探索物理教学中核心素养常态化生长的关键路径①——以“机械能与内能的相互转化”教学为例

姜栋强

(江苏省南通市海门区中小学教师研修中心,江苏 南通 226100)

常态化的物理课堂如何成为核心素养生长课堂,这一问题在教学实践中不时会困扰教师。还是原来那些熟悉的物理概念和规律,还是原来的施教者,有很多课堂设计看起来往往都大同小异,如何把学生核心素养的生长变成新常态,需要我们关注重点环节,探索关键路径。

核心素养生长的一些重点环节可能是我们以前不怎么重视的教学细节,核心素养生长的关键路径需要教师用心观察、探索,需要花一些精力,在“同”中求“小异”。“小”是因为不需要教师花费大量的时间和精力去准备,不一定要设计“高大上”的实验和活动,而是在细节上不断优化。“异”是突出智和妙,利用不同的问题、不同的情境还原学生思维生长的历程。笔者以“机械能与内能的相互转化”教学为例,优化细节,就“小”求“异”,探索物理教学中核心素养常态化生长的关键路径。

1 在“看”的细节中扎根情智,生发核心素养

在常态物理教学中教师都会创设一定的情境,一般是演示实验、生活现象的呈现等,主要指向兴趣的激发和思维的启迪。笔者在这节课的导入中没有采用“汽车高速行驶后轮胎温度会升得很高”和“燃料燃烧使汽车发动机工作”的图片,因为这种图片资源略显单薄,对学生的兴趣激发和思维启迪缺少震撼力度,也没有采用“赛车飞驰漂移冒烟”视频,虽然这个视频中的“冒烟”效果直指本节课的学习主题,但是“冒烟”的背后存在“危险驾驶”的误导或诱导。本课采用以下两种途径来导入。

(1) 课前循环播放我国“神舟号”回收舱定点着落视频。提前做好视频剪辑,并配上激昂的背景音乐,重点突出“中国元素”“摩擦起火”“国防教育”“展望未来”四个方面,无需太多讲解。学生在观看过程中,最直接的感受就是回收舱着落过程中与大气摩擦起火,而这个感受直接与今天的主题密切相关,而且其他三个方面会隐性渗透强国自豪感、边防战士使命感、航天梦想等。

(2) 在课堂开始,教师呈现如图1所示的斯特林蒸汽小汽车,点燃外置的酒精灯,汽车很快就在讲台上运动起来。结合实物和电脑屏幕上的实物投屏,学生感受到两个细节：一个是酒精燃烧,另一个是汽车动了起来。此时,教师借助学生实实在在观察到的现象提出问题：汽车为什么会动起来?这个导入取代了单调的图片导入,引发学生基于观察的思考,也为后续学习埋下了“同”中求“异”的伏笔。“同”是开启了本节课学习的核心知识“内能转化为机械”的应用,即热机,“异”是这是一款“外燃机”,这个差异可以引发学生将其与“内燃机”进行对比,引发思考：如何提高效率、增大动力?

图1

每节课的情境导入都要追求趣味性和教育性(图2)。趣味性是要迎合学生的兴趣点,集奇、妙、趣、智等为一体,对接学生的思维点和本节课的核心概念,并引领学生的思考,而这一切都是为了助推科学探究活动的开展。教育性是导入内容本身能很好地彰显本课的教育价值,同时更能引发学生对导入内容的观察、思考、猜想等,以物理学科的魅力驱动学生学习、思考,同时能自然融入本节课所蕴含的“科学态度与价值”元素。

图2

2 在“试”的细节中获得体验,促进核心素养的成长

物理学是一门以实验为基础的自然科学课程,实验的主体是学生。[1]为此,在初中物理教学中,我们要尽可能让学生体验实验的过程,无论是演示实验还是分组实验,学生只有经历了实验的过程,才能感受实验操作背后的缘由,也只有切实体验了实验的成功与失败,学生才能深刻理解实验的价值与意义。在这节课中,空气压缩引火仪有其特殊的价值与意义,这种价值来自于我们对装置的内涵价值的挖掘与引导,在“空气压缩引火仪”的实验中,我们采用了以“失败”代替“成功”的曲折方式。

将空气压缩引火仪分发给每组学生,引导学生参照教材要求进行实验,并提示学生注意实验安全。这个实验通常会呈现三种结果：第一种结果是没有出现预期现象,这部分学生没有认真阅读操作说明,没有明白到底该怎么操作、注意什么。第二种结果如图3甲所示,大部分学生得到了“冒烟”的效果,给学生的感觉就是温度升高了,内能增加了。第三种结果如图3乙所示,由少部分学生做成,这个现象非常震撼,会激活学生的学习热情。为此,教师请得到第三种结果的学生带着器材上来再次实验,并请学生介绍成功的心得,而学生的心得会锁定下列关键词：速度要快、用力要猛、底座要稳。由此达成了两个教学效果：(1) 呈现了“机械能可以转化为内能”的实证;(2) 使学生认识到：机械能越大,转化的内能也越大。

图3

但是,学生拿着原来的器材上台演示时,成功的概率很低,给学生一种“失败”的感觉,而这种失败却是一种珍贵的教学资源。为了让每位学生经历这种“败中求进”的体验,在不断改进中感悟技巧,并为后续的改进“内燃机”的设计作铺垫,我们结合具体的慢动作和问题,让学生寻求失败背后的原因,需要关注以下细节。

细节1：压缩仪内由于前期的点燃,氧气浓度降低,如果没有将活塞拔出的话,很难让小棉絮再次点燃。

问题1：压缩活塞是为了获得什么能?

此时结合学生的回答生成板书：“压缩”,学生知道要获得内能,必须先提供机械能,为后续的压缩冲程服务。

问题2：刚才能够压缩点燃小棉絮,为什么现在不能点燃了呢?小棉絮燃烧除了要达到着火点外,还需要消耗什么?该怎么操作才能让缺失的氧气得到补充呢?

此时结合学生的回答生成板书：“吸气”,学生知道此时的吸气是为了吸收氧气,为后续的吸气冲程服务。

细节2：上台展示的学生再次实验时没有达到图3乙的效果,于是将活塞移至上端后继续反复按压,这种按压并没有吸入新的氧气,而是产生了很多的尾气,尾气没有排出,导致氧气严重不足,成功概率更低。

问题1：反复按压能让氧气进来吗?但是按压时都冒烟了,说明燃烧不充分,怎样才能让生成的尾气排出呢?

此时,结合这一细节和学生的回答,生成板书：“排气”,为后续的排气冲程打下了铺垫,学生也知道这是排出了废气。

问题2：你现在知道怎么改进实验操作细节了吗?再试一试。

细节3：凡士林一方面有防止漏气的作用,另一方面还有润滑的效果,学生初次遇到,不知道它的作用。

问题3：加了凡士林后,同学们在实验时,有什么感受?你觉得为什么会这样?在工作的过程中,加了凡士林不仅让活塞运动顺畅,还有什么好处?

这对后续“热机”发展历程中的相关讨论起到铺垫的作用,一方面是密封的重要性,另一方面也感受到“润滑效果”,将提升热机的动力,减少能量损耗。

科学探究和科学思维是物理学科核心素养的两个重要方面,若没有深入的科学探究,就不可能促进科学思维的充分生长,然而,如果没有科学思维的充分生长,也不能保证科学探究的有效开展。

3 在“做”的细节中拓展思维,提升核心素养

“做中学”不仅仅是单纯做,还需要动脑,并在不同维度、不同细节上优化、改进,只有通过“做中学”,学生才能收获新的认知和生长。为此,本节课深入回归了“做的细节”。

3.1 做中思

在空矿泉水瓶中喷入少量酒精,盖上盖子用力扭挤,快速旋开瓶盖(图4)。将实验与问题结合,挖掘其中的“细节”价值,请学生结合实验思考如下问题。

图4

(1) 为什么瓶盖能飞出去,它的机械能来自于哪里?

(2) 瓶盖飞出去时,瓶内出现了什么现象?为什么会有这样的现象?你能想办法去证明吗?

(3) 要想让瓶盖飞得更远,你有什么好办法?

通过以上3个问题的解决,一是帮助学生建构“内能”可以转化为“机械能”的认知。二是学生发现瓶内有“白气”,通过分析提出猜想：气体对外做功,内能减小、温度降低。引发学生的再次分析和思考,想法验证这个猜想。三是思考获得更大的机械能的途径,一方面引导学生认识到：内能越多,获得的机械能也越多。

3.2 做中比

在上面一个环节问题讨论的基础上,教师给学生留足 “做”的空间和时间,并启发学生的进一步思考。

3.2.1 让瓶盖飞得更远

(1) 以用力“按压”的形式来获取更多的内能,并迅速旋开瓶盖。

(2) 利用加热的方式来获取更多的内能(图5)。

图5

(3) 采用点火爆炸实验(图6)。

图6

通过“做”和“比”,学生发现图5和图6所示实验中橡皮塞和盖子飞得更远,而且在图6所示实验中只需要少量酒精即可产生非常震撼的效果,为后续的内燃机再次作铺垫。另一方面的对比是图6和图4所示实验中都出现了“白气”,两者是否都证明了“气体对外做功,内能减小”,导致温度降低而产生了液化现象呢?可继续做实验予以验证。

3.2.2 验证“对外做功,内能减小”

为了检验“气体对外做功,内能减小”的猜想,关键在于检验温度是否降低。此时引导学生设计实验,并把自己的想法表达出来,促进学生发散性思维、创新思维的发展。有学生想到用温度传感器来记录温度变化,在交流的基础上,教师采用如图7所示的气体对外做功演示仪进行演示,当压缩气体时,温度明显升高,而在活塞飞出去的瞬间,温度迅速降低。

图7

3.3 做中融

学生在课堂上生成的质疑是宝贵的教学资源,需要教师充分引导和激活,以促进学生科学思维能力的提升。结合图4和图5所示的两个相似实验,在瓶盖(橡皮塞)飞出的瞬间,都出现了白气,教师追问学生：“白气”的出现能说明内能减小吗?结合图7所示的实验,通过对比,学生发现图5中的“白气”是水沸腾产生的水蒸气遇冷液化形成的,而不是由于热蒸气对外做功使温度降低。学生只有经历了实验操作、观察对比、分析论证才能真正达成知识与技能的融通,才能激发思维的活力。[2]

3.4 做中通

结合前面的一系列活动,此时教师可以用问题链激发学生思考,并逐渐完善板书。

问题1：如果要获得持续不断的机械能,服务于生活生产的话,你能从刚才的实验中找到什么灵感呢?

学生回答：需要压缩气体(图4甲),点燃里面的燃料(图6)。

教师用投影呈现图8甲。

图8

问题2：燃料和气体怎么进去呢?燃烧后的废气如何处理?

生：像空气压缩引火仪一样,需要有一个口进气和加入燃料,还要有一个口来排气,最好还要加两个门来控制“口”的开和关。

教师用投影呈现图8乙。

问题3：要使这样的装置提供持续的动力,要将活塞一直往下推吗?该怎么改进?

生：可以往复地推,需要加一个曲轴和连杆来带动活塞的往复运动。

教师用投影呈现图8丙。

问题4：考虑到连杆与曲轴运动时的安全性和整个装置的气密性,[3]我们还需要对图8 丙进行怎么样的完善?

生：可以在图丙的装置底部加上密封的外壳。

教师用投影呈现图8丁,最终完成如图9所示的总结板书。

图9

成功固然值得庆幸与自豪,但是成功背后的艰辛和智慧需要每位向往成功的学生去“重温”,感慨成功背后的付出,也以此激发他们的求知欲、求胜欲。在这节课的教学中,学生经历了多次的失败,而正是这些失败使学生感悟良多。

笔者请学生阅读“热机的发展历程”,并思考：如何让热机提供更强大的动力?对接前面所有活动的细节,比如,获取更大的内能、减小摩擦、提高效率等,使学生逐渐形成能量观念。

中国元素、中国力量是我们这一节课的落地点,在教学的最后,笔者再次介绍中国航天成就,既展示中国航天领先世界的光辉一面,也呈现光辉背后经历的艰辛与失败,以反映中华儿女的智慧与勤劳。此时,学生感受到的不仅是自豪,还有榜样的力量、自己责任的重大。

4 结语

常态课的教学也许是大同小异的,同的是流程和内容,异的却是教师用心、用智设计的“细节”,这些细节可激活学生的思维,提升他们的思维品质,服务于学生关键能力的提升、必备品格的健全、价值观念的形成,让学生拥有走得更远的能力。