在物理课堂教学中实现深度学习的思考

［摘 要］2014年，国家将全面深化课程改革作为新时代落实立德树人根本任务的标志性工程，并把培养学生核心素养作为基础教育课程改革的新目标追求。深度学习是我国全面深化课程改革、落实核心素养的重要途径。因此，如何在物理课堂教学中实现学生的深度学习，成为物理教师亟待解决的一个核心问题。文章结合“气体的等温变化”一课具体阐述如何在物理课堂中实现学生的深度学习。

［关键词］深度学习；物理课堂教学；等温变化

［中图分类号］ G633.7 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-6058（2024）26-0045-04

在近期的高二年级教学研训活动中，笔者观摩了两节关于“气体的等温变化”的新授课。其中一节是教学展示活动中的观摩课，另一节是市级青年教师的公开课。笔者全程参与，认真听课，并做了详细记录。结合专家的点评和深度学习的理论思考，笔者对这两节课产生了一些个人的心得体会。

以下是这两节课的教学简录：

第一节课：

【任务1】表述气体状态的变化。

问题情境引入：

师：同学们请看，（展示上升气球的动图）对于气球中的气体，我们应该怎样描述它的状态？在气球上升的过程中，压强、体积、温度等物理量发生了什么样的变化？你们能提供哪些证据来支持你们的观点？

学生活动：以小组讨论的形式，将结论记录在学案上。其中一个小组展示了他们的分析证据：m→，V↑，p↓，T↑，即质量（m）保持不变，体积（V）增大，压强（p）减小，温度（T）升高。这个结论是由生活经验和地理学科知识推出的。

师：接下来，我们再看另一个例子。（展示图片）老师家新买的汽车，在闲置了两个月之后轮胎变瘪了。汽车轮胎里的气体发生了什么变化？你判断的依据是什么？

学生活动：继续以小组讨论的形式进行活动，并将结论记录在学案上。另一个小组展示并分析证据：m↓，V↓，p↓，T→，即质量（m）减小，体积（V）减小，压强（[p]）减小，温度（T）保持不变。这个结论是结合生活经验推导出来的。（用时至6分30秒）

【任务2】选择与确定实验器材。

师：我们能否从物理规律的角度来探究气体的状态？今天，我们就先来讨论质量和温度一定时，压强与体积的关系。我们把这种变化称为气体的等温变化。

学生活动：以小组讨论的形式分析思考问题，并设计实验方案。随后，他们将实验装置图画在学案中。

三个小组分别进行展示分析。第一组：连接注射器和气球，利用封闭系统保证气体质量m不变。拉动活塞可以改变气体的压强和体积，但无法直接获取压强的具体数值。第二组：在装置中，注射器前方装有密闭塞，这样可以确保气体质量m不变。为了保证温度T不变，将整个装置放在恒温箱中。通过拉动活塞可根据移动的格数读出气体的体积，然而仍无法直接获取压强的具体数值。第三组：在注射器前方装有密闭塞，可保证气体质量m不变。为了保证温度T不变，取整个装置放在恒温水槽中，拉动活塞，可通过移动的格数读出体积。连接一个压强计可读取并记录压强的变化。

师生继续讨论，改进、简化实验装置。教室中的温度计在45分钟内示数不变，对此可认为教室是一个巨大的恒温箱，可保证温度[T]不变。

师：在操作过程中有什么注意事项？

学生讨论交流，教师总结：实验操作时手不要碰到针筒部分，且要缓慢拉动活塞。

学生活动：去除实验器材保护罩，观察与自己设计的装置是否相同，并注意以下特殊之处：压强有具体的读数可以直接读出，而体积则是通过单位刻度来估量的，同时练习读数。（用时至22分50秒）

【任务3】进行实验探究。

实验操作：在温度一定的情况下，测量一定质量的气体的体积V与压强p的数值，填写表格，画出相应的图像。（用时至35分15秒）

展示两个小组的结果并分析：一组画出了p-V图像，是一条曲线。学生观察到这条曲线的形状与反比例函数图像相似，但某些特征不够明显，他们对此并不确定。另一组则画出了[p-1V]图像，但图线并未过原点。（用时至37分10秒）

【任务四】进行实验误差分析。

师：[p-1V]图像与纵轴的交点表示什么含义？

生1：表示体积无穷大时还有压强。

师：理论上图线是过原点的，那么[p-1V]图像不过原点是什么原因呢？

生2：可能是读数有误差，温度仍有变化，存在系统误差。

教师使用了更精密的器材，即传感器，学生配合读数，再次实验。

师：此时，我们已经基本排除了读数误差，且温度显示也未发生变化，但图像仍未过原点。仔细观察实验装置发现，针尖部分存在一些气体，对这些气体体积进行补偿后发现，图像果然更加接近原点。因此，可以认为在误差允许的范围内，进行气体体积补偿后的[p-1V]图像将过原点，即[p]与[V]成反比。

教师活动：板书[p∝1V]，[pV=C]或者[p1V1=p2V2]。（用时至43分48秒）

【任务五】得出实验结论。

师：一定质量的某种气体，在温度不变时其压强[p]与体积[V]成正比。这一结论是由英国科学家玻意耳和法国科学家马略特各自独立发现的，因此这一定律被称为玻意耳定律，也叫玻马定律。

师：大家是否有过这样的体验：一个打足气的足球，在放置半个小时后会变得柔软？这可能受其他一些因素的影响，比如温度。我们将在下节课继续探讨温度与压强之间的关系。

（下课铃响，教师宣布下课。用时至45分20秒）

第二节课：

小实验引入：在两个塑料瓶中各放入一个相同的气球，然后让两名学生比赛吹气球。令人惊奇的事情发生了：肺活量大的男同学无法将气球吹起，而肺活量小的女同学却能够轻松吹起气球。这究竟是为什么呢？这节课，我们一起来探索这个秘密。

【任务1】表述气体状态的变化。

知识点：气体的等温变化

师：节日庆典活动中放飞了很多气球（图片展示），你知道描述气球内的气体的物理量有哪些吗？

生1：质量，压强，体积，温度。

师：若要讨论它们之间的关系，应采用什么方法？

生2：控制变量法。

师：很好。下面我们控制质量和温度不变，研究压强与体积之间的关系。

【任务2】选择与确定实验器材。

师：请回答以下问题，并讨论设计实验方案。

（1）如何保持质量不变？

（2）怎样让体积既容易改变又容易测量？

（3）如何测量气体的压强？你能想到什么仪器？

（4）如何保持温度不变？

学生回答：（1）将气体封闭在容器里，可使质量保持不变；（2）使用活塞可让体积既容易改变又容易测量。如注射器，既容易改变气体体积又容易测量气体体积。（3）用压强计。（4）放在一个[T]不变的环境里。

【任务3】进行实验探究。

师：请大家利用课桌上的实验仪器（如图1），在温度一定的情况下，测量一定质量的气体的体积与压强 数值，并根据实验结果画出你认为合理的图像。

学生通过充分实验，填写设计好的表格。大部分学生画出了[p-V]图像，同时利用Excel表格输入数据，进行数据分析，并尝试拟合出[p-1V]图像。

师：[p-1V]图像是否过原点？它应该过原点吗？它现在不过原点的原因是什么？

【任务4】分析实验误差。

师：实验中存在哪些误差？我们应如何改进？

学生回答：（1）漏气。使用密闭性更好的活塞；涂润滑剂。（2）读数有误差。通过多次测量减小误差。（3）温度变化。手不触摸针筒部分并缓慢拉动活塞。（4）初始体积不能读出。

教师测出针筒的初始体积为0.8 mL，在进行体积补偿后再次画出[p-1V]图像，这一图像更加接近原点。

【任务5】总结与讨论。

玻意耳定律：在温度不变的情况下，一定质量的某种气体的压强[p]与体积[V]成反比。

板书玻意耳定律：[p∝1V]，[pV=C]，[p1V1=p2V2]。

科学史：玻意耳定律有时又称为玻马定律，它由玻意耳和马略特在互不知情的情况下先后发现。

拓展阅读：引导学生阅读了解罗伯特·玻意耳的生平简介以及他如何发现气体体积与压强之间的反比关系，使他们体会到科学家坚持不懈、勤奋探索自然规律的崇高精神。

（任务1至任务5用时共25分钟）

【任务6】拓展应用。

师：（图片展示）在一个恒温池中，一串串气泡由池底慢慢升到水面。气泡在上升的过程中，体积怎么变化？你能用所学知识解释吗？

生3：由[pV=C]，可知p↓，V↑。

课前引入实验揭秘：在本次实验中，女同学和男同学拿到的塑料瓶有所不同。男同学拿到的塑料瓶是密封的，当他们吹气球时，由于瓶内气体体积减小，压强随之增大，因此难以吹起气球。而女同学拿到的塑料瓶开有小孔，这使得瓶内气体压强始终等于大气压，所以她能轻松吹起气球。

教师出示以下思考题，引导学生深入思考。

[思考题1]如图2所示，一竖直放置、开口向上的足够长的粗细均匀的试管，用长度为5 cm的水银柱将一定质量的气体封闭在管内。当气体的热力学温度为300 K时，气柱长15 cm，大气压强恒为75 cmHg。现把试管顺时针缓慢旋转至水平，假设该过程中气体的温度不变，求管内气柱的长度。

学生分析，教师板书：[p1=75 cmHg+5 cmHg=80 cmHg]，[p2=75 cmHg ]，由[p1V1=p2V2]得[L2=16 cm ]。

[思考题2]如图3所示，某种自动洗衣机进水时，与洗衣缸相连的细管中会封闭一定质量的空气，通过压力传感器感知管中的空气压力，从而控制进水量。设温度不变，洗衣缸内水位升高。思考：细管中被封闭的空气体积和压强如何变化？

学生自主讨论分析：体积减小，压强增大。

教师先展示实际按压式桶装水装置，然后给出思考题3。

[思考题3]已知桶装水内部气体的压强等于大气压强。上方的气囊直径为6 cm，高为8 cm，桶内空气的体积约为232π cm3。当人完全压下气囊1次时，桶内气体的压强增大到原来的多少倍？（不考虑温度的变化，空气质量一定）

学生分析，教师板书：[V1=V0+V=πd22h+232π cm3=304π cm3]，[V2=V=232π cm3]，由[p1V1=p2V2]得[p2=3829p1≈1.31p1]。

教师通过视频展示塑料瓶模拟“炸肺”现象，说明潜泳为什么必须缓慢上浮。

（任务6用时15分钟）

（下课铃响，教师简单总结，宣布下课）

深度学习这一概念最初由瑞典哥德堡大学教授马飞龙和罗杰·赛里欧在1976年于《学习的本质区别：结果和过程》一书中提出。研究表明，深度学习相较于浅层学习，能够促使学生更为主动地探索基本原理，深刻理解知识间的内在联系，有助于知识结构的构建，及提升学生的批判性思维能力和实际应用能力。在当今这个信息爆炸的第四次工业革命时代，AI技术和元宇宙等新兴技术正逐步赶超人类智能。传统的“知识工人”角色已逐渐淡出历史舞台，取而代之的是超越机器的“智能创造者”。这一世界形势的大改变对未来人才的素养提出了新的要求，而深度学习正是信息时代教育改革的必然选择。为了应对这一挑战，我国全面深化课程改革，提出培育学生核心素养的目标追求，“深度学习”应运而生。

两节课在如何引导学生进行深度学习方面提供了宝贵的经验：

一、选择合理的情境素材进行链接

在学生面对陌生、复杂的问题时，能够创造性地分析问题并整合资源，形成解决问题的思路，是深度学习所追求的目标。这种目标的实现离不开合理的情境素材。第一节课通过动图展示节日庆典上逐渐升空的气球，有效链接学生的生活实际，让学生直观感受到气体压强、体积与温度三个状态参量之间的密切关系。第二节课则通过对比小实验，迅速激发学生的学习兴趣，引发学生的认知冲突。学生亲自参与实验，丰富了感官体验。第二节课任务6“拓展应用”中所设置的几个思考题均与实际生活密切关联，如洗衣机、按压式桶装水、潜水活动等情境，让学生面对问题时产生“亲切感”和“代入感”。教师应当帮助学生实现知识的有效迁移，使学生在习题练习的过程中不仅掌握物理知识的应用方法，还能对生活中的各类现象给出更加科学的解释，从而实现自身综合素养的显著提升。为达到这一目的，所设置的情境广泛链接了生产生活、科技前沿、思想道德教育等多个方面。这些情境内容的呈现方式也多种多样，包括图片、视频、历史材料、实验等，或者是这些形式的融合。然而，值得注意的是情境创设的初衷是引导学生解决具体问题并创生新意义，因此我们必须避免使用简单情境、错误情境以及缺乏真实性的情境。

二、通过学生辨析讨论让思维外显

两节课中，每当一个问题被提出后，都确保给学生留下了充足的思考时间。教师交错使用了“有答即评”的快反馈策略和“延迟判断”以让思维外显的策略，特别关注学生思路和方法的形成。这样做，真正有效提升了学生的学习力。以第一节课为例，在设计等温变化实验装置时，教师事先用保护罩将已有器材封闭起来，而不是直接展示给学生看或让他们直接使用。学生则采用小组讨论的形式，各自形成设计方案。随后，学生描述自己的思维过程、设计方法以及存在的问题和改进的方法。在此过程中，教师没有给任何一组同学指出错误，而是组织学生进行深入的交流讨论，最终共同归结出解决问题的一般思路和方法。在课堂上，当学生持有不同意见和想法时，教师应给予他们机会进行表达，使他们的思维得以外显，同时让他们进一步辨析和讨论。学生讨论的过程本质上是再思考、再创造的过程，是互相启迪的过程，这一过程扩充了思维容量，加大了思维深度，提升了学生的思维品质。

三、设计挑战性问题促进深度互动

两节课不约而同地设计了逐层递进的学习任务，促使学生与任务、教师、同学进行深度互动。这些任务围绕“气体的等温变化”这一核心展开，从表述气体状态的变化到选择与确定实验器材，再到进行实验探究、进行误差分析、得出实验结论，逐步引导学生提出问题、分析问题、提出方案、实践检验、沟通交流并最终解决问题。在任务的完成过程中，教师适时质疑或引导学生质疑，促使学生多角度、深层次思考，完善设计方案并拓展思路。学生之间的讨论激发了思维碰撞的火花，他们在相互倾听、争论辨析中开阔思路，逐步形成了批判性思维和创新思维。

综上所述，深度学习是师生共同经历的一场智慧之旅，它不仅仅是将“满堂灌”变为“满堂问”，而是通过链接合理的情境素材，让学生在解答挑战性问题的过程中外显思维，不断解决问题和创生意义，最终实现培养学生核心素养的目标。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 刘月霞，郭华.深度学习：走向核心素养：理论普及读本[M].北京：教育科学出版社，2018.

[2] 苏文翊.物理模型教学在高三物理复习中的实践研究[J].数理天地（高中版），2023（22）：57-59.

（责任编辑 黄春香）