林豐 陳玉茹 王理想

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對必做實(shí)驗(yàn)“氣體的等溫變化”提出的教學(xué)要求為：通過實(shí)驗(yàn)，了解氣體實(shí)驗(yàn)定律。為培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，筆者基于素養(yǎng)本位學(xué)習(xí)觀的4個方法要素，即堅(jiān)持問題導(dǎo)向、創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境、建構(gòu)合作關(guān)系、實(shí)施指導(dǎo)性探究^[1]，在信息技術(shù)支持下創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力，并利用傳感器獲取數(shù)據(jù)，借助電子表格（Excel）軟件精準(zhǔn)分析數(shù)據(jù)，通過教具和教法的整合創(chuàng)新，讓學(xué)生親身探究“氣體的等溫變化”規(guī)律，建立物理觀念，提高科學(xué)思維能力。實(shí)驗(yàn)探究過程中，筆者引導(dǎo)學(xué)生分組合作探究，實(shí)事求是開展實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)品質(zhì)。

一、教學(xué)內(nèi)容、目標(biāo)與重難點(diǎn)分析

如何探究“氣體的等溫變化”，教材給出了兩種實(shí)驗(yàn)方法：一種是利用帶有氣壓表的注射器來探究，該方案不足之處在于氣壓表讀數(shù)不精確且手繪作圖及處理數(shù)據(jù)耗時多，效率較低；另一種是用數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）采集數(shù)據(jù)，用計算機(jī)軟件處理數(shù)據(jù)描繪圖像，這樣實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行岣邷y量精度，同時讓學(xué)生體驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的過程，提高學(xué)生科學(xué)探究的質(zhì)量。

教學(xué)目標(biāo)：一是先演示實(shí)驗(yàn)，再讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，了解氣體的狀態(tài)參量是存在變化關(guān)系的，學(xué)會運(yùn)用控制變量法研究“氣體的等溫變化”規(guī)律；二是讓學(xué)生經(jīng)歷提出問題、猜想分析、設(shè)計實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論和交流評價的過程，學(xué)習(xí)具體方法；三是通過引導(dǎo)，讓學(xué)生在探究中養(yǎng)成敢于探索、敢于提問、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神，培養(yǎng)他們熱愛科學(xué)的情感。

教學(xué)重點(diǎn)：探究在溫度不變的情況下，一定質(zhì)量的氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系。

教學(xué)難點(diǎn)：設(shè)計方案，處理數(shù)據(jù)，分析誤差。

二、教學(xué)思路

教師基于素養(yǎng)本位學(xué)習(xí)觀的4個方法要素，建構(gòu)了教學(xué)思路（如圖 1）：首先，壓縮空氣引火儀創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，啟發(fā)學(xué)生思考?xì)怏w狀態(tài)參量間存在一定的關(guān)系；接著，利用數(shù)字測溫器和自制的針筒實(shí)驗(yàn)教具，探究一定質(zhì)量的氣體發(fā)生“等溫變化”的條件；然后，圍繞如何測量氣體的體積和壓強(qiáng)這一核心問題，引導(dǎo)學(xué)生利用DIS設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，充分運(yùn)用DIS引導(dǎo)學(xué)生觀察氣體做等溫變化時，壓強(qiáng)與體積的數(shù)值變化，猜想氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系，通過分組實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，利用計算機(jī)軟件記錄和處理數(shù)據(jù)，分析氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系；最后，帶領(lǐng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)誤差，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

三、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，引入新課

教師演示“空氣取火”實(shí)驗(yàn)：在空氣壓縮引火儀的氣缸底部放置少許棉花，用力迅速向下推動活塞壓縮氣體，引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探究氣體狀態(tài)參量間的關(guān)系。

師生互動過程：

【問題】壓縮氣體時，氣體的體積、溫度和壓強(qiáng)如何變化？

學(xué)生：氣體被壓縮后，體積變小，棉花燃燒說明氣體溫度升高，氣壓可能變大、變小或不變。

【實(shí)驗(yàn)】學(xué)生用手堵住針筒出氣口，緩慢推動活塞，壓縮氣體，通過手感受推力的變化，判斷氣體被壓縮時其壓強(qiáng)如何變化。

學(xué)生：推活塞的力變大，說明氣壓變大。

【問題】上述實(shí)驗(yàn)表明，氣體的3個狀態(tài)參量間存在某種關(guān)系，如何更好地研究氣體的3個狀態(tài)參量間的關(guān)系，降低探究難度？

學(xué)生：可采用控制變量法探究兩個物理量之間的關(guān)系，控制其他物理量不變。

教師：我們先著手研究一定質(zhì)量的氣體，控制氣體溫度不變，探究氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系。

設(shè)計意圖：為啟發(fā)學(xué)生思考?xì)怏w狀態(tài)參量之間的關(guān)系，明確核心問題，教師創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生感知?dú)怏w狀態(tài)參量間存在某種關(guān)系，明確需要解決的問題及解決方法，提高探究的積極性。

（二）用測溫器探究氣體等溫變化的條件

實(shí)現(xiàn)氣體等溫變化是實(shí)驗(yàn)的前提，也是實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)。在以往的教學(xué)中，教師常根據(jù)熱平衡理論進(jìn)行演繹、推理，探究氣體做等溫變化的條件。但是這樣實(shí)驗(yàn)，學(xué)生經(jīng)常犯不規(guī)范操作的錯誤。例如：學(xué)生過快地推動活塞改變氣體的體積并立即讀取氣體的壓強(qiáng)；長時間用手握住裝有氣體的容器外壁；等等。為了讓學(xué)生有效探究氣體做等溫變化的條件，規(guī)范學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，教師將溫度傳感器與顯示器相結(jié)合，組裝了數(shù)字測溫器和針筒教具，用以探究氣體做等溫變化的條件。

師生互動過程：

【問題】回憶“空氣取火”實(shí)驗(yàn)并結(jié)合熱平衡知識，思考：在改變氣體的體積時，控制氣體溫度不變，需滿足哪些條件？

學(xué)生：在環(huán)境溫度不變時，緩慢推動活塞，氣體的溫度才能視為不變。

【實(shí)驗(yàn)】用針筒和數(shù)字測溫器密閉一定質(zhì)量的氣體，在室內(nèi)溫度為30.7 ℃且不變時，學(xué)生以極慢的速度緩慢推動活塞和以較快的速度勻速推動活塞，觀察溫度計示數(shù)，驗(yàn)證猜想是否正確。

學(xué)生：實(shí)驗(yàn)表明，在室溫不變時，緩慢改變氣體體積，同時手不與容器外壁接觸，即可控制氣體溫度不變。

設(shè)計意圖：教師利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)探究氣體做等溫變化的條件，引導(dǎo)學(xué)生觀察數(shù)字測溫器示數(shù)變化，探究氣體做等溫變化的條件，區(qū)分緩慢推動活塞與勻速推動活塞的區(qū)別，規(guī)范操作，最終實(shí)現(xiàn)理論推導(dǎo)和實(shí)踐探究的有效融合。

（三）設(shè)計測量氣體體積和壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)方案

設(shè)計合理、可行的測量物理量的方案，是獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要途徑。教師通過問題驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識設(shè)計測量物理量的方案，研討、評估實(shí)驗(yàn)方案的可行性，確定符合信息技術(shù)情境要求的實(shí)驗(yàn)方案。

師生互動過程：

【問題】實(shí)驗(yàn)中，需要測量哪些物理量？

學(xué)生：氣體體積和壓強(qiáng)。

【問題】如何測量氣體體積和壓強(qiáng)？

學(xué)生：方案一，利用圓柱形玻璃管和機(jī)械式壓強(qiáng)計密閉一定質(zhì)量的氣體，氣體可以簡化成圓柱體，體積V等于橫截面積S與空氣柱長度L的乘積，氣壓則由壓強(qiáng)計讀出。方案二，利用針筒和壓強(qiáng)傳感器密閉一定質(zhì)量的氣體，從針筒壁上的刻度讀出氣體的體積V，用壓強(qiáng)傳感器測量氣體的壓強(qiáng)p，從DIS系統(tǒng)界面讀取壓強(qiáng)數(shù)值。

教師：用傳感器測量壓強(qiáng)比機(jī)械式壓強(qiáng)計更精確，讀數(shù)更加便捷。故選用DIS進(jìn)行探究。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生知道實(shí)驗(yàn)中需要測量哪些物理量，理解相關(guān)方法原理，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案和交流表達(dá)的能力，提高學(xué)生發(fā)散思維的能力，增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)的意識。

（四）定性實(shí)驗(yàn)，猜想分析

猜想要基于生活常識或科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如果學(xué)生盲目猜想會增加他們的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，不利于教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。教師采用確定的測量物理量的方案，指導(dǎo)學(xué)生組裝器材，通過推動活塞，觀察壓強(qiáng)值的變化情況。

師生互動過程：

【問題】在溫度不變的情況下，一定質(zhì)量的氣體壓強(qiáng)與體積存在怎樣的關(guān)系呢？

【實(shí)驗(yàn)】教師介紹傳感器配套軟件的界面和讀取氣體壓強(qiáng)值的方法，指導(dǎo)學(xué)生組裝實(shí)驗(yàn)儀器，緩慢推動活塞壓縮氣體，觀察DIS軟件中壓強(qiáng)值的變化情況。

學(xué)生：通過定性實(shí)驗(yàn)可知，對于一定質(zhì)量的氣體來說，在溫度不變的情況下，氣體體積減小，其壓強(qiáng)增大，由此猜想壓強(qiáng)與體積成反比關(guān)系。

教師：猜想壓強(qiáng)與體積的平方、三次方甚至是n次方，是否都能滿足氣體體積減小，壓強(qiáng)增大的關(guān)系？

學(xué)生：是的。

設(shè)計意圖：教師利用DIS創(chuàng)設(shè)物理情境，以豐富的視覺材料刺激學(xué)生的感官，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到定性結(jié)論：體積減小，壓強(qiáng)增大?；诙ㄐ詫?shí)驗(yàn)的結(jié)論，教師通過設(shè)問的方式，引導(dǎo)學(xué)生合理猜想，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

（五）分組實(shí)驗(yàn)，獲取數(shù)據(jù)

各組學(xué)生分工合作，在教師的指導(dǎo)下操作實(shí)驗(yàn)器材并采集數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)表格中記錄氣體體積與壓強(qiáng)（見表1）。

設(shè)計意圖：教師組織學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，增加學(xué)生合作學(xué)習(xí)與自主學(xué)習(xí)的機(jī)會，促進(jìn)學(xué)生對知識的深層理解，發(fā)展學(xué)生科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等思維能力，讓學(xué)生在研討中取長補(bǔ)短，掌握交流技巧，以此培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力、創(chuàng)新能力、交流合作能力和自主學(xué)習(xí)能力。

（六）處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)者開展科學(xué)思維活動的事實(shí)材料^[2]。學(xué)生利用壓強(qiáng)傳感器和針筒分別獲得氣體壓強(qiáng)和體積狀態(tài)參量的數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Excel畫出的p-V圖像，展開科學(xué)論證，基于數(shù)學(xué)知識大膽地質(zhì)疑所畫的圖像是否說明壓強(qiáng)與體積成反比關(guān)系，并針對圖像進(jìn)行深度思考，利用Excel作出p-1/V圖像，探究p與V的關(guān)系。學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開展科學(xué)思維活動，既提高了數(shù)據(jù)處理能力，又有效培育了自身科學(xué)思維素養(yǎng)。

師生互動過程：

【問題】為顯化壓強(qiáng)與體積的關(guān)系，可以用什么方法處理數(shù)據(jù)？

學(xué)生：用作圖法嘗試畫出p-V圖像，分析壓強(qiáng)與體積的關(guān)系。

教師：作圖工具有很多種，如用坐標(biāo)紙手繪作圖、用計算機(jī)軟件作圖等。這里，我們用Excel軟件作圖。請大家在Excel中作出p-V圖像。

學(xué)生：用Excel作出了p-V圖像。

【問題】畫出的p-V圖像能說明壓強(qiáng)與體積成反比關(guān)系嗎？

學(xué)生：畫出的p-V圖像是一條曲線，但不一定是反比例函數(shù)圖像雙曲線中的一條，無法說明p與V成反比關(guān)系。

【問題】回憶探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系，我們運(yùn)用變換坐標(biāo)的方法畫出a-1/m得知加速度a與質(zhì)量m成反比。類比，如何更直觀說明p與V的關(guān)系？

學(xué)生：畫出p-1/V圖像，如果p-1/V圖像是一條過原點(diǎn)的直線，則說明p與V成反比。

教師：請大家用計算機(jī)軟件擬合出p-1/V圖像。

學(xué)生：利用Excel作出了p-1/V圖像。

教師：圖像為一條直線，但放大圖像坐標(biāo)原點(diǎn)區(qū)域，發(fā)現(xiàn)直線不過原點(diǎn)，直接認(rèn)為壓強(qiáng)與體積的倒數(shù)成反比關(guān)系，這種做法較為牽強(qiáng)。我們要尊重和正視實(shí)驗(yàn)事實(shí)。直線不過原點(diǎn)說明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在誤差。

【問題】實(shí)驗(yàn)誤差主要是因?yàn)闇y量哪個物理量造成的？

教師：在DIS中，傳感器測出的壓強(qiáng)值精度高，其誤差可忽略不計。請仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)儀器，判斷實(shí)驗(yàn)誤差是否主要來源于體積的測量。（教師用投屏儀在屏幕上展示實(shí)驗(yàn)裝置。）

學(xué)生：針筒前端及連接傳感器的軟管內(nèi)有氣體。

【問題】在測量氣體體積時是否考慮了這部分氣體的體積？

學(xué)生：針筒壁上的刻度顯示的是針筒內(nèi)空氣柱的體積，不包含針筒前端及連接傳感器的軟管內(nèi)氣體的體積，因此實(shí)驗(yàn)中氣體體積的測量值比真實(shí)值小。

教師：事先依據(jù)特定的方法^[3]測出針筒前端及連接傳感器的軟管中氣體體積V₀=0.77 mL，對體積數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，將表1中體積數(shù)值均加上這部分氣體體積，再用計算機(jī)軟件重新繪制p-1/V圖線（如圖2），結(jié)果發(fā)現(xiàn)p-1/V圖像為一條經(jīng)過原點(diǎn)的直線。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在溫度不變的情況下，一定質(zhì)量的某種氣體壓強(qiáng)p與體積V成反比。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷分析和處理數(shù)據(jù)過程，提高數(shù)據(jù)分析與科學(xué)探究能力。學(xué)生通過分析誤差，提高自身科學(xué)思維能力，養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

四、總結(jié)

教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)的生活情境，通過問題驅(qū)動學(xué)生思考，建構(gòu)模型引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)、探究，最終得出了科學(xué)結(jié)論。在整個過程中，學(xué)生參與設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案、猜想分析、實(shí)驗(yàn)操作、記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)等活動，他們的學(xué)習(xí)積極性和主動性得到充分發(fā)揮。在設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案環(huán)節(jié)，教師將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法和傳感器等信息技術(shù)手段相結(jié)合，既提高了實(shí)驗(yàn)測量精度，又讓學(xué)生經(jīng)歷數(shù)據(jù)處理過程，親身體驗(yàn)并深度思考，發(fā)展了學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

注：本文系海南省教育科學(xué)規(guī)劃2021年度立項(xiàng)課題“中學(xué)物理自制教具的研究與開發(fā)”（課題編號：QJY20211054）階段性成果。

參考文獻(xiàn)

[1] 張紫屏.論素養(yǎng)本位學(xué)習(xí)觀[J].全球教育展望，2016（3）：3-14.

[2] 張玉峰.基于核心素養(yǎng)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)重難點(diǎn)突破[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2021.

[3] 吳志山.等溫變化時氣體壓強(qiáng)和體積倒數(shù)圖像關(guān)系“異?！钡奶骄縖J].物理教學(xué)，2022（7）：30-32.

（作者林豐、陳玉茹系海南省文昌中學(xué)教師；王理想系海南省教育研究培訓(xùn)院教研員）

責(zé)任編輯：祝元志