气喷到稍稍加热过的汤匙,温度不能降到足够低,不会液化;喷到未加热过的汤匙上,温度可以降到足够低而液化,自主合作验证了猜想.

教师肯定并且引导学生归纳出对比的实验方法,并指出这是一种重要的科学思维.

在教师引导下,学生在情境中更加深入地观察与思考、对自己提出的猜想进行验证,获得正确结论并作出解释.在设计实验的过程中,并不是所有学生都能具备对比思想,因此,应给予足够的时间,让学生深入探讨、展示自己的想法.学生在实验中感受科学方法与思想在科学探究中的作用,思维得以提升.

3.3 适度开放问题,培养发散思维

教师在利用问题引导学生实验的过程中,应丰富问题的种类,兼顾问题的开放性,以促进学生思维的发散性.

例如,关于液化的方法,教师事先准备好一针筒乙醚气体(要进行密封处理,以保证安全性),一盆冰水和铁架台.提问学生能否使用多种方法使乙醚气体液化?根据学生的想法,教师进行操作:可以推进针筒活塞,可以将针筒浸没在冰水中,也可以将针筒放入冰水中同时推进针筒活塞.(如图2)学生自主总结出,液化的方法有:降低温度、压缩体积和两者兼用.

图2

学生已经通过实验了解了水蒸气的液化,再通过乙醚液化再次直观经历液化过程,认识物态变化只是物质的状态发生变化导致体积变化,但总质量(物质的多少)不变.增强对物态变化本质的认识.

在初中物理教学中,问题的形式可以是多种多样的.在实验教学中,开放型的问题往往指向实验环境的优化、实验器材的选择、实验方案的设计和实验方法的运用.适度开放的问题能够全面发展学生解决问题的能力和发散的思维.

3.4 追问引发质疑,提炼思维方法

当实验教学过程中学生遇到质疑时,教师应鼓励质疑并适时追问,由此进行原有实验的改进或者创新,发展解决问题的能力和创新思维.

例如,在本节课中学生已学过汽化,不难猜想液化是放热的.教师追问:为什么大家认为液化是放热的?学生的主要有以下一些观点.

学生观点1:液化与汽化是相反的过程,因此是放热的.

学生观点2:因为水蒸气在汤匙上液化,汤匙变得烫手,所以液化是放热的.

学生观点3:反驳观点2.因为水蒸气的温度本就比汤匙高,这个实验不能说明液化放热.

基于学生的观点,可以看出学生对液化是否放热是存在疑惑的.应鼓励持观点3的大胆质疑的学生.学生在“汤匙验证液化条件”的实验中经历了一次对比分析,讨论出可以将一只汤匙放入沸水中,另一只相同的汤匙放入沸水产生的水蒸气中,对比汤匙末温以验证液化是否放热.

教师认同学生的设计思路,但由于这样的水蒸气温度过高,为了保证安全,运用自制教具液化演示仪来演示.液化演示仪由家用电磁壶改装而成(如图3),接通电源就可加热壶里的水直至沸腾,水面上方就产生了水蒸气.水壶装有两根导管,侧壁的导管可以导出沸水,上方的导管可以导出与沸水等温的水蒸气.底座上架着两支试管,用针筒分别装入等温、等量染成红色的冷水.[3]

图3 液化演示仪

待水沸腾后,在左试管中通入沸水,使液面到达蓝色刻度处.在右试管中通入与沸水等温的水蒸气.用玻璃棒搅拌均匀后,分别用数显温度计测出水的末温.(如图4)学生惊讶地发现右试管中水的末温竟然与左试管温度差大于30 ℃.学生推理分析:两试管中原来装有等质量、等温的冷水.后向左试管中通入沸水,将沸水直接与冷水混合.向右试管中通入与左试管等温而质量更少的水蒸气,水蒸气在液化成沸水的同时与冷水混合,多了一个液化过程.如果液化不放热,左试管中水的末温应该更高;然而结果却是右试管中水的末温高出许多.证明液化是放热的.

图4

教师总结,这里又一次用到了对比论证的思维方法.这个方法可以用于日后的其他研究中.

在学生遇到问题和形成质疑的时候,便是提升思维能力、培养创新思维的时候.在科学探究中,教师应抓住机遇,鼓励质疑精神,通过追问引导学生在质疑中形成思考,大胆创新,设计实验,进行论证.在论证的过程中,学生往往能提炼科学方法,形成探究模型,培养创新能力,发展思维水平.

4 总结

物理是一门以实验为基础的学科.科学素养的培育与实验教学息息相关,在教学中应注重实验教学问题的设计.首先应把实验和生活结合起来,用生活中的实验现象启迪学学生主动提问;其次应通过更加深入的观察,形成新的思考和问题猜想;再次应适度开放问题,培养发散思维;最后应鼓励质疑精神,大胆创新实验,培育创新意识,将科学方法进行提炼,切实提升初中学生科学思维水平.