[摘 要]2014年,國家將全面深化課程改革作為新時代落實立德樹人根本任務(wù)的標(biāo)志性工程,并把培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)作為基礎(chǔ)教育課程改革的新目標(biāo)追求。深度學(xué)習(xí)是我國全面深化課程改革、落實核心素養(yǎng)的重要途徑。因此,如何在物理課堂教學(xué)中實現(xiàn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí),成為物理教師亟待解決的一個核心問題。文章結(jié)合“氣體的等溫變化”一課具體闡述如何在物理課堂中實現(xiàn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。
[關(guān)鍵詞]深度學(xué)習(xí);物理課堂教學(xué);等溫變化
[中圖分類號] G633.7 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-6058(2024)26-0045-04
在近期的高二年級教學(xué)研訓(xùn)活動中,筆者觀摩了兩節(jié)關(guān)于“氣體的等溫變化”的新授課。其中一節(jié)是教學(xué)展示活動中的觀摩課,另一節(jié)是市級青年教師的公開課。筆者全程參與,認真聽課,并做了詳細記錄。結(jié)合專家的點評和深度學(xué)習(xí)的理論思考,筆者對這兩節(jié)課產(chǎn)生了一些個人的心得體會。
以下是這兩節(jié)課的教學(xué)簡錄:
第一節(jié)課:
【任務(wù)1】表述氣體狀態(tài)的變化。
問題情境引入:
師:同學(xué)們請看,(展示上升氣球的動圖)對于氣球中的氣體,我們應(yīng)該怎樣描述它的狀態(tài)?在氣球上升的過程中,壓強、體積、溫度等物理量發(fā)生了什么樣的變化?你們能提供哪些證據(jù)來支持你們的觀點?
學(xué)生活動:以小組討論的形式,將結(jié)論記錄在學(xué)案上。其中一個小組展示了他們的分析證據(jù):m→,V↑,p↓,T↑,即質(zhì)量(m)保持不變,體積(V)增大,壓強(p)減小,溫度(T)升高。這個結(jié)論是由生活經(jīng)驗和地理學(xué)科知識推出的。
師:接下來,我們再看另一個例子。(展示圖片)老師家新買的汽車,在閑置了兩個月之后輪胎變癟了。汽車輪胎里的氣體發(fā)生了什么變化?你判斷的依據(jù)是什么?
學(xué)生活動:繼續(xù)以小組討論的形式進行活動,并將結(jié)論記錄在學(xué)案上。另一個小組展示并分析證據(jù):m↓,V↓,p↓,T→,即質(zhì)量(m)減小,體積(V)減小,壓強([p])減小,溫度(T)保持不變。這個結(jié)論是結(jié)合生活經(jīng)驗推導(dǎo)出來的。(用時至6分30秒)
【任務(wù)2】選擇與確定實驗器材。
師:我們能否從物理規(guī)律的角度來探究氣體的狀態(tài)?今天,我們就先來討論質(zhì)量和溫度一定時,壓強與體積的關(guān)系。我們把這種變化稱為氣體的等溫變化。
學(xué)生活動:以小組討論的形式分析思考問題,并設(shè)計實驗方案。隨后,他們將實驗裝置圖畫在學(xué)案中。
三個小組分別進行展示分析。第一組:連接注射器和氣球,利用封閉系統(tǒng)保證氣體質(zhì)量m不變。拉動活塞可以改變氣體的壓強和體積,但無法直接獲取壓強的具體數(shù)值。第二組:在裝置中,注射器前方裝有密閉塞,這樣可以確保氣體質(zhì)量m不變。為了保證溫度T不變,將整個裝置放在恒溫箱中。通過拉動活塞可根據(jù)移動的格數(shù)讀出氣體的體積,然而仍無法直接獲取壓強的具體數(shù)值。第三組:在注射器前方裝有密閉塞,可保證氣體質(zhì)量m不變。為了保證溫度T不變,取整個裝置放在恒溫水槽中,拉動活塞,可通過移動的格數(shù)讀出體積。連接一個壓強計可讀取并記錄壓強的變化。
師生繼續(xù)討論,改進、簡化實驗裝置。教室中的溫度計在45分鐘內(nèi)示數(shù)不變,對此可認為教室是一個巨大的恒溫箱,可保證溫度[T]不變。
師:在操作過程中有什么注意事項?
學(xué)生討論交流,教師總結(jié):實驗操作時手不要碰到針筒部分,且要緩慢拉動活塞。
學(xué)生活動:去除實驗器材保護罩,觀察與自己設(shè)計的裝置是否相同,并注意以下特殊之處:壓強有具體的讀數(shù)可以直接讀出,而體積則是通過單位刻度來估量的,同時練習(xí)讀數(shù)。(用時至22分50秒)
【任務(wù)3】進行實驗探究。
實驗操作:在溫度一定的情況下,測量一定質(zhì)量的氣體的體積V與壓強p的數(shù)值,填寫表格,畫出相應(yīng)的圖像。(用時至35分15秒)
展示兩個小組的結(jié)果并分析:一組畫出了p-V圖像,是一條曲線。學(xué)生觀察到這條曲線的形狀與反比例函數(shù)圖像相似,但某些特征不夠明顯,他們對此并不確定。另一組則畫出了[p-1V]圖像,但圖線并未過原點。(用時至37分10秒)
【任務(wù)四】進行實驗誤差分析。
師:[p-1V]圖像與縱軸的交點表示什么含義?
生1:表示體積無窮大時還有壓強。
師:理論上圖線是過原點的,那么[p-1V]圖像不過原點是什么原因呢?
生2:可能是讀數(shù)有誤差,溫度仍有變化,存在系統(tǒng)誤差。
教師使用了更精密的器材,即傳感器,學(xué)生配合讀數(shù),再次實驗。
師:此時,我們已經(jīng)基本排除了讀數(shù)誤差,且溫度顯示也未發(fā)生變化,但圖像仍未過原點。仔細觀察實驗裝置發(fā)現(xiàn),針尖部分存在一些氣體,對這些氣體體積進行補償后發(fā)現(xiàn),圖像果然更加接近原點。因此,可以認為在誤差允許的范圍內(nèi),進行氣體體積補償后的[p-1V]圖像將過原點,即[p]與[V]成反比。
教師活動:板書[p∝1V],[pV=C]或者[p1V1=p2V2]。(用時至43分48秒)
【任務(wù)五】得出實驗結(jié)論。
師:一定質(zhì)量的某種氣體,在溫度不變時其壓強[p]與體積[V]成正比。這一結(jié)論是由英國科學(xué)家玻意耳和法國科學(xué)家馬略特各自獨立發(fā)現(xiàn)的,因此這一定律被稱為玻意耳定律,也叫玻馬定律。
師:大家是否有過這樣的體驗:一個打足氣的足球,在放置半個小時后會變得柔軟?這可能受其他一些因素的影響,比如溫度。我們將在下節(jié)課繼續(xù)探討溫度與壓強之間的關(guān)系。
(下課鈴響,教師宣布下課。用時至45分20秒)
第二節(jié)課:
小實驗引入:在兩個塑料瓶中各放入一個相同的氣球,然后讓兩名學(xué)生比賽吹氣球。令人驚奇的事情發(fā)生了:肺活量大的男同學(xué)無法將氣球吹起,而肺活量小的女同學(xué)卻能夠輕松吹起氣球。這究竟是為什么呢?這節(jié)課,我們一起來探索這個秘密。
【任務(wù)1】表述氣體狀態(tài)的變化。
知識點:氣體的等溫變化
師:節(jié)日慶典活動中放飛了很多氣球(圖片展示),你知道描述氣球內(nèi)的氣體的物理量有哪些嗎?
生1:質(zhì)量,壓強,體積,溫度。
師:若要討論它們之間的關(guān)系,應(yīng)采用什么方法?
生2:控制變量法。
師:很好。下面我們控制質(zhì)量和溫度不變,研究壓強與體積之間的關(guān)系。
【任務(wù)2】選擇與確定實驗器材。
師:請回答以下問題,并討論設(shè)計實驗方案。
(1)如何保持質(zhì)量不變?
(2)怎樣讓體積既容易改變又容易測量?
(3)如何測量氣體的壓強?你能想到什么儀器?
(4)如何保持溫度不變?
學(xué)生回答:(1)將氣體封閉在容器里,可使質(zhì)量保持不變;(2)使用活塞可讓體積既容易改變又容易測量。如注射器,既容易改變氣體體積又容易測量氣體體積。(3)用壓強計。(4)放在一個[T]不變的環(huán)境里。
【任務(wù)3】進行實驗探究。
師:請大家利用課桌上的實驗儀器(如圖1),在溫度一定的情況下,測量一定質(zhì)量的氣體的體積與壓強 數(shù)值,并根據(jù)實驗結(jié)果畫出你認為合理的圖像。
學(xué)生通過充分實驗,填寫設(shè)計好的表格。大部分學(xué)生畫出了[p-V]圖像,同時利用Excel表格輸入數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)分析,并嘗試擬合出[p-1V]圖像。
師:[p-1V]圖像是否過原點?它應(yīng)該過原點嗎?它現(xiàn)在不過原點的原因是什么?
【任務(wù)4】分析實驗誤差。
師:實驗中存在哪些誤差?我們應(yīng)如何改進?
學(xué)生回答:(1)漏氣。使用密閉性更好的活塞;涂潤滑劑。(2)讀數(shù)有誤差。通過多次測量減小誤差。(3)溫度變化。手不觸摸針筒部分并緩慢拉動活塞。(4)初始體積不能讀出。
教師測出針筒的初始體積為0.8 mL,在進行體積補償后再次畫出[p-1V]圖像,這一圖像更加接近原點。
【任務(wù)5】總結(jié)與討論。
玻意耳定律:在溫度不變的情況下,一定質(zhì)量的某種氣體的壓強[p]與體積[V]成反比。
板書玻意耳定律:[p∝1V],[pV=C],[p1V1=p2V2]。
科學(xué)史:玻意耳定律有時又稱為玻馬定律,它由玻意耳和馬略特在互不知情的情況下先后發(fā)現(xiàn)。
拓展閱讀:引導(dǎo)學(xué)生閱讀了解羅伯特·玻意耳的生平簡介以及他如何發(fā)現(xiàn)氣體體積與壓強之間的反比關(guān)系,使他們體會到科學(xué)家堅持不懈、勤奮探索自然規(guī)律的崇高精神。
(任務(wù)1至任務(wù)5用時共25分鐘)
【任務(wù)6】拓展應(yīng)用。
師:(圖片展示)在一個恒溫池中,一串串氣泡由池底慢慢升到水面。氣泡在上升的過程中,體積怎么變化?你能用所學(xué)知識解釋嗎?
生3:由[pV=C],可知p↓,V↑。
課前引入實驗揭秘:在本次實驗中,女同學(xué)和男同學(xué)拿到的塑料瓶有所不同。男同學(xué)拿到的塑料瓶是密封的,當(dāng)他們吹氣球時,由于瓶內(nèi)氣體體積減小,壓強隨之增大,因此難以吹起氣球。而女同學(xué)拿到的塑料瓶開有小孔,這使得瓶內(nèi)氣體壓強始終等于大氣壓,所以她能輕松吹起氣球。
教師出示以下思考題,引導(dǎo)學(xué)生深入思考。
[思考題1]如圖2所示,一豎直放置、開口向上的足夠長的粗細均勻的試管,用長度為5 cm的水銀柱將一定質(zhì)量的氣體封閉在管內(nèi)。當(dāng)氣體的熱力學(xué)溫度為300 K時,氣柱長15 cm,大氣壓強恒為75 cmHg?,F(xiàn)把試管順時針緩慢旋轉(zhuǎn)至水平,假設(shè)該過程中氣體的溫度不變,求管內(nèi)氣柱的長度。
學(xué)生分析,教師板書:[p1=75 cmHg+5 cmHg=80 cmHg],[p2=75 cmHg ],由[p1V1=p2V2]得[L2=16 cm ]。
[思考題2]如圖3所示,某種自動洗衣機進水時,與洗衣缸相連的細管中會封閉一定質(zhì)量的空氣,通過壓力傳感器感知管中的空氣壓力,從而控制進水量。設(shè)溫度不變,洗衣缸內(nèi)水位升高。思考:細管中被封閉的空氣體積和壓強如何變化?
學(xué)生自主討論分析:體積減小,壓強增大。
教師先展示實際按壓式桶裝水裝置,然后給出思考題3。
[思考題3]已知桶裝水內(nèi)部氣體的壓強等于大氣壓強。上方的氣囊直徑為6 cm,高為8 cm,桶內(nèi)空氣的體積約為232π cm3。當(dāng)人完全壓下氣囊1次時,桶內(nèi)氣體的壓強增大到原來的多少倍?(不考慮溫度的變化,空氣質(zhì)量一定)
學(xué)生分析,教師板書:[V1=V0+V=πd22h+232π cm3=304π cm3],[V2=V=232π cm3],由[p1V1=p2V2]得[p2=3829p1≈1.31p1]。
教師通過視頻展示塑料瓶模擬“炸肺”現(xiàn)象,說明潛泳為什么必須緩慢上浮。
(任務(wù)6用時15分鐘)
(下課鈴響,教師簡單總結(jié),宣布下課)
深度學(xué)習(xí)這一概念最初由瑞典哥德堡大學(xué)教授馬飛龍和羅杰·賽里歐在1976年于《學(xué)習(xí)的本質(zhì)區(qū)別:結(jié)果和過程》一書中提出。研究表明,深度學(xué)習(xí)相較于淺層學(xué)習(xí),能夠促使學(xué)生更為主動地探索基本原理,深刻理解知識間的內(nèi)在聯(lián)系,有助于知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,及提升學(xué)生的批判性思維能力和實際應(yīng)用能力。在當(dāng)今這個信息爆炸的第四次工業(yè)革命時代,AI技術(shù)和元宇宙等新興技術(shù)正逐步趕超人類智能。傳統(tǒng)的“知識工人”角色已逐漸淡出歷史舞臺,取而代之的是超越機器的“智能創(chuàng)造者”。這一世界形勢的大改變對未來人才的素養(yǎng)提出了新的要求,而深度學(xué)習(xí)正是信息時代教育改革的必然選擇。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn),我國全面深化課程改革,提出培育學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo)追求,“深度學(xué)習(xí)”應(yīng)運而生。
兩節(jié)課在如何引導(dǎo)學(xué)生進行深度學(xué)習(xí)方面提供了寶貴的經(jīng)驗:
一、選擇合理的情境素材進行鏈接
在學(xué)生面對陌生、復(fù)雜的問題時,能夠創(chuàng)造性地分析問題并整合資源,形成解決問題的思路,是深度學(xué)習(xí)所追求的目標(biāo)。這種目標(biāo)的實現(xiàn)離不開合理的情境素材。第一節(jié)課通過動圖展示節(jié)日慶典上逐漸升空的氣球,有效鏈接學(xué)生的生活實際,讓學(xué)生直觀感受到氣體壓強、體積與溫度三個狀態(tài)參量之間的密切關(guān)系。第二節(jié)課則通過對比小實驗,迅速激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,引發(fā)學(xué)生的認知沖突。學(xué)生親自參與實驗,豐富了感官體驗。第二節(jié)課任務(wù)6“拓展應(yīng)用”中所設(shè)置的幾個思考題均與實際生活密切關(guān)聯(lián),如洗衣機、按壓式桶裝水、潛水活動等情境,讓學(xué)生面對問題時產(chǎn)生“親切感”和“代入感”。教師應(yīng)當(dāng)幫助學(xué)生實現(xiàn)知識的有效遷移,使學(xué)生在習(xí)題練習(xí)的過程中不僅掌握物理知識的應(yīng)用方法,還能對生活中的各類現(xiàn)象給出更加科學(xué)的解釋,從而實現(xiàn)自身綜合素養(yǎng)的顯著提升。為達到這一目的,所設(shè)置的情境廣泛鏈接了生產(chǎn)生活、科技前沿、思想道德教育等多個方面。這些情境內(nèi)容的呈現(xiàn)方式也多種多樣,包括圖片、視頻、歷史材料、實驗等,或者是這些形式的融合。然而,值得注意的是情境創(chuàng)設(shè)的初衷是引導(dǎo)學(xué)生解決具體問題并創(chuàng)生新意義,因此我們必須避免使用簡單情境、錯誤情境以及缺乏真實性的情境。
二、通過學(xué)生辨析討論讓思維外顯
兩節(jié)課中,每當(dāng)一個問題被提出后,都確保給學(xué)生留下了充足的思考時間。教師交錯使用了“有答即評”的快反饋策略和“延遲判斷”以讓思維外顯的策略,特別關(guān)注學(xué)生思路和方法的形成。這樣做,真正有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)力。以第一節(jié)課為例,在設(shè)計等溫變化實驗裝置時,教師事先用保護罩將已有器材封閉起來,而不是直接展示給學(xué)生看或讓他們直接使用。學(xué)生則采用小組討論的形式,各自形成設(shè)計方案。隨后,學(xué)生描述自己的思維過程、設(shè)計方法以及存在的問題和改進的方法。在此過程中,教師沒有給任何一組同學(xué)指出錯誤,而是組織學(xué)生進行深入的交流討論,最終共同歸結(jié)出解決問題的一般思路和方法。在課堂上,當(dāng)學(xué)生持有不同意見和想法時,教師應(yīng)給予他們機會進行表達,使他們的思維得以外顯,同時讓他們進一步辨析和討論。學(xué)生討論的過程本質(zhì)上是再思考、再創(chuàng)造的過程,是互相啟迪的過程,這一過程擴充了思維容量,加大了思維深度,提升了學(xué)生的思維品質(zhì)。
三、設(shè)計挑戰(zhàn)性問題促進深度互動
兩節(jié)課不約而同地設(shè)計了逐層遞進的學(xué)習(xí)任務(wù),促使學(xué)生與任務(wù)、教師、同學(xué)進行深度互動。這些任務(wù)圍繞“氣體的等溫變化”這一核心展開,從表述氣體狀態(tài)的變化到選擇與確定實驗器材,再到進行實驗探究、進行誤差分析、得出實驗結(jié)論,逐步引導(dǎo)學(xué)生提出問題、分析問題、提出方案、實踐檢驗、溝通交流并最終解決問題。在任務(wù)的完成過程中,教師適時質(zhì)疑或引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑,促使學(xué)生多角度、深層次思考,完善設(shè)計方案并拓展思路。學(xué)生之間的討論激發(fā)了思維碰撞的火花,他們在相互傾聽、爭論辨析中開闊思路,逐步形成了批判性思維和創(chuàng)新思維。
綜上所述,深度學(xué)習(xí)是師生共同經(jīng)歷的一場智慧之旅,它不僅僅是將“滿堂灌”變?yōu)椤皾M堂問”,而是通過鏈接合理的情境素材,讓學(xué)生在解答挑戰(zhàn)性問題的過程中外顯思維,不斷解決問題和創(chuàng)生意義,最終實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo)。
[ 參 考 文 獻 ]
[1] 劉月霞,郭華.深度學(xué)習(xí):走向核心素養(yǎng):理論普及讀本[M].北京:教育科學(xué)出版社,2018.
[2] 蘇文翊.物理模型教學(xué)在高三物理復(fù)習(xí)中的實踐研究[J].數(shù)理天地(高中版),2023(22):57-59.
(責(zé)任編輯 黃春香)