基于核心素養的物理活動教學設計
——以“內能”為例

陳強燕

(江蘇省石莊高級中學,江蘇 南通 226531)

物理學科核心素養包括物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任四個方面，活動教學的本質就是讓學生積極主動參與課堂活動,進行科學探究,并對觀察到的現象進行歸納、整理和分析,有效地提高學生自主學習的能力和發散性思維能力,充分發揮學生的主觀能動性,讓學生成為活動的主體,不斷提升其核心素養。

1 設計思想

“內能”一節的教學內容包括內能的概念、影響內能大小的因素、改變物體內能的方式及其實質三部分。

1.1 設計思路

教師利用演示實驗“無污染空氣響炮”引入新課，創設情境,類比得出分子動能和分子勢能,引出物體的內能。通過觀察、閱讀,分析歸納得出影響內能大小的因素。通過任務導引，總結出改變物體內能的兩種方式。通過實例分析,演示實驗“自制熱功轉換儀”,歸納出改變內能的實質。通過解釋“無污染空氣響炮”的奧秘、觀看“神舟十號升空視頻”的小活動,反饋鞏固教學,呼應開頭,提升學生的環保意識和民族自豪感。

1.2 教學重點

本節的教學重點為：改變內能的兩種方式及其實質。步驟一是自主活動,感性體驗：如何增加鐵絲的內能？知道改變內能有不同途徑;步驟二是分類比較，獲知改變物體內能的不同途徑、方法,知道改變內能的兩種方式;步驟三是應用分析、完善認識。通過對鐵絲放入熱水、壓縮空氣、空氣對風車做功等的實例分析,理解改變內能的兩種方式——熱傳遞和做功是等效的。

1.3 教學難點

本節的教學難點為：物體對外界做功時溫度、內能的變化。通過演示“自制熱功轉換儀”,使做功改變內能時的溫度變化直觀可視,直觀感受到外界對物體做功,溫度升高,內能增大;物體對外界做功，溫度降低，內能減少。

本節課重視核心素養的培養,努力通過生活現象、演示實驗和學生實驗等活動,運用類比、實驗探究、歸納總結、建模等物理方法,帶領學生逐步認識影響內能大小的因素、改變物體內能的方式及其實質,鼓勵學生用物理知識解釋生活中的現象。教學中要求學生主動參與,在觀察現象、動手實驗探究、合作交流等過程中，體會透過現象看本質的思維方法,享受學習的樂趣,認識交流與合作的重要性,激發學生為祖國科學進步而奮斗的熱情。

2 教材分析

“內能”是滬教版物理第五章第三節的內容，教學內容包括內能、改變物體內能的方式等。本節是本章內容承上啟下的關鍵,通過內能的學習，既鞏固分子動理論,又為熱機等知識的學習做鋪墊。

3 學情分析

本節課的學習需要機械功與能、能量以及分子動理論等知識準備,學生已熟知這些內容。內能概念較抽象,學生缺乏感性認識，同時也缺少物體對外做功溫度降低的直觀感受。

八年級學生的思維正處于從形象思維向抽象思維的過渡階段，雖接觸過類比方法,但是學生的實驗觀察、分析能力還有待提高。應注意利用學生好奇、好動、好強的心理特點,以感性認識為依托,激發學生思維,通過理性分析和判斷,獲取新知,培養他們的抽象思維能力。

4 教學目標

(1) 物理觀念：從生活化的系列活動情境的探究中建立內能的概念，知道影響內能的因素，知道改變物體內能的兩種方式，知道內能改變的實質，會運用內能知識解決生活中的實際問題。

(2) 科學思維：通過改變鐵絲的溫度的活動,知道做功和熱傳遞都可以改變物體的內能,感受比較、歸類的科學方法。

(3) 實驗探究：通過實驗的演示、觀察和分析,自主建構分子勢能的概念、做功改變內能的實質。

(4) 科學態度與責任：通過實例分析，感悟生活與物理的聯系，提升學生的環保意識,激發學生的民族自豪感和使命擔當。

5 教學流程

教學流程圖如圖1所示，以活動的方式展開。

圖1

圖2

5.1 觀察類比,建構內能的概念

教師演示“無污染空氣響炮”(如圖2),提問：推動響炮彈出的能量來自哪里?

觀察類比:

(1) 觀察運動足球和分子動畫,足球由于運動具有什么能？分子由于運動具有什么能?

(2) 演示“彈簧小球模型”(如圖3),壓縮和拉伸的彈簧由于彈力作用具有什么能?分子間由于存在相互的引力和斥力的作用具有什么能?

圖3

思考與討論:物體的內能會為零嗎?

由于分子在不停地做無規則運動,分子動能不為0,分子勢能不為0。

總結:物體是由分子組成的,分子在不停地做無規則運動,具有分子動能,分子間存在相互作用,具有分子勢能,所以一切物體都具有內能。

設計意圖:由演示自制的“無污染空氣響炮”引入新課，通過觀察、類比分析，提出分子動能和分子勢能的概念，順勢引出內能概念，并通過思考與討論，得出結論：一切物體都具有內能。

5.2 猜想思考,探究影響內能大小的因素

猜想:我們知道物體的質量有大有小，物體質量越大,所含分子數越多,內能越大。那么質量一定的物體的內能大小與哪些因素有關?

思考與討論:

(1) 兩杯質量相同的冷水和熱水,內能相同嗎?嘗試用已學知識解釋。

(2) 質量相同、溫度相同的物體,內能就一定相等嗎?請同學們閱讀課本,回答該問題。

由活動可知：物體內能與溫度有關,溫度升高,內能增大;溫度降低,內能減小(溫度改變,分子動能改變,內能改變)。物體的內能還與物體的體積、狀態有關，體積、狀態改變,分子勢能改變,物體內能改變。

設計意圖:學生通過猜想、思考與討論，運用已學的分子熱運動和汽化吸熱知識,自主探究,驗證猜想,感受控制變量方法,讓學生自主建構知識。

5.3 任務導引，探究改變內能的兩種方式

探究目的:如何使一根鐵絲的內能增加?

學生設計方案,分組體驗：A放在熱水中燙；B在砂紙上摩擦；C放在太陽下曬；D用錘子敲；E放在火上燒；F用力反復彎折；G放在手中捂。

思考與討論:

(1) 說說這些方法的區別,將其分類,你分類的原則是什么?

A、C、E、G為一類，兩物體間存在溫度差,高溫物體放熱,低溫的鐵絲吸熱,發生了熱傳遞。方案B、D、F為一類，伴隨著運動,我們知道如果物體在力的作用下,在力的方向上運動一段距離,表明力做功了。

(2) 改變內能的方式有沒有第三種?

學生進行小組討論,在不斷的否定中,得出結論：沒有第三種改變物體內能的方式。

歸納與總結:改變物體內能的兩種方式為做功和熱傳遞。

設計意圖:通過任務驅動，設計方案,分組體驗,展示交流,激活了學生的思維,培養了學生的發散性思維能力。

5.4 探究改變內能的本質

思考與討論:

(1) 將鐵絲放入熱水中,是通過什么方式改變鐵絲的內能?

(2) 鐵絲和熱水的內能如何變化?

高溫物體內能減少,低溫物體內能增大,內能從高溫物體轉移到低溫物體(或者從物體的高溫部分轉移到低溫部分)。熱傳遞改變物體內能的實質:內能的轉移。

教師用自制熱功轉換儀演示，探究做功改變內能的實質，實驗器材為:空油桶、橡皮管、打氣筒、帶探頭的數字化溫度計、風車(如圖4)。

圖4

觀察分析：

(1) 壓縮空氣做功,溫度會怎樣變化?內能會怎樣變化?

(2) 氣體膨脹對風車做功,溫度會怎樣變化?內能會怎樣變化?

實驗表明：外界對物體做功,溫度升高,內能增大,其他形式的能轉化為內能。物體對外做功,溫度降低,物體內能減小,內能轉化為其他形式的能。做功改變物體內能的實質:內能的轉化。

設計意圖:通過思考與討論、小組合作,得出熱傳遞改變內能的實質。做功改變內能的過程中溫度的變化是內能教學的難點，利用傳統教學方法，學生難以獲得溫度變化的直觀體驗,利用自制熱功轉換儀使溫度的變化直觀可視化,降低了認知難度。

5.5 應用拓展

教師引導學生運用本節所學物理原理解釋“無污染空氣響炮”的奧秘。

壓縮空氣,外界對空氣做功,內能增大,機械能轉化成空氣的內能;然后空氣膨脹,空氣對響炮做功,內能轉化為響炮的機械能,推動響炮飛出。

教師播放“神舟十號”發射升空的視頻,引導學生分析其中內能的轉化,拓展學習空間,激發學生自主學習的欲望。

設計意圖:通過解釋“無污染空氣響炮”的工作原理,鞏固教學內容,首尾呼應。觀看“神舟十號”發射升空的視頻,分析其中內能的轉化,讓學生深刻體會物理知識來源于生活,服務于社會，了解我國航天科技成就,激發了學生的民族自豪感。

6 結語

本教學設計以培育學生核心素養為目標,充分挖掘教科書素材，巧妙自制教具,創設富有探究性的活動情境,以情激趣,引導學生觀察、分析實驗現象,通過類比分析、合作交流,歸納和總結規律,從而突破了內能概念教學的難點,達到了相關知識的自然生成，提升了學生應用所學知識解決實際問題的能力。