也谈物理规律教学的“学习进阶”

董友军 翟春城

摘要：学习是一个不断发展的过程。随着学习时间的增加，学生对某一学习主题的认识不断丰富和逐步深入，即“学习进阶”。强调“学习进阶”的物理规律教学，要明确“学习进阶”的起点和终点，规划“学习进阶”的台阶。根据物理规律的逻辑思路，得到物理规律教学的五级台阶：观察现象、提出问题、经历过程、提炼结论、迁移应用。

關键词：学习进阶物理规律核心素养《气体实验定律（Ⅰ）》

学习是一个不断发展的过程。随着学习时间的增加，学生对某一学习主题的认识不断丰富和逐步深入，即“学习进阶”。强调“学习进阶”的物理规律教学，可以使学生在原有认识的基础上，将大量零散的、碎片化的知识围绕物理规律整合内化，发展科学思维，形成物理观念，培养核心素养。下面，以粤教版高中物理选择性必修第三册《气体实验定律（Ⅰ）》一课为例，阐明如何在物理规律教学中强调“学习进阶”。

一、明确“学习进阶”的起点与终点

“学习进阶”的起点就是新知识在原有知识基础上的生长点。物理规律教学“学习进阶”的起点可以根据学生已有的知识结构和认知能力来确定。学习《气体实验定律（Ⅰ）》一课前，学生已有的知识包括：会求被水银柱封闭在玻璃管中的气体的压强;会用控制变量法研究三个物理量的关系;会用列表法、图像法处理实验数据;会用坐标变换法把反比关系的曲线变换成正比关系的直线。认知心理学指出，这一年龄段（高二）的学生不但具有较强的抽象思维，而且能够严密地逻辑推理，对出乎意料的物理现象有较强的好奇心，并乐意设计实验，探究现象本质，总结规律。这就是学生已有的认知能力。

“学习进阶”的终点是指一段学习的目标。显然，这是一个相对的概念，某一段“学习进阶”的终点也许是另一段“学习进阶”的起点。我们认为，物理教学的短期目标是让学生掌握知识，而长远目标应该是发展学生的物理学科核心素养。分析《气体实验定律（Ⅰ）》一课知识内容，有机融入物理学科核心素养的培养，将本课“学习进阶”的终点确定为：学生参与实验，观察实验现象，分析实验原因，明确气体的状态由温度、体积、压强三个参量决定，主要培养“物理观念”“科学态度”等核心素养;学生参与实验，经历科学探究过程，总结出玻意耳定律的内容，主要培养“科学思维”“科学探究”等核心素养;学生讨论、交流玻意耳定律的适用条件，总结出“等温过程模型”，主要培养“科学态度”“科学思维”等核心素养;学生总结出玻意耳定律的三种表达方式，并运用于习题和生活现象，主要培养“物理观念”“科学思维”“科学态度”等核心素养。

二、规划“学习进阶”的五级台阶

要达到“学习进阶”的终点，关键是要规划好从起点到终点的“台阶”。根据物理规律的逻辑思路，我们把物理规律教学划分为观察、问题、过程、结论、应用五个阶段，对应观察现象、提出问题、经历过程、提炼结论、迁移应用这五级台阶。

（一）观察现象

现象是物理规律的外在表现，观察是获得物理规律的重要方法。很多物理规律，就是对物理现象的本质提炼。因此，在教学物理规律时，教师应该想方设法，创设与规律关联的现象，让学生形成感性认识，激发学生探究物理规律的兴趣，进而培养学生主动学习的习惯。

课始，教师拿出事先准备好的空气压缩引火仪，请一名学生上台快速向下压活塞，当学生看到其中的小棉团被点燃时（如图1），顿时发出惊叹之声，探究情绪高涨。

（二）提出问题

问题是研究的方向，是研究物理规律的起点。在教学物理规律时，教师应尽量引导学生自己提出问题，从而培养学生提出问题的习惯和能力。

在学生观察了棉团燃烧的现象之后，教师引导学生首先分析现象背后的原因，接着根据要求创设新实验，定性分析，最后提出定量研究问题。具体教学过程如下：

师小棉团燃烧说明空气状态与哪些物理量有关？

生向下压活塞，用眼睛可以观察到管内空气体积减小;下压过程中，手受到的作用力越来越大，说明管内空气压强变大;小棉团燃烧，说明管内气体温度升高，因此空气状态与体积、压强、温度有关。

师日常生活中有很多现象说明，一定质量的气体的状态由压强、温度、体积决定。请问，我们可以用什么方法研究气体三个状态参量之间的关系？

生控制变量法。

师本节课，我们就来研究一定质量的气体，在控制温度不变时，其压强与体积满足的关系。（展示组装好的实验装置，如下页图2）老师已经组装好了实验器材。

（演示实验：缓慢向下压活塞，发现空气柱长度变短、气压计读数变大，即气体体积变小、压强变大;缓慢向上拉活塞，发现空气柱长度变长、气压计读数变小，即气体体积变大、压强变小。）

师通过这样的实验过程，我们可以提出什么物理问题？

生一定质量的气体，在温度不变时，其压强与体积成反比吗？

（三）经历过程

科学探究是物理学科核心素养的重要方面，而学生实验动手能力是科学探究的核心要素。学生的实验动手能力是通过经历实验过程培养出来的。

根据本节课的实验特点与教学条件，教师主要让学生经历控制实验条件、操作实验过程、记录实验数据、处理实验数据等过程。具体教学过程如下：

师为了保证气体的质量不变，老师已经在注射器内壁涂抹了润滑油，避免活塞滑动过程中漏气;为了保证气体的温度不变，要求大家缓慢移动活塞，且不要用手接触注射器封闭气体部分;为了精确地测量气体的压强，我们引进压强传感器和数据采集器，并借助计算机处理数据。

（学生实验：测量教室环境温度为16℃，在注射器20—60 mL范围内，以5 mL为间隔，记录对应状态下的压强，见表1。）

师（操作电脑，得到p-V拟合图像，见图3）请问一定质量的气体，在温度不变时，其压强与体积是什么关系？

生是反比关系。

师反比曲线是双曲线的一支。你们能够看出这条曲线是双曲线的其中一支吗？

生看不出来。不过，我们可以“化曲为直”，即先算出1V的数据，再用电脑画出p-1V的图像。

（学生算出1V，得到表2;再用电脑画出p -1V拟合图像，见图4。）

（四）提炼结论

准确的结论要从探究物理规律的过程中提炼。教师应鼓励学生先各自尝试总结结论，再通过相互交流、积极讨论，使结论不断修改完善。中学物理规律结论主要有三种表达方式：文字表达、公式表达、图像表达。教师可在教学中根据实际情况，引导学生经历各种表达方式，加深对规律的理解，提升认知的关联性和迁移性。

以下是本节课的核心结论——玻意耳定律的提炼过程：

师从图4可以看出，图像没有过原点，但很接近，推测这是由于实验误差造成的。若忽略实验误差影响，p-1V图像是一条过原点的直线，我们可以得到什么结论？

生p与1V成正比。

生p与V成反比。

生在气体温度不变时，p与V成反比。

生在气体质量、温度不变时，p与V成反比。

师在物理的发展过程中，最先总结出这个规律的是英国科学家玻意耳，因此我们也把这个规律叫作玻意耳定律。文字表达只适用于气体变化的定性分析，若要对气体变化进行定量分析，就需要把文字表达转化为公式表达，那如何用公式表达玻意耳定律？

生若设压强为p、体积为V，则公式为p=CV（C为常量）;若设初态时气体体积为V1、压强为p1，末态时气体体积为V2、压强为p2，则公式为p1V1=p2V2。

师（出示图5、图6）为了直观地显示两个物理量之间的关系，常采用坐标图像法表示玻意耳定律。回顾一下，玻意耳定律是在什么实验条件下总结出来的？

生气体的质量不变、温度不变。

师在物理中，一定质量的气体，在温度不变时，压强随体积变化的过程，叫作等温过程。等温过程是玻意耳定律成立的条件。

（五）迁移应用

迁移应用是深度学习的重要方式，它不但能激发学生的学习兴趣和求知欲望，引导学生勤于观察和积极思考，而且能让学生运用所学知识和方法去分析和解决问题，有利于培养学生运用物理知识解决实际问题的能力，激发创新精神，还能使学生真切体会到科学、技术、社会之间的相互联系与互动关系，为培养学生的物理观念、科学态度奠定坚实基础。

本节课，教师设计了“喷泉”实验和哈勃瓶吹气球实验，引导学生迁移运用所学。具体教学过程如下：

（学生根据下页图7、图8，组装好“喷泉”实验装置，并进行实验：向里推活塞和向外拉活塞，都可以看到“喷泉”。）

师为什么向里推活塞和向外拉活塞，都可以看到“喷泉”？

生向里推活塞，烧瓶内水面上方的空气温度不变，体积变小，根据玻意耳定律可知压强变大，从而把集气瓶内的水压出玻璃管，形成“喷泉”;向外拉活塞，烧瓶内的空气温度不变，体积变大，根据玻意耳定律可知压强变小，从而外面的大气压把水槽内的水压入集气瓶，形成“喷泉”。

（教师出示如图9所示的实验装置：哈勃瓶和气球。学生实验：第1次拔掉橡皮塞吹气球，很容易把气球吹大;第2次塞上橡皮塞吹气球，很难把气球吹大。）

师为什么拔掉橡皮塞很容易把气球吹大，而塞上橡皮塞很难把气球吹大？

生拔掉橡皮塞吹气球，哈勃瓶内的气体压强始终等于大气压强，吹气球时，气球内的压强变大，大于哈勃瓶内的大气压强，所以比较容易把气球吹大;塞上橡皮塞，哈勃瓶与气球形成封闭空间，其内的气体质量不变、温度不变，当向气球中吹气时，气球体积变大，则封闭空间的体积变小，根据玻意耳定律可知，封闭空间的压强变大，从而阻碍气球被吹大，所以塞上橡皮塞很难把气球吹大。

强调“学习进阶”的物理规律教学，不仅能促进学生对物理规律的深刻理解和灵活应用，也有利于培养学生的核心素养和关键能力。以上只是我们在教学实践中的一种积极探索，也希望未来能在更多的物理教学（如物理概念教学、物理方法教学等）中探索出新的“学习进阶”路径。

*本文系广东省教育科学“十三五”规划重点课题“基于物理核心素养导向的高中物理教学关键问题的实践研究”（编号：2017ZQJK038）的階段性研究成果。

参考文献：

[1] 林崇德.21世纪学生发展核心素养研究[M].北京：北京师范大学出版社，2016.

[2] 郭玉英，姚建欣.基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J].课程·教材·教法，2016（11）.

[3] 张勇，刘茂军，朱金铭，等.利用PASCO传感器探究气体等温变化规律[J].物理实验，2018（10）.