摘 ? 要：“雙減”政策要求，要優(yōu)化教學(xué)方式，大力提升課堂教學(xué)質(zhì)量。實驗教學(xué)特別是演示實驗教學(xué)，是中學(xué)物理課堂教學(xué)的重要組成部分。在傳統(tǒng)的演示實驗教學(xué)中，老師按照菜單式方式“按單抓藥”，現(xiàn)象在預(yù)期中發(fā)生，實驗結(jié)論在預(yù)設(shè)中得出，實驗中沒有新產(chǎn)生“意外”，師生缺少對新產(chǎn)生問題的探究分析。文章以“物體的內(nèi)能”為例，深度挖掘教材中壓縮空氣增加內(nèi)能的演示實驗資源，精準(zhǔn)開發(fā)設(shè)計熱傳遞的演示實驗，充分探究現(xiàn)象本質(zhì)，注重科學(xué)思維的形成過程，加速學(xué)生核心素養(yǎng)的精準(zhǔn)達(dá)成。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);科學(xué)探究;科學(xué)思維;物理實驗;演示實驗教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2022）4-0014-3

1 ? ?問題的提出

中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步減輕義務(wù)教育階段學(xué)生作業(yè)負(fù)擔(dān)和校外培訓(xùn)負(fù)擔(dān)的意見》（簡稱“雙減”）指出，要優(yōu)化教學(xué)方式，大力提升課堂教學(xué)質(zhì)量。同時，《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》明確指出，實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，是落實物理課程目標(biāo)，全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑[1]。而演示實驗可以大大提高初中物理課堂趣味，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的好奇心，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維，發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。演示實驗如何精準(zhǔn)指向物理概念的建立和物理規(guī)律的形成？筆者以滬科版九年級物理“物體的內(nèi)能”一節(jié)的兩個演示實驗教學(xué)為例[2]，探討在科學(xué)探究中如何優(yōu)化設(shè)計演示實驗教學(xué)，提升學(xué)生的科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2 ? ?整合的策略

2.1 ? ?精準(zhǔn)設(shè)計教材演示實驗教學(xué)

以“空氣被壓縮，內(nèi)能增加”演示實驗教學(xué)為例。

2.1.1 ? ?教師的“痛”

教材提及，“在一個配有活塞的厚玻璃筒中放一小團(tuán)硝化棉，迅速向下壓活塞，硝化棉就燃燒起來?！比鐖D1所示，很多老師在演示這個實驗時很難成功，特別是部分青年老師演示時更難成功，有老師由于用力過猛導(dǎo)致儀器損壞，甚至有老師用拍打的方式推動活塞時手掌受傷。安全是任何實驗的前提，實驗中要杜絕師生受傷，盡量避免實驗儀器損壞。

2.1.2 ? ?失敗的“因”

壓縮空氣實驗失敗的原因有兩方面：第一，動作不迅速，實際上壓縮空氣的時間稍長，玻璃筒就會向外界傳遞較多熱量，玻璃筒內(nèi)的空氣升溫慢，不容易讓燃料達(dá)到燃點。第二，一次壓縮失敗后，很多老師反復(fù)壓縮空氣，其實次數(shù)越多玻璃筒內(nèi)剩余的氧氣越少，燃燒現(xiàn)象更難發(fā)生。

2.1.3 ? ?精準(zhǔn)的“教”

（1）問題整合——問題導(dǎo)向，激發(fā)興趣

在實驗教學(xué)中，老師請學(xué)生思考三個問題：

第一，關(guān)于器材的選擇。為何要用厚的玻璃筒作為實驗器材？薄的玻璃筒是否可行？用不透明的金屬筒能否替代玻璃筒？

第二，關(guān)于動作的要領(lǐng)。為何豎直向下壓活塞？為何動作要迅速？

第三，關(guān)于燃燒的條件。為何使用硝化棉作為燃料？燃燒的條件是什么？能否用其他燃料替代硝化棉？燃燒現(xiàn)象會一直持續(xù)下去嗎？

（2）學(xué)生整合——小組合作，建立關(guān)聯(lián)

經(jīng)過討論，學(xué)生能感知到以下信息：

第一，玻璃筒透明，燃燒現(xiàn)象發(fā)出的光可以在玻璃中傳播，便于實驗觀察，不能用不透明的金屬筒替代玻璃筒。金屬筒導(dǎo)熱性能比玻璃筒強(qiáng)，壓縮空氣中容易散熱。“厚”能承受更大的壓強(qiáng)和壓力，這是實驗安全的需要。

第二，外力帶動活塞向下運(yùn)動，其目的是為了壓縮氣體，對氣體做功。通過討論，學(xué)生對“快速”的動作很感興趣，這與學(xué)過的“時間”建立起關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步對“玻璃筒向外界熱傳遞少，壓縮空氣易升溫，從而更加容易達(dá)到硝化棉的燃點”等知識達(dá)成共識。通過討論和分享，讓學(xué)生知道這個實驗其實還與光學(xué)、力學(xué)有密切聯(lián)系。

（3）動機(jī)整合——老師引領(lǐng)，強(qiáng)化動機(jī)

硝化棉具有高度可燃性和爆炸性，其危險程度根據(jù)硝化程度而定，含氮量在12.5%以上的硝化棉危險性極大，遇火即燃燒。在溫度超過40 ℃時能加速其分解而自燃。受熱逐漸分解而放出酸，降低著火點。當(dāng)然，燃燒需要空氣中的氧氣。放入硝化棉時取下活塞，封閉活塞時就有氧氣被封閉在玻璃筒內(nèi)。老師繼續(xù)追問學(xué)生，一旦發(fā)生燃燒現(xiàn)象，燃燒會持續(xù)進(jìn)行下去嗎？學(xué)生思考后都能得出自己的結(jié)論，并在交流中達(dá)成共識，由于玻璃筒內(nèi)封閉的氧氣較少，所以硝化棉燃燒現(xiàn)象持續(xù)時間短。老師繼續(xù)介紹，這個實驗其實可以用餐巾紙?zhí)娲趸?，從而啟發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的好奇心和濃厚的興趣。

（4）效果整合——安全演示，可視度高

為了讓實驗老師安全操作，同時保護(hù)實驗器材，給出幾點建議：

第一，將活塞的初態(tài)調(diào)整至距離玻璃筒底部1/3處，用一只手握住玻璃筒，從而固定玻璃筒的位置。注意，手握的位置應(yīng)靠近玻璃筒上部，把底部附近的空間留出，有利于觀察燃燒現(xiàn)象。

第二，演示平臺適當(dāng)在高處，可以將凳子或?qū)嵨镎故九_放在講臺上增加高度。

第三，可將教室的燈光關(guān)掉，有條件的拉上窗簾。

第四，用手掌快速擠壓推動活塞快速向下移動，或者用手掌打壓活塞。

第五，失敗后的應(yīng)急措施，做好三個“及時”：及時補(bǔ)充氧氣，及時更換硝化棉或者餐巾紙，及時添加黃油讓氣密性更好。

（5）技術(shù)整合——用好設(shè)備，增強(qiáng)效果

可用手機(jī)錄下實驗過程（圖2），實驗后進(jìn)行回放，也可以利用手機(jī)上照相的“慢動作”攝像功能，把實驗的燃燒過程拍成慢鏡頭，便于學(xué)生再次觀察和分析。

2.2 ? ?精準(zhǔn)開發(fā)設(shè)計演示實驗教學(xué)

以“熱傳遞”演示實驗教學(xué)為例。

2.2.1 ? ?問題整合——提出問題，激發(fā)興趣

熱傳遞現(xiàn)象在生活中有很多實例，教材呈現(xiàn)的現(xiàn)象有“爐上的鐵鍋熱得燙手”“太陽下的棉絮被曬得很暖和”等。這些現(xiàn)象都是來自于人的感受，而溫度是表示物體冷熱程度的物理量，但人的感受不能完全代替儀器的客觀測量，這正是引入溫度計測量溫度的原因。怎樣讓學(xué)生在科學(xué)探究的實驗中，通過科學(xué)思維建立熱傳遞的科學(xué)概念？基于這一核心問題，筆者設(shè)計了如下演示實驗。

2.2.2 ? ?資源整合——設(shè)計方案，科學(xué)探究

實驗器材來源于生活，用蠟燭在鋼鋸條的不同位置滴上蠟燭液滴，蠟燭放熱凝固，用酒精燈對鋼鋸條加熱（圖3），發(fā)現(xiàn)離蠟燭火焰越近的蠟燭小顆粒最先熔化，由于重力作用，液滴掉落下來。這說明物體的熱傳遞是由高溫部分傳向低溫部分的。但這個實驗有明顯的不足之處：第一，可視性相對較差，液滴較小，不易觀察;第二，鋼鋸條是金屬材料，表面積較大，散熱較快，傳熱相對較慢;第三，由于表面張力作用，液滴下落較慢，所以現(xiàn)象不明顯。

2.2.3 ? ?方案整合——優(yōu)化改進(jìn)，再次實驗

為了保持較快的傳熱性，仍然選用金屬材料;為了減少散熱，就得減少散熱面積，用鐵絲替代鋼鋸條，同時用小的蠟塊熔化底部后凝固在鐵絲上，鐵絲用鐵架臺的金屬夾固定，讓蠟塊的間距幾乎相等（圖4）。這樣就可以克服表面張力的作用，讓受熱底部熔化的蠟塊在重力的作用下快速脫離鐵絲而下落。實驗現(xiàn)象是：離酒精燈火焰加熱處近的蠟塊先脫落，間距相等的蠟塊從鐵絲上脫落的時間間隔不等，最遠(yuǎn)處的蠟塊在實驗中沒有脫落。

2.2.4 ? ?遷移整合——問題拓展，遷移提升

第一，從蠟塊脫離鐵絲下落的順序離酒精燈由近及遠(yuǎn)，這說明什么現(xiàn)象呢？學(xué)生通過討論，離酒精燈越遠(yuǎn)，溫度越低，從而得出熱傳遞的條件是存在溫差。第二，從蠟塊脫離鐵絲下落的時間間隔為何由少到多，討論后感悟到熱傳遞需要時間。第三，盡管酒精燈一直加熱，最遠(yuǎn)處的蠟塊不易脫落，學(xué)生討論后又能進(jìn)一步感知到“熱傳遞的快慢與散熱有關(guān)”，從而深化了物理課堂的學(xué)習(xí)。學(xué)生最大的收獲是，明白了熱傳遞需要時間，高溫的酒精燈燈焰給金屬傳熱，金屬的高溫部分向低溫部分傳熱，同時，金屬還在向環(huán)境溫度相對金屬低的空氣散熱。

3 ? ?教學(xué)的反思

通過以上的演示實驗教學(xué)，學(xué)生通過實驗研究，能夠建立起做功和熱傳遞都可以改變內(nèi)能的科學(xué)觀念，形成科學(xué)思維，加速達(dá)成核心素養(yǎng)。筆者對演示實驗精準(zhǔn)整合反思如下。

3.1 ? ?精心設(shè)計演示方案，是開展科學(xué)探究的原點

建構(gòu)主義學(xué)生觀認(rèn)為，學(xué)生是信息意義的主動構(gòu)建者，學(xué)習(xí)并不是把知識從外界搬到記憶中，而是以已有的經(jīng)驗為基礎(chǔ)，通過與外界的相互作用來構(gòu)建新的理解[3]。而物理實驗探究正是學(xué)生與外界相互作用構(gòu)建新知識的過程，實驗教學(xué)特別是演示實驗教學(xué)，可以清除學(xué)生的前概念誤區(qū)，規(guī)范學(xué)生科學(xué)知識的構(gòu)建。演示實驗教學(xué)中，提倡老師自制儀器[4]。物理教育家朱正元教授提出，制作的演示儀器要注意“簡單、明了、尺寸夠大”?！昂唵巍笨梢允」な×?，符合勤儉辦學(xué)的方針;“明了”可以突出重點，避免物理現(xiàn)象繁雜，造成主次不分;“尺寸夠大”能使全班學(xué)生都能看清，達(dá)到好的教學(xué)效果。

3.2 ? ?精準(zhǔn)生成物理問題，是提升科學(xué)思維的支點

以問題驅(qū)動實驗現(xiàn)象的觀察與分析，是提升科學(xué)思維的必要手段，學(xué)生在實驗過程中很容易失敗，課堂自然就生成了問題，師生一起來尋找失敗的原因，改進(jìn)實驗的方案，通過再次實驗，學(xué)生實驗動機(jī)更加強(qiáng)烈，學(xué)習(xí)策略更加科學(xué)、有效。同時，即便實驗過程結(jié)束了，但實驗中的現(xiàn)象可以進(jìn)一步挖掘[5]，比如，“熱傳遞”實驗演示教學(xué)的最后，讓學(xué)生拓展問題，分析出熱傳遞需要時間，物體在受熱的同時還在傳熱。

3.3 ? ?精彩對話過程評價，是達(dá)成核心素養(yǎng)的沸點

老師邊講邊實驗，邊實驗邊講解，有利于收集新的課堂實驗證據(jù)，更好地對證據(jù)進(jìn)行解釋和分析，同時可以改進(jìn)和優(yōu)化實驗方案，更好地交流與分享，關(guān)注過程評價。實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力遷移，讓習(xí)得經(jīng)驗通過科學(xué)思維加工促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

[2]義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書編寫組.義務(wù)教育教科書物理九年級全一冊[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2013.

[3]張大均.教育心理學(xué)第2版[M].北京：人民教育出版社，2011.

[4]李先全.實驗驅(qū)動探究，分享回歸課標(biāo)——初三復(fù)習(xí)課引入自制“浮沉子”演示實驗的教學(xué)反思[J].物理教學(xué)探討，2016，34（12）：15-17.

[5]李先全.深挖教材習(xí)題資源，助推思維能力遷移——以“電流做功的快慢”的習(xí)題教學(xué)為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017，46（3）：65-66，98.

（欄目編輯 ? ?趙保鋼）