任務驅(qū)動下的物理小實驗的設計與改進
——以“機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”為例

方艷霞

江蘇省蘇州市松陵第一中學，江蘇蘇州 215200

物理小實驗是形成概念、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、建立理論的基礎，是學習物理的重要的組成部分，可以激發(fā)學生學習的積極性，提高他們的探究能力、思維能力，提升學生操作實驗的技能和改進意識。因此，教師在教學中應重視小實驗教學，不斷地改進物理小實驗，增強實驗教學的有效性，從而通過小實驗來培養(yǎng)學生的學科素養(yǎng)。

1 任務驅(qū)動

任務驅(qū)動是在課程論、系統(tǒng)論、建構主義理論指導下的一種教學方法，教師將所要傳授的知識與技能隱含在一個或幾個具體的任務中，引導學生閱讀問題的情境、分析問題所涉及的知識體系，明確解決問題需要的知識基礎，并在教師的支持、指導下解決問題[1]。

任務驅(qū)動下的物理小實驗改進是運用任務驅(qū)動教學法的基本理論來指導實驗改進。教師在設計實驗時，注重實驗過程中任務的設計，在師生操作實驗時，注重以任務來驅(qū)動實驗的進程，在評估實驗效果時，重視評價任務的完成效果。

2 物理小實驗的改進路徑

2.1 改進的起點：以任務驅(qū)動問題解決

初中物理教材中有許多實驗，教師通過實驗教學，可以改變目前的單一理論教學現(xiàn)狀，使知識由抽象的、不易理解的變?yōu)榫唧w的、通俗易懂的，幫助學生去理解物理知識，提高學生學習物理的興趣，培養(yǎng)學生嚴謹、科學的學習態(tài)度，提高物理課堂教學效率,以實現(xiàn)物理實驗教學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標。

但是，在日常實驗教學中，也存在一些亟待解決的問題。例如，實驗成功的概率較低、實驗效果不明顯、學生難以通過實驗過程總結(jié)出實驗結(jié)果、實驗過程程序化等問題。因此，教師在設計物理實驗時，要根據(jù)學生的已有經(jīng)驗、學校的實驗條件、實驗現(xiàn)象的特點等方面去改進實驗設計，以新的實驗出破解平常實驗教學中出現(xiàn)的問題，并且注重引導學生通過設計實驗去解決學習和生活中的疑難問題，把物理實驗作為破解問題的重要手段。

在探究機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能時，筆者依據(jù)教材內(nèi)容，設計實驗1，引導學生通過該實驗達成學習目標。

實驗1：操作空氣壓縮引火儀，完成任務，解決問題。

任務一：按操作要領完成實驗：取綠豆大小棉花，放置在活塞端部，蓋好筒蓋，用手心按住手柄，用力將活塞快速向下壓，使氣缸內(nèi)的空氣驟然壓縮。

任務二：描述觀察到的現(xiàn)象，闡述該現(xiàn)象發(fā)生的物理原理。實踐與反思：筆者嘗試引導學生通過該實驗來解決抽象問題，以該實驗激發(fā)學生興趣，提高學生的實踐操作能力，培養(yǎng)學生勇于改進的科學探究精神。

學生在操作該實驗時，暴露出以下問題：實驗現(xiàn)象不明顯、發(fā)生時間太短、向下壓活塞的力氣需要很大、實驗成功率很低、不是每個學生都能看到等。

由于部分小組沒有觀察到氣缸內(nèi)棉絮被點燃，導致學生不能解釋活塞的機械能轉(zhuǎn)化為了棉絮的內(nèi)能，內(nèi)能增加，溫度升高，棉絮被點燃。

2.2 改進的目的：以任務驅(qū)動提質(zhì)增效

在物理實驗課堂教學中，教師應注重演示實驗的規(guī)范性和生動性，聯(lián)系生活實際，創(chuàng)設合適的物理情境，以此來吸引學生的注意力，引導學生積極思考問題，激發(fā)學生學習物理好奇心，提高學習物理的興趣。教師可用演示實驗展示物理現(xiàn)象和過程，使學生獲得豐富的感性知識，形成鮮明的物理表象，有效激發(fā)認知沖突，為學生建立正確的概念、認識規(guī)律奠定基礎[2]。

初中物理教材提供了許多演示實驗，教師可以根據(jù)教學需要和教學條件選擇其中一些實驗進行演示。但是，有一些演示實驗由于缺少實驗器材難以進行，有些演示實驗由于現(xiàn)象不夠明顯導致學習效果不佳，甚至有極個別的演示實驗設計的科學性不夠嚴謹。

因此，教師在物理課堂教學中，應注重培養(yǎng)學生的全面發(fā)展實踐能力和改進能力，尤其在設計學生演示實驗時，適當引導學生對實驗的內(nèi)容和方法不斷地進行改進，通過師生之間不斷地思考、討論、研究實驗、優(yōu)化實驗器材，對實驗進行改進，從而豐富課堂實驗，在課堂上達到較好的實驗效果，能提高學生學習物理的興趣，培養(yǎng)學生的實驗探究能力、改進能力。

在“機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”教學中，筆者針對教材提供的實驗的局限性，重新設計兩個小實驗，以任務驅(qū)動實驗操作和思考，以期提高實驗教學效果，培養(yǎng)學生科學探究能力。

實驗2：用一張A4 紙將一瓶易拉罐可樂打開

任務一：討論可以采取什么方法？怎么操作效果更好？

任務二：易拉罐被紙打開的瞬間，有什么現(xiàn)象？

任務三：該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是什么？

任務四：此實驗涉及到哪些能量之間轉(zhuǎn)換？

實踐與反思：由于利用空氣壓縮引火儀來操作實驗存在許多局限，筆者在實驗2 中選取更加容易獲得的實驗器材，設計具有懸念的問題型任務，步步為營引導學生操作實驗、觀察現(xiàn)象、思考實驗現(xiàn)象背后的物理原理。

學生通過親身體驗，明白了只要將紙折疊幾次，并持續(xù)摩擦易拉罐開口較薄處，即使是一張薄薄的A4 紙也能打開看似堅固的易拉罐。由于A4 紙不斷摩擦，使得易拉罐的內(nèi)能增加，在易拉罐打開瞬間，可樂中二氧化碳氣體壓強增大，導致可樂噴出罐體，發(fā)出響聲，整個實驗體現(xiàn)了機械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，做功使得物體內(nèi)能增加。

實驗2 表明機械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，那么內(nèi)能可不可以轉(zhuǎn)化為機械能呢？為了解決該問題，筆者設計了實驗3，引導學生進一步探究。

實驗3：在空的礦泉水瓶中滴5ml 酒精，擰緊瓶蓋。

任務一：用力擰瓶子，快速松手，觀察有什么現(xiàn)象？

任務二：該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是什么？

任務三：再擰緊瓶子，發(fā)現(xiàn)“白霧”消失，原因是什么？

任務四：擰緊瓶子，松開瓶蓋，瓶蓋被蹦出，并且有“白霧”出現(xiàn)，說明什么？

實踐與反思：學生在用力擰動礦泉水瓶再迅速松手后，發(fā)現(xiàn)瓶子里充滿“白霧”，而且瓶子發(fā)熱，這是因為擰瓶子，瓶子里面酒精的內(nèi)能增加，溫度升高（故瓶子發(fā)熱）發(fā)生汽化，松手后瓶內(nèi)氣體又發(fā)生液化出現(xiàn)“白霧”，而當再次擰緊礦泉水瓶，發(fā)現(xiàn)“白霧”消失了，這是因為此時瓶內(nèi)氣體內(nèi)能又增加，溫度升高，所以氣體汽化消失。

當擰緊瓶子，松開瓶蓋，瓶蓋被蹦出，并且出現(xiàn)“白霧”，說明內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為機械能，氣體膨脹對外做功，內(nèi)能減少溫度降低，水蒸氣遇冷液化成小水珠。

該實驗效果非常明顯，學生參與熱情高漲，由淺入深設計的探究任務，使學生在整個實驗過程中沒有偏離方向，完成實驗效率較高，實驗結(jié)論的得出水到渠成。

2.3 改進的思路：以生活素材設計任務

實驗改進聽起來高大上，讓人感覺無從下手，其實，只要帶著一顆好奇心打量我們的生活方方面面，就會發(fā)現(xiàn)生活中的許多現(xiàn)象和物體，對物理實驗改進很有啟示，教師的改進靈感往往就來源于日常生活之中。

教師把中學物理實驗中許多有趣的現(xiàn)象，聯(lián)系生活實際，自主設計趣味小實驗，能激發(fā)學生學習物理的興趣，培養(yǎng)學生分析綜合思維，提高學生的物理實驗探究能力[3]。

在“機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”教學中，筆者選取生活中常見的易拉罐和實驗室常用的鐵架臺、酒精燈等素材，設計探究性較強的能量轉(zhuǎn)化實驗4，以期培養(yǎng)學生綜合分析問題能力。

實驗4：運用鐵架臺、釣魚線、酒精燈、水、易拉罐等素材，設計實驗驗證內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能（圖2）。

任務一：觀看教師演示實驗視頻，觀察實驗現(xiàn)象，找出實驗中涉及到的能量轉(zhuǎn)化原理。

任務二：以小組為單位，根據(jù)提供的實驗器材，設計實驗，重點思考易拉罐需要怎樣操作才能達到視頻中的實驗效果。

任務三：操作實驗，并從能量轉(zhuǎn)化角度解釋實驗現(xiàn)象，說明實驗過程中遇到的問題和解決方法。

實踐與反思：教師的演示實驗視頻清晰地展示易拉罐旋轉(zhuǎn)起來了，并且隨著加熱時間越長，旋轉(zhuǎn)的速度越來越快，易拉罐兩側(cè)還不斷有“白汽”噴出。

為了達到演示實驗地效果，各組做了很多嘗試，在經(jīng)歷多次失敗后，終于弄清楚實驗地關鍵是把易拉罐口密封，并在易拉罐地兩側(cè)分別扎一個孔，孔徑大小影響實驗現(xiàn)象。

實驗中，當酒精燈加熱易拉罐時，易拉罐中水的內(nèi)能增加，當汽化后，氣體從側(cè)面小孔噴出，利用反作用力推動易拉罐旋轉(zhuǎn)。此過程，說明內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，氣體對外做功內(nèi)能減少。

通過該案例，不難發(fā)現(xiàn)，實驗器材取自于生活，實驗驗證直指生活中的問題，實驗結(jié)論解釋生活現(xiàn)象。這樣的實驗改進成本低、接地氣，易于被師生接受，易于借鑒推廣。學生在經(jīng)歷過失敗，通過小組討論、合作探究，重新拿出新方案，激發(fā)了學生的好奇心和求知欲，加深學生對物理原理的理解，體驗實驗探究的樂趣。

3 結(jié)語

物理實驗改進是激發(fā)學生學習興趣的催化劑，是提高教學效果的重要手段，實驗是培養(yǎng)學生改進能力的重要途徑，更是落實學生核心素養(yǎng)的重要抓手。教師要敢于改進、學會改進、借助改進實驗，在實驗探究中全面提升學生的物理學科核心素養(yǎng)。