基于實驗的學生物理核心素養培育策略

■金 剛

2016年9月，教育部委托課題“中國學生發展核心素養”研究成果正式發布，明確了中國學生發展的六大核心素養，通過頂層設計來解決對“素養發展”關注不足的問題。核心素養的提出是對三維目標的提煉和整合，既承接了“知識、能力、情感態度價值觀”三維目標，又超越了三維目標，是學科育人的集中體現。物理學科素養是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質，由“物理觀念”“科學思維”“實驗探究”“科學態度與責任”等四個方面的要素構成。

“水沸騰實驗”是蘇科版八年級物理上冊第二章第二節中的重要實驗，實驗中多處現象需要師生“再”理解，“再”深入，“再”設計，“再”驗證，“再”強化，以期發展學生的各項素養。

一、巧設實驗，觀念“再”形成

在物理學習過程中，學生的認知過程不能僅停留在強行識記上，課堂中教師不能一給出概念就讓學生去熟讀強背。實驗是個很好的載體，教師可以巧妙地設計實驗，利用實驗中的現象讓學生去認知概念，辨析概念，理解概念，從而建立科學的物理觀念。

在學生分組實驗中會出現各種實驗現象。筆者設計了一組學生實驗，實驗裝置如圖1所示。用酒精燈給燒杯（燒杯未加蓋）中的水加熱，當溫度計示數上升至97℃便不再上升，此時燒杯中并未出現大量由小變大上升的氣泡。

沸騰是液體內部與表面同時進行的劇烈的汽化現象，此時并未出現劇烈的汽化現象，所以不能叫作沸騰。沸點是液體沸騰時保持不變的溫度，實驗中雖然溫度保持不變，但是液體并沒有沸騰，所以本實驗中保持不變的97℃并不是沸點。

通過對比實驗現象與物理概念，有利于學生對物理概念的“再”理解。物理概念的辨析建立，對提升學生學習物理的信心起著重要作用，也有利于學生在潛移默化中形成物理觀念。

二、問題引領，思維“再”深入

借助上述實驗現象，可以提出很多相關的問題來幫助學生更好地思考，這就需要教師設計問題來引導。問題：水溫保持97℃不變的原因是什么？學生討論后很容易得到：保持不變的原因是97℃時水吸收的熱量跟放出的熱量正好平衡，即Q吸=Q放，所以水溫保持不變。

1.問題鏈細化“再”深入。

問題1：97℃時吸放熱平衡，95℃時吸放熱是否平衡？（不平衡，因為溫度還會上升。）

問題2：95℃時吸放熱不平衡是水吸熱導致的還是放熱導致的？（放熱導致，因為酒精燈放熱未變，即水吸熱不變，放熱比97℃時少，此時Q吸＞Q放，所以溫度繼續上升。）

問題3：什么會導致放熱變化？（溫度，更確切地說是與外界的溫差，溫差越大，放熱越快。）

2.圖像法輔助“再”驗證。

對上述問題，我們還可以通過圖像法進行輔助研究，幫助學生驗證理解，讓知識更扎實，思維更清晰。將各個時刻溫度計的示數制表，如表1所示，并將數據用作圖的方式呈現在坐標系中，如圖2所示，發現隨著溫度的上升曲線變緩，說明溫度升高越慢，放熱越快。

表1

綜合分析可知，酒精燈放熱不變，就是水吸熱不變；當水溫升高后，與外界空氣溫差變大，向外界空氣放熱就會變快，到達97℃時，吸放熱的速度相同，達到吸放熱平衡，所以溫度保持97℃不再上升。

知識的構建與能力的形成需要一個漫長而循序漸進的過程。在課堂教學中，這種循序性、漸進性都需要教師的引領，問題及問題鏈的“再”深入、“再”細化、“再”設計，研究方法的多樣化，對激發科學思維、培養興趣起著至關重要的作用。

三、釋疑解惑，探究“再”驗證

實驗中發現，97℃時水吸放熱平衡導致達不到沸點，要使水溫繼續上升達到沸點，看到沸騰現象，我們需要打破平衡。要解決這個問題，我們可以增大Q吸或者減小Q放，即可以加大酒精燈火焰或者減少放熱。如圖3所示，可以采用加蓋減少熱損失的方式來完成此實驗，同時在實驗過程中，發現水沸騰后出現大量的“白煙”，溫度計的玻璃管上吸附著大量小水珠。

疑惑一：高溫水蒸氣液化后放熱吸附在玻璃管上會不會使玻璃管中液注再膨脹而使溫度上升？此時溫度計的示數就會高于水的沸點。

解惑一：我們可以用普通溫度計、數顯溫度計同時測量水沸騰時的溫度（因為數顯溫度計是用感溫頭測溫）。如圖4所示，實驗發現兩溫度計示數相等，說明液化放熱使玻璃管中液注再上升影響溫度計測量水的沸點的說法不成立。

疑惑二：加蓋后會不會使燒杯內氣壓變高而使水的沸點升高呢？

解惑二：同樣用類比的方法對燒杯內的水進行加熱至沸騰，實驗發現，加蓋前溫度計測出水的沸點為99℃，加蓋后測出沸點為102℃，由此可見加蓋后的沸點明顯升高，排除由于水蒸氣液化放熱使讀數上升后，影響因素就可能是氣壓了。為了證實猜想，又用燒瓶盛水進行水沸騰實驗。如圖5所示，實驗發現燒瓶中測得的水溫達到104.2℃，這時水還未沸騰，說明水的沸點升高了，也就說明沸騰后水蒸氣集聚不能及時跑出瓶外，導致燒瓶內氣壓局部升高，會影響水的沸點，使沸點升高。

學生在有目的的探究活動中，通過對實驗現象的分析，抓住主要因素，忽略次要因素，往往容易獲得實驗結論及物理規律。但是被我們忽略的次要因素，其中有很多值得我們去研究，為此，我們應對實驗進行“再”設計、“再”探究，從而提高學生的創新精神和實踐能力。

四、關注生活，責任“再”強化

物理源于生活并服務于生活，為此，我們應培養學生發現生活中的物理現象并提出問題，利用所學物理知識分析得出結論，使物理素養再強化。在課堂教學之余，教師可布置以小組為單位的課外實驗任務，以此培養學生的實踐能力、科學態度和社會責任。

任務一：如何進一步縮短加熱時間？這在生活中有哪些應用？學生通過分析和實踐，總結出了不同的方法，同時很自然地形成了“節能”的意識。在此基礎上，再進一步提出：高溫水蒸氣是有能量的，這部分能量能利用起來嗎？學生很自然地就聯想到蒸汽機，以及能量有效利用、節約能源的問題。

任務二：用不同的水做實驗，比如純凈水、自來水、河水，它們的沸點是否相同呢？