“三味”课堂:初中物理课堂转型的方向——以“机械能与内能的相互转化”一课为例

贲可敬

(江阴市夏港中学,江苏 江阴 214442)

物理学科的本质是以实验为基础,以思维为中心,以生活为本源,物理课堂要体现探究味、方法味和生活味,才能彰显物理学科育人价值,这也是课堂转型的方向．笔者以曾执教的江苏省“名师送培”示范课“机械能与内能的相互转化”为例,谈谈初中物理课堂如何突破教学的“表层化”现状,充分体现探究味、方法味和生活味．

1 有探究味的课堂

初中物理教学中,引导学生自主开展探究活动,可以有效激发学习动力,形成课堂活力,提升关键能力．

1.1 自由选择实验器材

教学过程中要创设机会,让学生根据实验目的自由选择器材,自行设计实验．课程标准要求进行学生实验时,应让学生在理解实验方案的前提下,自己选择实验器材,组合实验装置,自主进行实验．本课中设置了“使一根铁丝的内能增大”的学生活动,提供的器材非常丰富,如:热水、酒精灯、火柴、铁锤、砂纸、砂轮机、铁丝等,如图1所示．学生可以自由选择其中一种或多种器材进行探究活动,以达到活动目的．教师理应创设丰富的课程资源,尤其是实验资源,为学生的多样化学习提供选择支撑．

图1 使铁丝内能增大实验器材图

1.2 自行设计实验方案

本课尝试在某些实验中开放设计思路,事先只明确实验目的及评价指标,其他环节由学生自行设计,以此来训练学生的科学思维．如:研究汽油机的工作过程时,我们设计了观察汽油机一个工作循环,了解各冲程时气门打开、关闭情况,活塞运动方向及往复的次数,飞轮转动的圈数,对外做功的次数等实验目的,由学生自行设计方案进行研究．有些学生根据如图2所示教材图片的提示进行研究,也有的小组操作如图3所示汽油机模型进行研究,还有的借助如图4所示flash动画达到了实验目的．

图2 汽油机工作循环示意图

图3 汽油机模型图

图4 flash动画图

1.3 自主展示实验过程

展示与交流相当于探究活动的“增值评价”,以往的总结都是由教师“替”学生完成的．为了营造研究性学习的氛围,训练学生的语言组织和表达能力．本课由学生分组实验后先进行组内交流,进而推举代表展示实验过程,各组取长补短,改进和优化本组或他组的设计,得到更加科学合理的实验方案．自主展示活动还可激发学生的多元化视角、个性化思考,进而为学生在交流碰撞中提升创新能力提供鲜活的素材,学生的科学思维能力和辩证认识客观事物的能力得到加强．

2 有方法味的课堂

物理方法是学生离开学校,走向社会后仍然留存在脑海里的学习印迹,是学生终身受用的,为学生适应社会发展的必备能力．物理研究方法的广泛应用为研究、解决物理问题带来了很大的便利．课程标准要求让学生学习基本的科学方法,并能将这些方法应用到自己的生活中去．

2.1 模型建构

物理学描述的就是关于客观世界的模型,其基本思想方法是用模型来描述现实,用数学来表达模型,用实验来检验模型,用模型的规律来解决实际问题．模型建构是物理科学思维能力的一个重要维度,也是一种重要的科学思维方法,在培养学生的思维发展、解决问题能力方面起着至关重要的作用．[1]本课教师自制了电火花发生器实验装置,如图5所示,显性目的是为了表明不仅机械能可以转化成内能,内能也可以转化成机械能,可以起到“点题”的作用,即机械能与内能可以相互转化．同时,为引出热机的概念提供实验原理保障．其隐性目的是通过从实验向实践的延伸,构建汽油机的模型,为研究其工作过程做好铺垫．[2]具体过程如下.

图5 自制电火花发生器实验图

按动电火花发生器的按钮,盒盖获得机械能而弹出,生活中若能利用这一动力为人类服务则实际意义更大,比如用来推动车辆前进,为汽车提供动力．将盒盖换成一个活塞,点火装置更换为火花塞,如图6所示．每工作一次后,要添加燃料,打开盒盖不方便,可以在气缸一端的一侧开一小口以补充燃料,此小口即为进气门．燃料不可能完全燃烧,产生的废气要及时排出,在气缸一端的另一侧开一小口以排出废气,此小口即为排气门,如图7所示．为了能在恰当的时间打开或关闭进气门或排气门,可以通过两根弹簧达到要求,如图8所示．由于气缸的长度有限,活塞总是向同一方向运动,反复性无法得以保障,因此需要添加曲轴和连杆,以实现活塞向不同方向的往复运动,如图9所示．考虑连杆与曲轴运动时的安全性和整个装置的气密性,可以在原有装置底部加上一个外壳,最终得到汽油机气缸的原型,如图10所示．

图6

图7

图8

图9

图10

2.2 转换放大

物理实验过程中的很多现象不显见、不易见,需要通过转换放大显性化,为物理研究带来便利．有些物体内能增大,可以通过感官直接判断．如将铁丝放入热水中,将铁丝放在酒精灯火苗上烤,弯折铁丝,敲打铁丝,砂纸摩擦铁丝等,通过触觉感觉物体发热、发烫;如将铁丝放在砂轮机上摩擦,可以通过视觉判断物体内能增大,火花四溅就是最好的判断,如图11所示．如利用空气压缩引火仪进行实验时,压缩空气做功,空气内能增大,可以通过筒底的硝化棉燃烧,看到有火花出现间接判断．当然物体内能减小,也可以通过转换的思想来判断．比如:用打气筒通过橡皮管向玻璃瓶内打气,瓶塞弹起,可以通过瓶内水面上方出现白雾的现象来推断瓶内水面上方气体内能减小;电火花发生器点火时,盒盖弹出,盒内出现白烟也是转换的思想判断盒内酒精蒸气的内能减小．

图11 铁丝在砂轮机上摩擦示意图

2.3 迁移应用

迁移是学习真实发生的重要表征,应用则是检验学习成效的重要途径．迁移应用是学生在教学活动中对未来将要从事的社会实践的初步尝试,也是教学具有生活性的重要体现,更是物理学科特有的社会价值．[3]教学过程中学生分组实验时用打气筒向盛放少量水的玻璃瓶内打气,瓶塞弹起,同时瓶内水面上方出现白雾．此实验中的打气过程对应汽油机的压缩冲程,而瓶塞弹起的过程对应做功冲程．其中做功冲程的类比比较形象易见,但打气过程瓶内空气内能增加却无法体现．通过自制的压缩、做功冲程演示仪,如图12所示,能完全反映气体内能先增大后减小的过程．将灭火器顶部阀门旋开,倒出罐内残渣,清洗后晾干,旋紧阀门．在灭火器的顶部开一个孔,能放入数显式传感温度计即可．在灭火器底部开一个小孔,焊接上一个自行车的气门芯,在顶部喷管内塞入足量彩色碎纸片．用一个老式打气筒给灭火器罐打气,可以看到数显温度计的示数逐渐升高,用做功的方式使罐内空气内能增加的现象一目了然．停止打气,示数稍有上升,待示数稳定后,打开灭火器罐顶部的手柄,彩色碎纸喷射而出,十分壮观,同时看到数显温度计的示数逐渐下降．用此装置能较好地模拟汽油机的压缩和做功冲程,尤其能清晰地显示气体的内能大小变化情况．

图12 自制压缩、做功冲程演示器图

3 有生活味的课堂

初中物理教育理应激发并保持学生的学习兴趣,让学生通过学习和探索掌握物理学的基础知识与基本技能,并能将其运用于生活、生产实际,为以后的学习、工作和生活打下基础．

3.1 来源于生活

课程标准要求在学生建立概念和认识规律之后,应及时引导学生用掌握的知识来分析解决生活和社会中的实际问题,强化理论的应用意识．本课以“赛车急速漂移过弯”视频引入新课,如图13所示,以惊险刺激的视听觉冲击将学生从生活中带入课堂．随即出示两个与视频内容相关且与生活密切联系的图片及问题,如图14、图15所示,以此来引入教学课题,充分体现了物理源于生活、源于自然．

图13 赛车急速漂移过弯场景

图14 高速行车轮胎温度为何升高？

图15 燃料怎样使汽车发动机工作？

3.2 服务于生活

课中设计的学生活动,如何使一根铁丝的内能增大,既是为了引出做功这种改变物体内能的另一种方式的需要,更是从物理走向生活的学科价值体现．学生分组开展各种活动后进行展示,如将铁丝放入热水中,在酒精灯的火苗上烤,在同一处反复弯折,用砂纸来回搓,用铁锤击打,在砂轮机上摩擦等．这些实验方式都是生产、生活中人们使用的最普遍最常见的方法．电火花发生器点火实验将塑料盖冲出,到汽油机气缸模型的建立,从实验模型到生活原型,热机的大量使用正是物理学科发展的社会效能的充分体现．