基于培養(yǎng)高中生物理核心素養(yǎng)的實(shí)踐研究

柴邵霞

摘要：促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)高中生物理核心素養(yǎng)。本文采用氣壓傳感器及集成溫度氣壓傳感器，利用Arduino單片機(jī)控制，制作能定量探究氣體等溫、等容和等壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，并詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)裝置的制作與應(yīng)用過程。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化技術(shù)?傳感器?氣體實(shí)驗(yàn)規(guī)律?核心素養(yǎng)

一、研究背景

2017版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出：“通過多樣化的教學(xué)方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，整體認(rèn)識(shí)自然界，形成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)科學(xué)探究能力?！蔽锢韺W(xué)科核心素養(yǎng)重要的一個(gè)方面就是科學(xué)探究，科學(xué)探究是指提出科學(xué)問題，形成猜想和假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力。科學(xué)探究不僅是一種科學(xué)學(xué)習(xí)的主要方式，是形成其他物理核心素養(yǎng)的主要途徑，而且對(duì)學(xué)生的提問能力、批判性思維能力、交流和合作能力等綜合能力的形成具有重要價(jià)值?？茖W(xué)探究主要包括：?jiǎn)栴}、證據(jù)、解釋、交流等因素。

《國(guó)家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出：“強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力”“推進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源共建共享”?！督逃筷P(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見》要求：“強(qiáng)化教學(xué)的實(shí)踐育人功能”“整合和利用優(yōu)質(zhì)教育教學(xué)資源”?！秶?guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020）》中提出：“著力提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，教育學(xué)生學(xué)會(huì)知識(shí)技能，學(xué)會(huì)動(dòng)手動(dòng)腦”“開發(fā)實(shí)踐課程和活動(dòng)課程，增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和技能實(shí)訓(xùn)的成效”。本文對(duì)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，以期通過數(shù)字技術(shù)和物理學(xué)科融合，達(dá)到培養(yǎng)高中學(xué)生物理核心素養(yǎng)的目的。

二、問題提出

現(xiàn)行教材中，探究氣體的等溫變化規(guī)律使用如圖1所示裝置，而對(duì)于等容變化和等壓變化均未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究就直接給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。稍早版本教材中使用如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置，探究氣體的等溫、等容和等壓變化規(guī)律，因需使用水銀來封閉氣體和測(cè)定氣體壓強(qiáng)，水銀有劇毒，在中學(xué)實(shí)驗(yàn)室已被禁用。以上實(shí)驗(yàn)方案均需要手動(dòng)記錄與處理數(shù)據(jù)。

我們采用數(shù)字化技術(shù)，量身定制了能夠探究氣體等溫、等容和等壓變化的實(shí)驗(yàn)裝置，可以利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集與處理數(shù)據(jù)。

三、實(shí)驗(yàn)制作所需器材與程序準(zhǔn)備

Arduino控制單片機(jī)3片、氣壓傳感器1只、集成溫度氣壓傳感器2只、30 mL注射器、20 mL注射器、大試管、錐形瓶、漆包線、橡皮塞和膠水等。圖3是氣壓傳感器模塊，用來測(cè)定氣體壓強(qiáng);圖4是集成的溫度氣壓傳感器模塊，用來同時(shí)測(cè)定氣體的溫度和壓強(qiáng);圖5是Arduino控制單片機(jī)，用來控制傳感器測(cè)量物理量并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)處理。將用Arduino程序編輯軟件編寫的傳感器控制及數(shù)據(jù)輸出程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)。

四、 制作與應(yīng)用

（一）探究氣體等溫變化實(shí)驗(yàn)

1.簡(jiǎn)單制作

將一定量氣體封閉在30 mL注射器中，用橡皮塞將氣壓傳感器與注射孔緊密連接;將傳感器連接單片機(jī)并接入計(jì)算機(jī)。如圖6所示為該裝置結(jié)構(gòu)示意圖，如圖7所示為該裝置實(shí)物圖。

2.實(shí)驗(yàn)探究過程

打開計(jì)算機(jī)中的串口監(jiān)視器和數(shù)據(jù)記錄表格，按下開關(guān);移動(dòng)活塞讀出注射器內(nèi)氣體體積，測(cè)出對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)，記入電子表格中;調(diào)節(jié)注射器活塞，改變氣體體積，重復(fù)上述步驟，測(cè)定多組數(shù)據(jù)，記入表格，如圖8所示;利用Excel作壓強(qiáng)P與1/V圖像，圖像為一條直線，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：一定量的氣體，溫度不變的情況下，壓強(qiáng)P與體積V成反比（P∝1V）。

（二）探究氣體等容變化實(shí)驗(yàn)

1.裝置制作過程

用漆包線作為引線，將集成溫度氣壓傳感器置入大試管內(nèi)，用橡皮塞加膠水將一定量氣體封閉在試管中，如圖9所示為該裝置結(jié)構(gòu)示意圖，如圖10所示為該裝置實(shí)物圖。

2.實(shí)驗(yàn)探究過程

將試管置于水浴加熱裝置中，將傳感器連接單片機(jī)并接入電腦;通過改變水溫來調(diào)節(jié)氣體溫度;測(cè)定氣體的溫度和對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)。待溫度和壓強(qiáng)穩(wěn)定后，測(cè)出溫度T和對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)P，記入電子表格。如圖11所示，測(cè)定多組數(shù)據(jù)，記入電子表格，利用Excel作壓強(qiáng)P與溫度T圖像，圖像為一條直線，得出結(jié)論：一定量的氣體，體積保持不變的情況下，壓強(qiáng)P與溫度T成正比（P∝T）。

（三）探究氣體的等壓變化實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)裝置制作過程

用排水法測(cè)定錐形瓶容積V0，為121 mL;在錐形瓶中置入集成溫度氣壓傳感器，用漆包線引出;將20 mL注射器活塞調(diào)至0刻度，用橡皮塞加膠水將注射器的注射孔與錐形瓶連接，將一定量氣體密封在錐形瓶中，將傳感器連接單片機(jī)并接入計(jì)算機(jī)。如圖12所示為該裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

改變水溫，實(shí)時(shí)監(jiān)控氣體壓強(qiáng)，調(diào)節(jié)注射器活塞，保持氣體壓強(qiáng)不變，讀出對(duì)應(yīng)的溫度T與注射器內(nèi)氣體體積ΔV;氣體的總體積V=V0+ΔV。采用錐形瓶容積為121 mL，氣體初始體積較大，在溫度升高時(shí)，氣體體積變化量ΔV較大，便于利用注射器測(cè)量。如圖13所示為該裝置實(shí)物圖。

2.實(shí)驗(yàn)探究過程

將錐形瓶置于水浴加熱裝置中，注入溫水調(diào)節(jié)氣體溫度，待溫度穩(wěn)定后，邊觀察氣壓傳感器示數(shù)，邊調(diào)節(jié)注射器活塞，改變氣體體積，使得氣壓傳感器示數(shù)為初始值，記錄注射器內(nèi)氣體體積ΔV和對(duì)應(yīng)的氣體的溫度T，記入電子表格;測(cè)定多組數(shù)據(jù)，記入表格，利用Excel計(jì)算氣體總體積V（V=V0+ΔV），再作體積V與溫度T圖像（如圖14），圖像為一條直線，得出結(jié)論：一定量的氣體，在壓強(qiáng)不變的情況下，體積V與溫度T成正比（V∝T）。

本組實(shí)驗(yàn)使用小型數(shù)字傳感器，快速準(zhǔn)確地測(cè)定氣體的壓強(qiáng)和溫度，改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量方式，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)的過程。數(shù)字傳感器的使用，可以在計(jì)算機(jī)中直接記錄數(shù)據(jù)，并利用電子表格快速處理數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理的過程，效果直觀。讓學(xué)生能在課堂上短短的45分鐘內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，并得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提高了課堂的教學(xué)效率。學(xué)生通過交流討論合作，探究問題，對(duì)物理學(xué)習(xí)的熱情高漲，極大鼓舞學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的信息，培養(yǎng)了學(xué)生的核心素養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)室原先配備的傳感器裝置價(jià)格昂貴，學(xué)校不可能采購很多套，不適合學(xué)生自己分組實(shí)驗(yàn)。采用小型的數(shù)字傳感器和單片機(jī)結(jié)合，價(jià)格低廉，非常適合學(xué)校配備，適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。當(dāng)前，大部分學(xué)校的物理實(shí)驗(yàn)室都沒有給學(xué)生配備電腦，但是在不久的將來，數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)室一定是未來學(xué)校的標(biāo)配，一定可以開展更多的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。就目前部分學(xué)?，F(xiàn)狀，可以考慮利用學(xué)校的微機(jī)教室開展。

五、總結(jié)與展望

數(shù)字化自制教具的出現(xiàn)增加了教師的創(chuàng)造魅力，教師自身的創(chuàng)造性是吸引學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)造的源泉。一套自制教具的成功演示，收獲的是學(xué)生對(duì)知識(shí)渴望的眼神和學(xué)習(xí)物理的熱情，有助于提升教師的職業(yè)幸福感，在無形中培養(yǎng)了學(xué)生的核心素養(yǎng)。

高中生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)任重而道遠(yuǎn)，不能一蹴而就。它不僅取決于教師對(duì)數(shù)字技術(shù)的掌握和運(yùn)用水平，也取決于學(xué)生的認(rèn)知和接收程度。通過不斷地嘗試和認(rèn)可，使學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解更加深刻，才能把培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)落到實(shí)處。

參考文獻(xiàn)：

中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民教育出版社，2018.