董友軍 翟春城

摘要：學(xué)習(xí)是一個(gè)不斷發(fā)展的過程。隨著學(xué)習(xí)時(shí)間的增加，學(xué)生對(duì)某一學(xué)習(xí)主題的認(rèn)識(shí)不斷豐富和逐步深入，即“學(xué)習(xí)進(jìn)階”。強(qiáng)調(diào)“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的物理規(guī)律教學(xué)，要明確“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的起點(diǎn)和終點(diǎn)，規(guī)劃“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的臺(tái)階。根據(jù)物理規(guī)律的邏輯思路，得到物理規(guī)律教學(xué)的五級(jí)臺(tái)階：觀察現(xiàn)象、提出問題、經(jīng)歷過程、提煉結(jié)論、遷移應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階物理規(guī)律核心素養(yǎng)《氣體實(shí)驗(yàn)定律（Ⅰ）》

學(xué)習(xí)是一個(gè)不斷發(fā)展的過程。隨著學(xué)習(xí)時(shí)間的增加，學(xué)生對(duì)某一學(xué)習(xí)主題的認(rèn)識(shí)不斷豐富和逐步深入，即“學(xué)習(xí)進(jìn)階”。強(qiáng)調(diào)“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的物理規(guī)律教學(xué)，可以使學(xué)生在原有認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，將大量零散的、碎片化的知識(shí)圍繞物理規(guī)律整合內(nèi)化，發(fā)展科學(xué)思維，形成物理觀念，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。下面，以粵教版高中物理選擇性必修第三冊(cè)《氣體實(shí)驗(yàn)定律（Ⅰ）》一課為例，闡明如何在物理規(guī)律教學(xué)中強(qiáng)調(diào)“學(xué)習(xí)進(jìn)階”。

一、明確“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的起點(diǎn)與終點(diǎn)

“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的起點(diǎn)就是新知識(shí)在原有知識(shí)基礎(chǔ)上的生長(zhǎng)點(diǎn)。物理規(guī)律教學(xué)“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的起點(diǎn)可以根據(jù)學(xué)生已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)和認(rèn)知能力來確定。學(xué)習(xí)《氣體實(shí)驗(yàn)定律（Ⅰ）》一課前，學(xué)生已有的知識(shí)包括：會(huì)求被水銀柱封閉在玻璃管中的氣體的壓強(qiáng);會(huì)用控制變量法研究三個(gè)物理量的關(guān)系;會(huì)用列表法、圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);會(huì)用坐標(biāo)變換法把反比關(guān)系的曲線變換成正比關(guān)系的直線。認(rèn)知心理學(xué)指出，這一年齡段（高二）的學(xué)生不但具有較強(qiáng)的抽象思維，而且能夠嚴(yán)密地邏輯推理，對(duì)出乎意料的物理現(xiàn)象有較強(qiáng)的好奇心，并樂意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究現(xiàn)象本質(zhì)，總結(jié)規(guī)律。這就是學(xué)生已有的認(rèn)知能力。

“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的終點(diǎn)是指一段學(xué)習(xí)的目標(biāo)。顯然，這是一個(gè)相對(duì)的概念，某一段“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的終點(diǎn)也許是另一段“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的起點(diǎn)。我們認(rèn)為，物理教學(xué)的短期目標(biāo)是讓學(xué)生掌握知識(shí)，而長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)應(yīng)該是發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。分析《氣體實(shí)驗(yàn)定律（Ⅰ）》一課知識(shí)內(nèi)容，有機(jī)融入物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，將本課“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的終點(diǎn)確定為：學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)原因，明確氣體的狀態(tài)由溫度、體積、壓強(qiáng)三個(gè)參量決定，主要培養(yǎng)“物理觀念”“科學(xué)態(tài)度”等核心素養(yǎng);學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷科學(xué)探究過程，總結(jié)出玻意耳定律的內(nèi)容，主要培養(yǎng)“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”等核心素養(yǎng);學(xué)生討論、交流玻意耳定律的適用條件，總結(jié)出“等溫過程模型”，主要培養(yǎng)“科學(xué)態(tài)度”“科學(xué)思維”等核心素養(yǎng);學(xué)生總結(jié)出玻意耳定律的三種表達(dá)方式，并運(yùn)用于習(xí)題和生活現(xiàn)象，主要培養(yǎng)“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)態(tài)度”等核心素養(yǎng)。

二、規(guī)劃“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的五級(jí)臺(tái)階

要達(dá)到“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的終點(diǎn)，關(guān)鍵是要規(guī)劃好從起點(diǎn)到終點(diǎn)的“臺(tái)階”。根據(jù)物理規(guī)律的邏輯思路，我們把物理規(guī)律教學(xué)劃分為觀察、問題、過程、結(jié)論、應(yīng)用五個(gè)階段，對(duì)應(yīng)觀察現(xiàn)象、提出問題、經(jīng)歷過程、提煉結(jié)論、遷移應(yīng)用這五級(jí)臺(tái)階。

（一）觀察現(xiàn)象

現(xiàn)象是物理規(guī)律的外在表現(xiàn)，觀察是獲得物理規(guī)律的重要方法。很多物理規(guī)律，就是對(duì)物理現(xiàn)象的本質(zhì)提煉。因此，在教學(xué)物理規(guī)律時(shí)，教師應(yīng)該想方設(shè)法，創(chuàng)設(shè)與規(guī)律關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象，讓學(xué)生形成感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生探究物理規(guī)律的興趣，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

課始，教師拿出事先準(zhǔn)備好的空氣壓縮引火儀，請(qǐng)一名學(xué)生上臺(tái)快速向下壓活塞，當(dāng)學(xué)生看到其中的小棉團(tuán)被點(diǎn)燃時(shí)（如圖1），頓時(shí)發(fā)出驚嘆之聲，探究情緒高漲。

（二）提出問題

問題是研究的方向，是研究物理規(guī)律的起點(diǎn)。在教學(xué)物理規(guī)律時(shí)，教師應(yīng)盡量引導(dǎo)學(xué)生自己提出問題，從而培養(yǎng)學(xué)生提出問題的習(xí)慣和能力。

在學(xué)生觀察了棉團(tuán)燃燒的現(xiàn)象之后，教師引導(dǎo)學(xué)生首先分析現(xiàn)象背后的原因，接著根據(jù)要求創(chuàng)設(shè)新實(shí)驗(yàn)，定性分析，最后提出定量研究問題。具體教學(xué)過程如下：

師小棉團(tuán)燃燒說明空氣狀態(tài)與哪些物理量有關(guān)？

生向下壓活塞，用眼睛可以觀察到管內(nèi)空氣體積減小;下壓過程中，手受到的作用力越來越大，說明管內(nèi)空氣壓強(qiáng)變大;小棉團(tuán)燃燒，說明管內(nèi)氣體溫度升高，因此空氣狀態(tài)與體積、壓強(qiáng)、溫度有關(guān)。

師日常生活中有很多現(xiàn)象說明，一定質(zhì)量的氣體的狀態(tài)由壓強(qiáng)、溫度、體積決定。請(qǐng)問，我們可以用什么方法研究氣體三個(gè)狀態(tài)參量之間的關(guān)系？

生控制變量法。

師本節(jié)課，我們就來研究一定質(zhì)量的氣體，在控制溫度不變時(shí)，其壓強(qiáng)與體積滿足的關(guān)系。（展示組裝好的實(shí)驗(yàn)裝置，如下頁圖2）老師已經(jīng)組裝好了實(shí)驗(yàn)器材。

（演示實(shí)驗(yàn)：緩慢向下壓活塞，發(fā)現(xiàn)空氣柱長(zhǎng)度變短、氣壓計(jì)讀數(shù)變大，即氣體體積變小、壓強(qiáng)變大;緩慢向上拉活塞，發(fā)現(xiàn)空氣柱長(zhǎng)度變長(zhǎng)、氣壓計(jì)讀數(shù)變小，即氣體體積變大、壓強(qiáng)變小。）

師通過這樣的實(shí)驗(yàn)過程，我們可以提出什么物理問題？

生一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變時(shí)，其壓強(qiáng)與體積成反比嗎？

（三）經(jīng)歷過程

科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，而學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力是科學(xué)探究的核心要素。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力是通過經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)過程培養(yǎng)出來的。

根據(jù)本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)與教學(xué)條件，教師主要讓學(xué)生經(jīng)歷控制實(shí)驗(yàn)條件、操作實(shí)驗(yàn)過程、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等過程。具體教學(xué)過程如下：

師為了保證氣體的質(zhì)量不變，老師已經(jīng)在注射器內(nèi)壁涂抹了潤(rùn)滑油，避免活塞滑動(dòng)過程中漏氣;為了保證氣體的溫度不變，要求大家緩慢移動(dòng)活塞，且不要用手接觸注射器封閉氣體部分;為了精確地測(cè)量氣體的壓強(qiáng)，我們引進(jìn)壓強(qiáng)傳感器和數(shù)據(jù)采集器，并借助計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)。

（學(xué)生實(shí)驗(yàn)：測(cè)量教室環(huán)境溫度為16℃，在注射器20—60 mL范圍內(nèi)，以5 mL為間隔，記錄對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的壓強(qiáng)，見表1。）

師（操作電腦，得到p-V擬合圖像，見圖3）請(qǐng)問一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變時(shí)，其壓強(qiáng)與體積是什么關(guān)系？

生是反比關(guān)系。

師反比曲線是雙曲線的一支。你們能夠看出這條曲線是雙曲線的其中一支嗎？

生看不出來。不過，我們可以“化曲為直”，即先算出1V的數(shù)據(jù)，再用電腦畫出p-1V的圖像。

（學(xué)生算出1V，得到表2;再用電腦畫出p -1V擬合圖像，見圖4。）

（四）提煉結(jié)論

準(zhǔn)確的結(jié)論要從探究物理規(guī)律的過程中提煉。教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生先各自嘗試總結(jié)結(jié)論，再通過相互交流、積極討論，使結(jié)論不斷修改完善。中學(xué)物理規(guī)律結(jié)論主要有三種表達(dá)方式：文字表達(dá)、公式表達(dá)、圖像表達(dá)。教師可在教學(xué)中根據(jù)實(shí)際情況，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷各種表達(dá)方式，加深對(duì)規(guī)律的理解，提升認(rèn)知的關(guān)聯(lián)性和遷移性。

以下是本節(jié)課的核心結(jié)論——玻意耳定律的提煉過程：

師從圖4可以看出，圖像沒有過原點(diǎn)，但很接近，推測(cè)這是由于實(shí)驗(yàn)誤差造成的。若忽略實(shí)驗(yàn)誤差影響，p-1V圖像是一條過原點(diǎn)的直線，我們可以得到什么結(jié)論？

生p與1V成正比。

生p與V成反比。

生在氣體溫度不變時(shí)，p與V成反比。

生在氣體質(zhì)量、溫度不變時(shí)，p與V成反比。

師在物理的發(fā)展過程中，最先總結(jié)出這個(gè)規(guī)律的是英國(guó)科學(xué)家玻意耳，因此我們也把這個(gè)規(guī)律叫作玻意耳定律。文字表達(dá)只適用于氣體變化的定性分析，若要對(duì)氣體變化進(jìn)行定量分析，就需要把文字表達(dá)轉(zhuǎn)化為公式表達(dá)，那如何用公式表達(dá)玻意耳定律？

生若設(shè)壓強(qiáng)為p、體積為V，則公式為p=CV（C為常量）;若設(shè)初態(tài)時(shí)氣體體積為V1、壓強(qiáng)為p1，末態(tài)時(shí)氣體體積為V2、壓強(qiáng)為p2，則公式為p1V1=p2V2。

師（出示圖5、圖6）為了直觀地顯示兩個(gè)物理量之間的關(guān)系，常采用坐標(biāo)圖像法表示玻意耳定律。回顧一下，玻意耳定律是在什么實(shí)驗(yàn)條件下總結(jié)出來的？

生氣體的質(zhì)量不變、溫度不變。

師在物理中，一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)隨體積變化的過程，叫作等溫過程。等溫過程是玻意耳定律成立的條件。

（五）遷移應(yīng)用

遷移應(yīng)用是深度學(xué)習(xí)的重要方式，它不但能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，引導(dǎo)學(xué)生勤于觀察和積極思考，而且能讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和方法去分析和解決問題，有利于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，激發(fā)創(chuàng)新精神，還能使學(xué)生真切體會(huì)到科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)之間的相互聯(lián)系與互動(dòng)關(guān)系，為培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)態(tài)度奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本節(jié)課，教師設(shè)計(jì)了“噴泉”實(shí)驗(yàn)和哈勃瓶吹氣球?qū)嶒?yàn)，引導(dǎo)學(xué)生遷移運(yùn)用所學(xué)。具體教學(xué)過程如下：

（學(xué)生根據(jù)下頁圖7、圖8，組裝好“噴泉”實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：向里推活塞和向外拉活塞，都可以看到“噴泉”。）

師為什么向里推活塞和向外拉活塞，都可以看到“噴泉”？

生向里推活塞，燒瓶?jī)?nèi)水面上方的空氣溫度不變，體積變小，根據(jù)玻意耳定律可知壓強(qiáng)變大，從而把集氣瓶?jī)?nèi)的水壓出玻璃管，形成“噴泉”;向外拉活塞，燒瓶?jī)?nèi)的空氣溫度不變，體積變大，根據(jù)玻意耳定律可知壓強(qiáng)變小，從而外面的大氣壓把水槽內(nèi)的水壓入集氣瓶，形成“噴泉”。

（教師出示如圖9所示的實(shí)驗(yàn)裝置：哈勃瓶和氣球。學(xué)生實(shí)驗(yàn)：第1次拔掉橡皮塞吹氣球，很容易把氣球吹大;第2次塞上橡皮塞吹氣球，很難把氣球吹大。）

師為什么拔掉橡皮塞很容易把氣球吹大，而塞上橡皮塞很難把氣球吹大？

生拔掉橡皮塞吹氣球，哈勃瓶?jī)?nèi)的氣體壓強(qiáng)始終等于大氣壓強(qiáng)，吹氣球時(shí)，氣球內(nèi)的壓強(qiáng)變大，大于哈勃瓶?jī)?nèi)的大氣壓強(qiáng)，所以比較容易把氣球吹大;塞上橡皮塞，哈勃瓶與氣球形成封閉空間，其內(nèi)的氣體質(zhì)量不變、溫度不變，當(dāng)向氣球中吹氣時(shí)，氣球體積變大，則封閉空間的體積變小，根據(jù)玻意耳定律可知，封閉空間的壓強(qiáng)變大，從而阻礙氣球被吹大，所以塞上橡皮塞很難把氣球吹大。

強(qiáng)調(diào)“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的物理規(guī)律教學(xué)，不僅能促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的深刻理解和靈活應(yīng)用，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。以上只是我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中的一種積極探索，也希望未來能在更多的物理教學(xué)（如物理概念教學(xué)、物理方法教學(xué)等）中探索出新的“學(xué)習(xí)進(jìn)階”路徑。

*本文系廣東省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)課題“基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的高中物理教學(xué)關(guān)鍵問題的實(shí)踐研究”（編號(hào)：2017ZQJK038）的階段性研究成果。

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