深度挖掘演示实验资源精准整合科学探究策略

摘   要：“双减”政策要求，要优化教学方式，大力提升课堂教学质量。实验教学特别是演示实验教学，是中学物理课堂教学的重要组成部分。在传统的演示实验教学中，老師按照菜单式方式“按单抓药”，现象在预期中发生，实验结论在预设中得出，实验中没有新产生“意外”，师生缺少对新产生问题的探究分析。文章以“物体的内能”为例，深度挖掘教材中压缩空气增加内能的演示实验资源，精准开发设计热传递的演示实验，充分探究现象本质，注重科学思维的形成过程，加速学生核心素养的精准达成。

关键词：核心素养;科学探究;科学思维;物理实验;演示实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2022）4-0014-3

1    问题的提出

中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》（简称“双减”）指出，要优化教学方式，大力提升课堂教学质量。同时，《义务教育物理课程标准（2011年版）》明确指出，实验教学是物理教学的重要组成部分，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]。而演示实验可以大大提高初中物理课堂趣味，增强学生学习物理的好奇心，锻炼学生的科学思维，发展学生的物理核心素养。演示实验如何精准指向物理概念的建立和物理规律的形成？笔者以沪科版九年级物理“物体的内能”一节的两个演示实验教学为例[2]，探讨在科学探究中如何优化设计演示实验教学，提升学生的科学思维，培养学生的核心素养。

2    整合的策略

2.1    精准设计教材演示实验教学

以“空气被压缩，内能增加”演示实验教学为例。

2.1.1    教师的“痛”

教材提及，“在一个配有活塞的厚玻璃筒中放一小团硝化棉，迅速向下压活塞，硝化棉就燃烧起来。”如图1所示，很多老师在演示这个实验时很难成功，特别是部分青年老师演示时更难成功，有老师由于用力过猛导致仪器损坏，甚至有老师用拍打的方式推动活塞时手掌受伤。安全是任何实验的前提，实验中要杜绝师生受伤，尽量避免实验仪器损坏。

2.1.2    失败的“因”

压缩空气实验失败的原因有两方面：第一，动作不迅速，实际上压缩空气的时间稍长，玻璃筒就会向外界传递较多热量，玻璃筒内的空气升温慢，不容易让燃料达到燃点。第二，一次压缩失败后，很多老师反复压缩空气，其实次数越多玻璃筒内剩余的氧气越少，燃烧现象更难发生。

2.1.3    精准的“教”

（1）问题整合——问题导向，激发兴趣

在实验教学中，老师请学生思考三个问题：

第一，关于器材的选择。为何要用厚的玻璃筒作为实验器材？薄的玻璃筒是否可行？用不透明的金属筒能否替代玻璃筒？

第二，关于动作的要领。为何竖直向下压活塞？为何动作要迅速？

第三，关于燃烧的条件。为何使用硝化棉作为燃料？燃烧的条件是什么？能否用其他燃料替代硝化棉？燃烧现象会一直持续下去吗？

（2）学生整合——小组合作，建立关联

经过讨论，学生能感知到以下信息：

第一，玻璃筒透明，燃烧现象发出的光可以在玻璃中传播，便于实验观察，不能用不透明的金属筒替代玻璃筒。金属筒导热性能比玻璃筒强，压缩空气中容易散热。“厚”能承受更大的压强和压力，这是实验安全的需要。

第二，外力带动活塞向下运动，其目的是为了压缩气体，对气体做功。通过讨论，学生对“快速”的动作很感兴趣，这与学过的“时间”建立起关联，进一步对“玻璃筒向外界热传递少，压缩空气易升温，从而更加容易达到硝化棉的燃点”等知识达成共识。通过讨论和分享，让学生知道这个实验其实还与光学、力学有密切联系。

（3）动机整合——老师引领，强化动机

硝化棉具有高度可燃性和爆炸性，其危险程度根据硝化程度而定，含氮量在12.5%以上的硝化棉危险性极大，遇火即燃烧。在温度超过40 ℃时能加速其分解而自燃。受热逐渐分解而放出酸，降低着火点。当然，燃烧需要空气中的氧气。放入硝化棉时取下活塞，封闭活塞时就有氧气被封闭在玻璃筒内。老师继续追问学生，一旦发生燃烧现象，燃烧会持续进行下去吗？学生思考后都能得出自己的结论，并在交流中达成共识，由于玻璃筒内封闭的氧气较少，所以硝化棉燃烧现象持续时间短。老师继续介绍，这个实验其实可以用餐巾纸替代硝化棉，从而启发学生科学探究的好奇心和浓厚的兴趣。

（4）效果整合——安全演示，可视度高

为了让实验老师安全操作，同时保护实验器材，给出几点建议：

第一，将活塞的初态调整至距离玻璃筒底部1/3处，用一只手握住玻璃筒，从而固定玻璃筒的位置。注意，手握的位置应靠近玻璃筒上部，把底部附近的空间留出，有利于观察燃烧现象。

第二，演示平台适当在高处，可以将凳子或实物展示台放在讲台上增加高度。

第三，可将教室的灯光关掉，有条件的拉上窗帘。

第四，用手掌快速挤压推动活塞快速向下移动，或者用手掌打压活塞。

第五，失败后的应急措施，做好三个“及时”：及时补充氧气，及时更换硝化棉或者餐巾纸，及时添加黄油让气密性更好。

（5）技术整合——用好设备，增强效果

可用手机录下实验过程（图2），实验后进行回放，也可以利用手机上照相的“慢动作”摄像功能，把实验的燃烧过程拍成慢镜头，便于学生再次观察和分析。

2.2    精准开发设计演示实验教学

以“热传递”演示实验教学为例。

2.2.1    问题整合——提出问题，激发兴趣

热传递现象在生活中有很多实例，教材呈现的现象有“炉上的铁锅热得烫手”“太阳下的棉絮被晒得很暖和”等。这些现象都是来自于人的感受，而温度是表示物体冷热程度的物理量，但人的感受不能完全代替仪器的客观测量，这正是引入温度计测量温度的原因。怎样让学生在科学探究的实验中，通过科学思维建立热传递的科学概念？基于这一核心问题，笔者设计了如下演示实验。

2.2.2    资源整合——设计方案，科学探究

实验器材来源于生活，用蜡烛在钢锯条的不同位置滴上蜡烛液滴，蜡烛放热凝固，用酒精灯对钢锯条加热（图3），发现离蜡烛火焰越近的蜡烛小颗粒最先熔化，由于重力作用，液滴掉落下来。这说明物体的热传递是由高温部分传向低温部分的。但这个实验有明显的不足之处：第一，可视性相对较差，液滴较小，不易观察;第二，钢锯条是金属材料，表面积较大，散热较快，传热相对较慢;第三，由于表面张力作用，液滴下落较慢，所以现象不明显。

2.2.3    方案整合——优化改进，再次实验

为了保持较快的传热性，仍然选用金属材料;为了减少散热，就得减少散热面积，用铁丝替代钢锯条，同时用小的蜡块熔化底部后凝固在铁丝上，铁丝用铁架台的金属夹固定，让蜡块的间距几乎相等（图4）。这样就可以克服表面张力的作用，让受热底部熔化的蜡块在重力的作用下快速脱离铁丝而下落。实验现象是：离酒精灯火焰加热处近的蜡块先脱落，间距相等的蜡块从铁丝上脱落的时间间隔不等，最远处的蜡块在实验中没有脱落。

2.2.4    迁移整合——问题拓展，迁移提升

第一，从蜡块脱离铁丝下落的顺序离酒精灯由近及远，这说明什么现象呢？学生通过讨论，离酒精灯越远，温度越低，从而得出热传递的条件是存在温差。第二，从蜡块脱离铁丝下落的时间间隔为何由少到多，讨论后感悟到热传递需要时间。第三，尽管酒精灯一直加热，最远处的蜡块不易脱落，学生讨论后又能进一步感知到“热传递的快慢与散热有关”，从而深化了物理课堂的学习。学生最大的收获是，明白了热传递需要时间，高温的酒精灯灯焰给金属传热，金属的高温部分向低温部分传热，同时，金属还在向环境温度相对金属低的空气散热。

3    教学的反思

通过以上的演示实验教学，学生通过实验研究，能够建立起做功和热传递都可以改变内能的科学观念，形成科学思维，加速达成核心素养。笔者对演示实验精准整合反思如下。

3.1    精心设计演示方案，是开展科学探究的原点

建构主义学生观认为，学生是信息意义的主动构建者，学习并不是把知识从外界搬到记忆中，而是以已有的经验为基础，通过与外界的相互作用来构建新的理解[3]。而物理实验探究正是学生与外界相互作用构建新知识的过程，实验教学特别是演示实验教学，可以清除学生的前概念误区，规范学生科学知识的构建。演示实验教学中，提倡老师自制仪器[4]。物理教育家朱正元教授提出，制作的演示仪器要注意“简单、明了、尺寸够大”。“简单”可以省工省料，符合勤俭办学的方针;“明了”可以突出重点，避免物理现象繁杂，造成主次不分;“尺寸够大”能使全班学生都能看清，达到好的教学效果。

3.2    精准生成物理问題，是提升科学思维的支点

以问题驱动实验现象的观察与分析，是提升科学思维的必要手段，学生在实验过程中很容易失败，课堂自然就生成了问题，师生一起来寻找失败的原因，改进实验的方案，通过再次实验，学生实验动机更加强烈，学习策略更加科学、有效。同时，即便实验过程结束了，但实验中的现象可以进一步挖掘[5]，比如，“热传递”实验演示教学的最后，让学生拓展问题，分析出热传递需要时间，物体在受热的同时还在传热。

3.3    精彩对话过程评价，是达成核心素养的沸点

老师边讲边实验，边实验边讲解，有利于收集新的课堂实验证据，更好地对证据进行解释和分析，同时可以改进和优化实验方案，更好地交流与分享，关注过程评价。实现学生学习能力迁移，让习得经验通过科学思维加工促进学生核心素养的发展。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]义务教育物理课程标准实验教科书编写组.义务教育教科书物理九年级全一册[M].上海：上海科学技术出版社，2013.

[3]张大均.教育心理学第2版[M].北京：人民教育出版社，2011.

[4]李先全.实验驱动探究，分享回归课标——初三复习课引入自制“浮沉子”演示实验的教学反思[J].物理教学探讨，2016，34（12）：15-17.

[5]李先全.深挖教材习题资源，助推思维能力迁移——以“电流做功的快慢”的习题教学为例[J].中学物理教学参考，2017，46（3）：65-66，98.

（栏目编辑    赵保钢）