基于学科核心素养的课堂演示实验教学——以“气体的等温变化”教学为例

卞志荣 宋海峰

（江苏省天一中学，江苏 无锡 214101）

物理是一门以观察和实验为基础的学科.培养学生的学科核心素养需要有效的学习情境创设.物理实验在整个物理教学中起着其他教学内容和形式不可替代的作用.实验不仅能激发学生学习物理的兴趣，还能培养学生的观察能力、动手能力、逻辑思维能力、问题解决能力和创新能力，更能培养学生理论联系实际、严谨求实、积极探索的科学精神.在“气体的等温变化”教学时，我们依据课程标准和教学内容，细化核心素养目标，在课堂演示实验教学进行了积极有效的探索.

1 落实学科核心素养的实验情境创设

创设情境进行教学，对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用.物理概念的建立需要创设情境，物理规律的探究需要创设问题情境，应用物理知识解决具体问题应结合具体的实际情境.演示实验教学也是如此.

1.1 创设实验情境，让学生在质疑中产生探究欲望

英国科学家培根曾说过：“好奇心是孩子智慧的嫩芽，提问则是孩子求知欲发达的标志”.学生急待解决的新问题是最能激起学生的思维火花，激励学生主动去思维、探索和创新.为此，我们在引入环节创设了对比实验情境，引发认知冲突和疑问.

情境实验1.吹气球比赛.

教师课前把同规格的两个气球套在硬塑料管上并用细线扎紧，便于学生吹气，然后分别置于两个同规格透明的矿泉水瓶中，其中一个瓶与大气始终相通，另一个用蜡封口，与大气不相通（如图1）.

图1

让大男生吹封口的气球，小女生吹不封口的气球，看谁吹得快，吹得大（如图2）.演示结果明显地看到男生的气球吹得比女生的小且很费力.此时学生觉得不可思议，甚至有男生迫不及待地说：他不行，让我来，兴致冲冲地上台比试，结果还是不敌小女生.学生在愤悱之时转入新课“气体的等温变化”的探究学习之中.

图2

1.2 创设实验情境，让学生在感受中构建概念

为了寻找表示气体的状态参量，传统教法是提出问题：描述质点的运动状态需要用速度、加速度、时间、位移等，现在要描述气体的状态是否也用这些物理量呢？然后教师直接告知学生，表示气体状态参量是：体积、温度、压强.这样的灌输式教学既省时又省力，但对学生来说，缺少了概念形成的过程感性认识和研究问题的抽象思维经历，学生只能处于识记层面，不知道为什么要用这些物理量来表示气体的状态.基于传统教法的不足，我们结合2017版新课标要求，创设了系列实验情境，让学生在实验探究明白为什么要用体积、温度、压强等参量来表示气体的状态.

情境实验2.吹气论道.

如图3，让学生到台前将气球吹大，学生觉得越吹越吃力，为什么呢？让学生在“玩中学”，在“趣中思”.

图3

引导得出：气体的压强与气体的质量有关.

情境实验3.“康复”瘪球.

教师手拿踩瘪的黄色大乒乓球（增加可视度），请问谁有办法能尽快让它鼓起来？有学生说用笔套慢慢擀使其一点一点恢复；更多的学生说放到热水中（如图4）.让学生在解决问题中“探”.

图4

引导得出：气体的压强与温度有关.

情境实验4.“压扁”气体.

让甲同学手拿自行车打气筒并吸进一定量空气后，让乙同学堵住进气口不让漏气，再让甲同学下压活塞，体验打气过程（如图5）.学生解释向下越压越费力，以致于压不动.

图5

引导得出：气体质量一定，温度不变，压强与体积有关.

师生总结：气体具有一定的质量、体积、温度、压强等，对于一定质量的气体我们可以用体积、温度、压强来表示气体的状态（板书：一、气体的状态参量）.

为了让学生定性了解气体状态量之间的联系，自然过渡到实验探究寻找变化规律，我们设计了以下驱动性问题：

问题1.一定质量的气体，体积越小，压强一定越大吗？（不一定，还与温度有关）

问题2.一定质量的气体，压强不仅与体积有关，还与温度有关，那么到底有什么具体关系？

下面我们研究“质量一定的气体，在温度不变的情况下，压强随体积变化的规律”（板书：二、气体的等温变化）.

1.3 创设实验情境，让学生在探究未知规律中，体验实验思想和研究方法

物理核心素养导向的教学要求教师为学生创设需要解决的真实问题情境，让学生运用所学的知识和方法，设计实验方案，自主开展研究活动.

情境实验5.用带压强计的注射器，探究等温变化规律.

问题1.实验中怎么保持气体质量一定？（用橡皮套堵住进气口；用润滑油涂抹活塞，防止漏气）

问题2.实验中怎么保持气体温度不变？（缓慢推拉活塞；不要用手握着注射器）

问题3.怎么改变气体压强？（上拉活塞气体体积增大，下推活塞气体体积减小）

问题4.实验中要记录哪些数据？（读出气体体积和对应气体压强计示数）

至此，通过上述问题的解决，设计出了课本第18页的实验装置（如图6所示）.

图6

问题5.怎么寻找气体压强与体积的定量关系？（观察法：体积大，压强小；猜想：反比关系；图像法：p-V图，p-1／V图）

疑问1：好像反比关系有点勉强，是压根儿反比关系就不成立呢？还是实验测量误差较大而引起呢？在学生疑惑之时，教师展示更加精确的实验仪器.

情境实验6.用DIS实验系统，探究气体等温变化规律——玻意耳定律.

用DIS实验系统中的压强传感器可以较准确测量气体压强，实验装置连接如图7所示，让两位学生走上讲台进行合作实验，一位同学缓慢拉活塞，读出气体体积，另一位同学在电脑上记录数据（如表1中）.

图7

表1

利用计算机拟合p-V图是一条曲线（如图8），因不便于确定压强与体积的关系，利用“化曲为直”的思想拟合p-1／V图（如图9）可以明显看到p-1／V图像是一条不过原点直线，只能说明一定质量的气体，在温度不变的情况下，压强随体积减小而均匀增大，但不成反比.

图8

图9

疑问2：图线不过原点，是实验误差造成？还是一定质量的气体，温度不变时，气体压强与体积本身就不成反比呢？

引导：基于证据大胆质疑，培养实事求是的科学态度和分析解决问题的能力.基于学生初次接触对气体的实验研究，且高二学生对实验误差的分析素养尚待提高，教师要设疑启思，降低台阶.

探究：教师举高实验装置，让大家仔细观察并提问：实验研究的气体是否就是注射器筒中气体？并让几个学生走上讲台近距离仔细观察.

问题发现：注射器前连接针头的部分（叫乳头），乳头与压强传感器连接的软管有一定的体积，其中存有气体.

疑问3：图线不过原点是否就是这微小体积影响所致呢？

修正：把实验测得的气体体积加上连接软管中的气体体积（测得此型号的注射器乳头及连接软管的总容积为1.5 mL）

气体体积修正后数据如表2.

表2

利用计算机再次拟合p-V图和p-1／V图如图10、11.

图10

图11

实验结论：一定质量的气体，在温度不变的情况下，压强与体积成反比.人们把这一规律叫玻意耳定律（板书：三、玻意耳定律）.

从以上可以看到，学生经历了实验设计、实验测量、数据分析、寻找规律、发现问题、质疑改进、分析修正等科学研究过程，体会到了科学研究方法和实事求是的科学态度.

学以致用：能用玻意耳定律解释夏天为什么容易爆胎？

2 课堂核心素养目标落实反思

教学目标是课堂教学的出发点，也是归宿.课堂教学目标的设计直接关系到课堂教学的方向和定位.教学目标的有效达成度直接影响着课堂教学效率和质量的提高，影响着学生知识和方法的掌握，影响着学生核心素养的提升.一堂好的课，必须面向全体学生，使每个学生主动地得到全面发展.2017版课程标准明确要求必须把培养物理学科核心素养作为物理教学的重要目标，将“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”等物理学科核心素养的培养落实于教学活动中.审视本节课流程和细节，不难发现核心素养培养目标落实情况如下（表3）.

可以说，这节课的演示实验教学，设计立足于学生生活、实施立足全体学生、目标立足于学生发展，充分体现了“学生主体，教师主导”的理念，教学效果较好.

3 结语

物理学是一门实验科学，利用实验创设探究学习情境不仅是必要的而且是行之有效的好方法.良好的实验情境应该具备以下特点：基于生活实际，接近真实情境；引起认知冲突，激发积极思维；适合学生水平，符合最近发展区要求；紧扣教学内容，突出教学重点；具有形象性、具体性、探究性和可感知性.体现核心素养的课堂教学设计必须把核心素养培养作为教学设计的主目标并将其融合于教学各个环节之中.实施物理核心素养导向的教学，必须创设鲜活、真实的学习情境.教师应根据教材内容，积极创设学生熟知的、形象直观的实验情境，激发学生求知、探究欲望，为新课的开展注入动力.同时在实验探究中引导学生理解科学思想和方法，培养科学思维习惯，增强科学探究能力和解决实际问题的能力，逐步形成科学的态度和正确的价值观，最终落实物理核心素养的提升.

表3