指向科學(xué)思維培育的初中物理實驗教學(xué)問題設(shè)計
——以“液化”為例

黃樹清 盧 倩

(1. 福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院,福建 福州 350000; 2. 廈門市第五中學(xué),福建 廈門 361000)

在初中物理教學(xué)中,實驗是重要組成部分,實驗教學(xué)是落實物理課程目標(biāo),全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑.[1]2017年高中新課標(biāo)指出,物理課程的任務(wù)旨在落實立德樹人根本任務(wù),進(jìn)一步提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).[2]這對初中物理實驗教學(xué)也提出了更高的要求.在初中物理教學(xué)中,應(yīng)優(yōu)化實驗教學(xué)問題設(shè)計,提升學(xué)生科學(xué)思維培育,促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落地.筆者以參加全國教學(xué)實驗說課比賽一等獎的實驗教學(xué)設(shè)計為例,探討實驗教學(xué)中問題設(shè)計的優(yōu)化.

1 研究教學(xué)主體,明確問題起點

學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體,教的行為、學(xué)的行為都應(yīng)圍繞發(fā)展學(xué)生個性需要和社會需求而開展.因此,實驗教學(xué)設(shè)計的首要任務(wù)是研究學(xué)情,明確問題起點.問題設(shè)置要基于最近發(fā)展區(qū),即根據(jù)學(xué)生的現(xiàn)有水平和通過學(xué)習(xí)可以達(dá)到的水平進(jìn)行問題設(shè)置.首先應(yīng)厘清學(xué)生的知識能力基礎(chǔ),學(xué)生已經(jīng)掌握的知識不教,學(xué)生容易掌握的自學(xué),學(xué)生不易掌握的運用問題驅(qū)動進(jìn)行突破.其次應(yīng)厘清學(xué)生的發(fā)展需求,學(xué)生迫切需要發(fā)展的重點教,學(xué)生認(rèn)為困難的運用一定的教學(xué)手段教.

在滬科版初中物理教材中,“液化”是9年級上學(xué)期的學(xué)習(xí)內(nèi)容.學(xué)生已經(jīng)學(xué)完了分子動理論、熔化、凝固和汽化,初步掌握了研究物態(tài)變化的方法,奠定了研究液化的知識基礎(chǔ).液化的概念、現(xiàn)象的辨別等學(xué)生能夠很容易地通過生活經(jīng)歷掌握,可以作為課前自學(xué)內(nèi)容.在思維能力9年級學(xué)生已掌握一定的科學(xué)探究方法,但科學(xué)思維的發(fā)展仍需要教師指導(dǎo).因此,這節(jié)課教師的問題應(yīng)圍繞如何引導(dǎo)學(xué)生在觀察、設(shè)計實驗的基礎(chǔ)上,發(fā)展對比、分析、評價等高階思維而設(shè)計.

2 根據(jù)實驗環(huán)節(jié),設(shè)計問題主線

在進(jìn)行實驗教學(xué)問題設(shè)計前,應(yīng)先根據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計實驗內(nèi)容、實驗器材以及實驗中蘊含的思維方法,然后確定問題主線.

例如,“液化”是物態(tài)變化中重要的一環(huán).課程標(biāo)準(zhǔn)要求“通過實驗探究物態(tài)變化過程.能用水的三態(tài)變化解釋自然界中的一些水循環(huán)現(xiàn)象.”其中液化放熱的特點對于學(xué)生比較抽象,而教材中僅以“液化是汽化的相反過程”作為說明,缺乏實驗輔助學(xué)生理解,因此應(yīng)設(shè)計實驗對此進(jìn)行突破,符合初中生認(rèn)識客觀世界的特點.

本節(jié)課實驗教學(xué)環(huán)節(jié)制定，如表1所示.

表1

根據(jù)教學(xué)環(huán)節(jié),本節(jié)課的問題主線設(shè)置為:首先通過問題促進(jìn)學(xué)生重視觀察現(xiàn)象,辨識事實;其次通過比較分析促進(jìn)學(xué)生理解現(xiàn)象背后的物理本質(zhì);然后通過問題解決促進(jìn)學(xué)生發(fā)散思維;最后通過設(shè)計實驗進(jìn)行推理論證,促使學(xué)生綜合運用實驗和理論驗證,建立對比分析的思維模型.通過問題主線的設(shè)置使探究從觀察到設(shè)計逐步深入,思維從低階到高階逐步發(fā)展.

3 優(yōu)化問題設(shè)計,培育科學(xué)思維

3.1 經(jīng)歷真實情境,引發(fā)自主提問

觀察是思維的基礎(chǔ).在初中物理教學(xué)中,應(yīng)還原給與學(xué)生一個生活的真實情境.在經(jīng)歷真實情境中,學(xué)生往往能夠更加積極自信地觀察現(xiàn)象,教師可以不必包辦代替,讓學(xué)生根據(jù)自己的知識和能力基礎(chǔ)基于觀察進(jìn)行主動思考并提出問題.

圖1

在本節(jié)課中,將“電磁爐燒水”這一生活中的情境“搬入”課堂.學(xué)生利用電磁爐燒水,直到沸騰并觀察壺口處的現(xiàn)象.(如圖1)教師提醒學(xué)生,可以用手電筒照射,便于觀察;并且不可距離太近,應(yīng)注意安全.

學(xué)生觀察到有白氣,提出問題:“白氣是水蒸氣嗎”，“白氣是如何形成的呢”等問題.經(jīng)過討論,學(xué)生分析,水蒸氣是看不見的,白氣是水蒸氣遇冷凝結(jié)的小水珠.學(xué)生還總結(jié)得出氣體可以變成液體,從而知道液化概念,并舉例自然中和生活中的各種液化現(xiàn)象.

在真實場景中,根據(jù)觀察現(xiàn)象引發(fā)認(rèn)知沖突,根據(jù)沖突步步深入地思考,學(xué)生得以自己消除前概念,建立新的概念.在此過程中主動經(jīng)歷提問、辨別、分析和歸納等思維過程,發(fā)展了分析、歸納思維.

3.2 基于深入觀察,形成問題猜想

學(xué)生在實驗的過程中,觀察不一定足夠深入.教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生有方法、有順序的進(jìn)行觀察,否則提出的問題將浮于表面,無法深入科學(xué)本質(zhì).更全面的觀察使學(xué)生得以更加深入的思考.

在“電磁爐燒水”實驗中,部分學(xué)生還觀察到,白氣不是緊挨壺嘴,而是出現(xiàn)在離壺嘴一段距離的地方.教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入觀察和討論并猜想,“液化有條件嗎”，“液化條件是氣體溫度降到足夠低嗎”等問題.

為了驗證猜想,學(xué)生利用兩只不銹鋼湯匙、酒精燈及火柴,設(shè)計方案驗證液化的條件:在一只湯匙上哈氣,出現(xiàn)小水珠;將湯匙在酒精燈上稍稍加熱后再哈氣,沒有小水珠.學(xué)生進(jìn)行對比分析,水蒸氣噴到稍稍加熱過的湯匙,溫度不能降到足夠低,不會液化;噴到未加熱過的湯匙上,溫度可以降到足夠低而液化,自主合作驗證了猜想.

教師肯定并且引導(dǎo)學(xué)生歸納出對比的實驗方法,并指出這是一種重要的科學(xué)思維.

在教師引導(dǎo)下,學(xué)生在情境中更加深入地觀察與思考、對自己提出的猜想進(jìn)行驗證,獲得正確結(jié)論并作出解釋.在設(shè)計實驗的過程中,并不是所有學(xué)生都能具備對比思想,因此,應(yīng)給予足夠的時間,讓學(xué)生深入探討、展示自己的想法.學(xué)生在實驗中感受科學(xué)方法與思想在科學(xué)探究中的作用,思維得以提升.

3.3 適度開放問題,培養(yǎng)發(fā)散思維

教師在利用問題引導(dǎo)學(xué)生實驗的過程中,應(yīng)豐富問題的種類,兼顧問題的開放性,以促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)散性.

例如,關(guān)于液化的方法,教師事先準(zhǔn)備好一針筒乙醚氣體(要進(jìn)行密封處理,以保證安全性),一盆冰水和鐵架臺.提問學(xué)生能否使用多種方法使乙醚氣體液化?根據(jù)學(xué)生的想法,教師進(jìn)行操作:可以推進(jìn)針筒活塞,可以將針筒浸沒在冰水中,也可以將針筒放入冰水中同時推進(jìn)針筒活塞.(如圖2)學(xué)生自主總結(jié)出,液化的方法有:降低溫度、壓縮體積和兩者兼用.

圖2

學(xué)生已經(jīng)通過實驗了解了水蒸氣的液化,再通過乙醚液化再次直觀經(jīng)歷液化過程,認(rèn)識物態(tài)變化只是物質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化導(dǎo)致體積變化,但總質(zhì)量(物質(zhì)的多少)不變.增強對物態(tài)變化本質(zhì)的認(rèn)識.

在初中物理教學(xué)中,問題的形式可以是多種多樣的.在實驗教學(xué)中,開放型的問題往往指向?qū)嶒灜h(huán)境的優(yōu)化、實驗器材的選擇、實驗方案的設(shè)計和實驗方法的運用.適度開放的問題能夠全面發(fā)展學(xué)生解決問題的能力和發(fā)散的思維.

3.4 追問引發(fā)質(zhì)疑,提煉思維方法

當(dāng)實驗教學(xué)過程中學(xué)生遇到質(zhì)疑時,教師應(yīng)鼓勵質(zhì)疑并適時追問,由此進(jìn)行原有實驗的改進(jìn)或者創(chuàng)新,發(fā)展解決問題的能力和創(chuàng)新思維.

例如,在本節(jié)課中學(xué)生已學(xué)過汽化,不難猜想液化是放熱的.教師追問:為什么大家認(rèn)為液化是放熱的?學(xué)生的主要有以下一些觀點.

學(xué)生觀點1:液化與汽化是相反的過程,因此是放熱的.

學(xué)生觀點2:因為水蒸氣在湯匙上液化,湯匙變得燙手,所以液化是放熱的.

學(xué)生觀點3:反駁觀點2.因為水蒸氣的溫度本就比湯匙高,這個實驗不能說明液化放熱.

基于學(xué)生的觀點,可以看出學(xué)生對液化是否放熱是存在疑惑的.應(yīng)鼓勵持觀點3的大膽質(zhì)疑的學(xué)生.學(xué)生在“湯匙驗證液化條件”的實驗中經(jīng)歷了一次對比分析,討論出可以將一只湯匙放入沸水中,另一只相同的湯匙放入沸水產(chǎn)生的水蒸氣中,對比湯匙末溫以驗證液化是否放熱.

教師認(rèn)同學(xué)生的設(shè)計思路,但由于這樣的水蒸氣溫度過高,為了保證安全,運用自制教具液化演示儀來演示.液化演示儀由家用電磁壺改裝而成(如圖3),接通電源就可加熱壺里的水直至沸騰,水面上方就產(chǎn)生了水蒸氣.水壺裝有兩根導(dǎo)管,側(cè)壁的導(dǎo)管可以導(dǎo)出沸水,上方的導(dǎo)管可以導(dǎo)出與沸水等溫的水蒸氣.底座上架著兩支試管,用針筒分別裝入等溫、等量染成紅色的冷水.[3]

圖3 液化演示儀

待水沸騰后,在左試管中通入沸水,使液面到達(dá)藍(lán)色刻度處.在右試管中通入與沸水等溫的水蒸氣.用玻璃棒攪拌均勻后,分別用數(shù)顯溫度計測出水的末溫.(如圖4)學(xué)生驚訝地發(fā)現(xiàn)右試管中水的末溫竟然與左試管溫度差大于30 ℃.學(xué)生推理分析:兩試管中原來裝有等質(zhì)量、等溫的冷水.后向左試管中通入沸水,將沸水直接與冷水混合.向右試管中通入與左試管等溫而質(zhì)量更少的水蒸氣,水蒸氣在液化成沸水的同時與冷水混合,多了一個液化過程.如果液化不放熱,左試管中水的末溫應(yīng)該更高;然而結(jié)果卻是右試管中水的末溫高出許多.證明液化是放熱的.

圖4

教師總結(jié),這里又一次用到了對比論證的思維方法.這個方法可以用于日后的其他研究中.

在學(xué)生遇到問題和形成質(zhì)疑的時候,便是提升思維能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維的時候.在科學(xué)探究中,教師應(yīng)抓住機遇,鼓勵質(zhì)疑精神,通過追問引導(dǎo)學(xué)生在質(zhì)疑中形成思考,大膽創(chuàng)新,設(shè)計實驗,進(jìn)行論證.在論證的過程中,學(xué)生往往能提煉科學(xué)方法,形成探究模型,培養(yǎng)創(chuàng)新能力,發(fā)展思維水平.

4 總結(jié)

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科.科學(xué)素養(yǎng)的培育與實驗教學(xué)息息相關(guān),在教學(xué)中應(yīng)注重實驗教學(xué)問題的設(shè)計.首先應(yīng)把實驗和生活結(jié)合起來,用生活中的實驗現(xiàn)象啟迪學(xué)學(xué)生主動提問;其次應(yīng)通過更加深入的觀察,形成新的思考和問題猜想;再次應(yīng)適度開放問題,培養(yǎng)發(fā)散思維;最后應(yīng)鼓勵質(zhì)疑精神,大膽創(chuàng)新實驗,培育創(chuàng)新意識,將科學(xué)方法進(jìn)行提煉,切實提升初中學(xué)生科學(xué)思維水平.