基于課程標準的“沸騰”教學設計

陳朝陽 李建彬 胡象嶺

摘 要：本文基于課程標準的要求，在教材分析、學情分析的基礎上，設計凸顯科學探究的“沸騰”教學目標、教學過程、教學評價，教學過程主要包括學生基于觀察和推理建立沸騰概念、探究水沸騰時溫度變化特點.

關鍵詞：沸騰;教學設計;科學探究;核心素養

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）08-0042-04

作者簡介：陳朝陽（1998-），女，山東青州人，碩士研究生，研究方向：物理學科教學;

李建彬（1991-），男，山東泰安人，本科，講師，研究方向：物理課程、教學與學習;

胡象嶺（1963-），男，山東汶上人，本科，教授，研究方向：物理課程、教學與學習.

1 教材分析

“沸騰”的教學內容，是培養學生物理學科核心素養的重要教學資源.因為沸騰作為液體內部和表面同時發生的劇烈汽化現象，不僅是物態變化中的一種形式和常見的生活現象，而且有關“沸騰”的知識廣泛應用于生產生活及科學研究中.此外，液體沸騰時的溫度變化特點以及沸點概念，是學生體會能量轉化和能量守恒思想的生動載體.同時，學生對液體沸騰時溫度變化特點的探究過程，較為完整地體現科學探究的七要素，是提升初中學生科學探究能力的典型素材.

人教版初中物理教科書[1]將“沸騰”編排在八年級上冊第三章“物態變化”第3節“汽化和液化”中，本節教科書還編排汽化和液化的概念、蒸發和液化現象等內容，本文只討論“沸騰”部分的教學問題.《義務教育物理課程標準（2011年版）》對于“物態變化”一節的要求是：“經歷物態變化的實驗探究過程，知道物質的熔點、凝固點和沸點，了解物態變化過程中的吸熱和放熱現象.用物態變化的知識說明自然界和生活中的有關現象.”[2]教科書首先在描述生活現象的基礎上用簡短的語言給出沸騰的定義，接著安排實驗探究水沸騰時的溫度變化特點，揭示沸騰時的氣泡特點、溫度變化特點以及吸熱情況，最后點明沸點的概念.

2 學生情況分析

本節課的教學對象是八年級學生，他們在小學科學的學習中對沸騰現象已有初步認識，但主要停留在對沸騰現象的觀察[3]，并未經歷完整的科學探究過程.對于科學探究，學生在上節課“熔化和凝固”的學習中，經歷初中物理課程中的第一個科學探究活動——探究固體熔化時的溫度變化特點，因此，本節課是學生對科學探究的再認識.

學生雖然在學習沸騰概念之前已經學習汽化的概念，但對沸騰的認識仍然浮于表面，難以將沸騰與汽化聯系在一起.這就需要教師引導學生將觀察與邏輯推理相結合，透過“沸騰時液體中有氣泡產生”的表象認識到“沸騰是汽化現象”的本質.另外，由于學生剛剛開始學習物理，能量觀念比較薄弱，在分析沸騰現象中的能量轉化時亦會產生一定的認知困難，需要教師加以引導.

3 教學目標

基于上述分析，筆者對“沸騰”部分的教學目標設計如下：

（1）通過觀察和科學推理，認識沸騰是液體表面和內部同時發生的劇烈的汽化現象;

（2）經歷水沸騰時溫度變化特點的探究過程，體會問題、證據、解釋、交流等科學探究要素的要求和意義;

（3）根據探究結果，知道液體具有沸點，了解液體沸騰的條件和沸騰時的能量轉化;

（4）能用沸騰的知識解釋有關現象，體會物理學與生活的聯系.

4 教學重點與難點

重點：水沸騰時的溫度變化特點.

難點：沸騰現象的本質.

5 教學過程

5.1 基于觀察和推理建立沸騰概念

教師首先通過鴛鴦火鍋總是辣油鍋先“燒開”的生活現象激發學生學習興趣，點明“燒開”這一生活用語在物理學中叫作“沸騰”，引入沸騰概念的教學.

然后，通過以下三組觀察與推理活動，幫助學生建立沸騰概念，認識沸騰現象的本質.

5.1.1 初步建立沸騰概念

利用透明水壺燒開一壺水，引導學生觀察并回答下列問題：你觀察到了什么？這些氣泡都在什么位置？學生能觀察到水的內部和表面都有氣泡出現，且氣泡不斷產生、翻滾，十分劇烈.教師在此基礎上，引導學生推理：氣泡怎么產生？這一問題學生不易回答，教師此時拋出輔助問題：是空氣進入水中形成的嗎？然后引導學生根據汽化知識，通過推理得出氣泡是水遇熱發生汽化現象變成的水蒸氣聚集在一起所形成.由此，學生建立沸騰概念：沸騰是液體內部和表面同時發生的劇烈汽化現象.

5.1.2 加深學生對沸騰本質的認識

在學生概念初步建立后，繼續觀察水沸騰現象，教師進而提出問題：水沸騰時氣泡有什么特點？學生不難發現，沸騰時氣泡比較多，由下到上逐漸增大，直到水面破裂開來.

教師在此基礎上引導學生思考：為什么沸騰時氣泡逐漸增大？這個問題有一定難度，需要教師引導學生展開推理：沸騰時，底部的水由于最靠近熱源不斷汽化會聚成氣泡，在氣泡上升的過程中，又不斷有水發生汽化現象，變為水蒸氣匯入氣泡中，導致氣泡逐漸增大，直到水面破裂開來.

5.1.3 明確水沸騰時的現象特征

教師將水停止加熱一小段時間后，再次加熱，引導學生觀察水沸騰前的氣泡特點，并嘗試利用學過的知識加以解釋.

學生觀察到水即將沸騰時，氣泡由大變小.經歷之前的推理過程，學生可根據熱脹冷縮原理以及本節課所學的液化知識，解釋這一現象：底部的水由于最靠近熱源，發生汽化現象，形成氣泡并上升.但是沸騰前，水的上部溫度較低，氣泡遇冷體積會變小;氣泡遇冷會放熱，部分水蒸氣發生液化，也會使得氣泡體積減小.

教師將沸騰前后的氣泡特點繪制在黑板上（如圖1所示），為接下來的科學探究活動奠定基礎.

5.2 探究水沸騰時溫度變化的特點

在學生明確沸騰概念后，便可以進入探究水沸騰時溫度變化特點的教學環節.本設計依據物理學科核心素養對科學探究的要求[4]，制定探究方案.探究過程以科學探究的問題、證據、解釋、交流四個要素為邏輯線索展開.

5.2.1 問題

對于問題要素，物理學科核心素養強調，要基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設[4].對于本節課，學生很容易將水沸騰與溫度變化聯系起來，但困難在于學生難以將這種聯系轉化為問題，并準確表述為一個可探究的物理問題.教師可以在學生生活經驗的基礎上，基于沸騰是水發生汽化的本質，類比冰熔化為水的溫度變化特點，引導學生提出本節課探究的問題：水沸騰時溫度變化有什么特點？

通過采用類比冰熔化為水的溫度變化特點的方式，學生很容易提出猜想：水在沸騰時溫度保持不變.但此時猜想的依據并不充分，教師應引導學生進一步分析：水沸騰需要有熱源加熱，顯然水沸騰前溫度會持續升高;水沸騰后，如果繼續加熱，水的溫度會不會一直升高？假如溫度會一直升高，會出現什么結果？學生根據所學的熔化知識容易意識到，若溫度一直升高，勢必會達到一定的溫度使得容器熔化，與事實經驗不符，從而有依據地提出“水在沸騰時溫度保持不變”這一假設.

5.2.2 證據

證據要素包括設計實驗與制定計劃、進行實驗與收集證據[4].《義務教育物理課程標準（2011年版）》要求，學生在設計實驗與制定計劃過程中，應明確探究目的和已有條件，嘗試考慮影響問題的主要因素，并能嘗試選擇科學探究方法及所需要的器材[2].本節課實驗方案比較簡單，且與上節課“探究固體熔化時的溫度變化特點”的探究方案具有相似性，因此可采用學生匯報的形式設計探究方案.為體現課程標準要求，教師應注意以下三點：

第一，強調實驗方案應基于探究目的進行設計.本節課與上節課的探究方案雖然具有相似性，但探究問題不同.教師需要在教學過程中，讓學生體會本節課的實驗方案是根據探究目的進行設計，并非簡單復制上節課的方案.

第二，在教學過程中，教師應引導學生分析實驗的影響因素，并有針對性地提出改進方法.對于本實驗而言，教師要引導學生提出使水盡快燒開的改進方法：（1）加蓋子;（2）水的初始溫度高一些;（3）燒杯適當小一些.實驗方案如圖2所示.

第三，除了設計實驗方案外，還需制定記錄和處理數據的方案.基于上節課的探究，學生可以自主設計數據記錄表格以及處理數據的“溫度—時間”圖像.教師需要強調以下注意事項：（1）當溫度達到90℃左右時每隔0.5分鐘記錄一次數據;（2）實驗過程中注意觀察氣泡特點，觀察到沸騰現象之后再記錄4-6組數據;（3）撤掉酒精燈后繼續觀察燒杯內氣泡變化，并再記錄幾組數據.

探究方案完成后，學生進行實驗，教師巡視，提醒學生注意實驗安全及操作規范.

5.2.3 解釋

解釋要素要求學生基于證據得出結論并作出解釋[4].實驗結束后，學生得到類似如圖3所示的“溫度—時間”圖像.

教師按圖3所示將圖像分段并提問：AB和BC段氣泡有什么特點？水是否沸騰？溫度有什么特點？

學生根據氣泡特點回答：在AB段，水沒有沸騰，溫度逐漸升高;而在BC段，水已經沸騰，溫度保持不變.由此得出結論：水在沸騰的過程中溫度保持不變.

教師結合圖像給出沸點的定義，并進一步引導學生分析圖像的BC段和CD段，得出液體沸騰條件：達到沸點并持續吸熱.

學生在得到結論后，還需要對探究結果進行解釋.根據課程標準對物態變化的要求，本設計將解釋內容定為從能量轉化的角度解釋溫度變化圖像，重點解釋沸騰時溫度不變的原因：汽化需要吸熱，水沸騰前汽化較緩慢，熱源提供的熱量多于汽化吸收的熱量，水的溫度會升高;當水沸騰后汽化過程劇烈，熱源提供的熱量與汽化吸收的熱量達到動態平衡，水的溫度保持不變;撤掉熱源后，無法提供沸騰所需熱量，沸騰現象隨之停止.

5.2.4 交流

該要素要求學生有評估探究過程和探究結果的意識，能關注探究中出現的新問題并從中吸取經驗教訓，對科學探究過程與結果進行交流、評估和反思[2].交流要素在上述探究過程均有體現，在此不再贅述.以下是完成探究過程后的交流活動設計.

對比教科書上的小資料（如圖4所示）給出的水的沸點，學生會發現與實驗測量結果不一致.教師組織開展小組討論，分析實驗誤差.討論時，教師提示學生注意小資料的標題，點明氣壓也會影響沸點.但由于學生此時不具備氣壓的知識基礎，可留作以后解釋.

最后，教師引導學生回顧探究過程，發表感想，暢所欲言，反思實驗探究過程中的優勢與不足.

6 教學評價設計

《義務教育物理課程標準（2011年版）》中指出，學習評價內容的設置應與課程目標一致[2].為此，基于本節課的教學目標，本設計分別針對科學探究過程以及學生學習效果設計相應的教學評價活動.

6.1 對科學探究過程的評價

針對科學探究過程，則通過教師評價、小組互評以及學生互評的方式評價學生在問題、證據、解釋、交流等環節的表現情況.

6.2 學生所學物理知識的評價

針對教學目標中的沸點、沸騰條件、能量轉化和解釋現象等內容，筆者設計4項評價活動.

評價活動1：結合圖4小資料中的信息，提出問題：本實驗中是否可以用酒精溫度計或者家中的寒暑表？

該評價活動能夠培養學生獲取信息和處理信息的能力.在此基礎上，教師進一步說明實驗室常用的溫度計是水銀溫度計，引導學生分析水銀溫度計的優勢.

評價活動2：再次回顧本節課探究方案，教師提出引入新課時油鍋先燒開的問題.提示學生在探究過程中為了能夠讓水更快沸騰在燒杯上加了蓋子，類比這一做法，引導學生解釋現象：油鍋中油會浮在水的表面，相當于加上蓋子，減緩熱量的散失，在兩鍋具有相同熱量輸入的情況下，熱量散失更慢的油鍋會先沸騰.

評價活動3：教師以本節實驗方案為基礎，在燒杯中再放一盛水的試管，用酒精對燒杯進行加熱，用兩只溫度計分別測量燒杯和試管中水的溫度[5]（如圖5所示）.待燒杯內的水沸騰后，引導學生觀察：兩容器中的水溫度如何？沸騰情況如何？如何解釋這一現象？

學生觀察到兩容器中水溫都達到100℃，大燒杯中的水已經沸騰;但由于試管內的水與燒杯中的水不存在溫度差，無法吸熱，小試管中的水卻沒有沸騰.在解釋實驗現象的過程中，加深學生對沸騰條件以及沸騰過程中能量轉化的理解.

評價活動4：課后作業.教師提供網紅液氮冰淇淋凍傷皮膚的新聞，要求學生根據本節所學，分析皮膚凍傷的原因;并搜集資料，梳理液態氮在科學研究中的用途.

7 本設計的特點

7.1 注重觀察與推理，加深學生對沸騰本質的理解

我國基礎教育歷來有培養學生觀察能力和思維能力的傳統[6-7].《義務教育物理課程標準（2011年版）》要求：“教師應注意引導學生觀察實驗現象，啟發學生對實驗現象說明的問題進行積極思考和交流.”[2]教科書通過簡短的語言回顧生活現象便直接給出沸騰的概念，這種方式很難使學生將沸騰與汽化聯系在一起.本設計通過演示實驗，將觀察活動與學生的思維過程相結合，使學生的認識由表及里逐步深化，幫助學生認識沸騰現象的本質.

7.2 基于核心素養要求，設計較為完整的科學探究過程

科學探究是物理學科核心素養的四個要素之一，教師在教學中應重視學生科學探究能力的培養.但實際教學中存在著假探究、形式探究、低效探究等問題[8]，不少教師對科學探究要素的理解不夠深刻，往往忽視學生問題意識的培養，有時為了照顧探究過程的完整性而隨意提出假設[9];亦有教師將科學探究等同于學生實驗操作，對探究結論的解釋、探究過程和結果的交流反思等凸顯不夠[10].本設計基于核心素養的關鍵要素，設計包括問題、證據、解釋、交流等要素的較為完整的科學探究過程，以期為基于核心素養的教學提供參考.

7.3 基于教學目標開發教學評價活動

沸騰是本節課教學的重點，但在教科書的課后習題中卻沒有設置相應的練習題.本設計基于教學目標，開發一系列教學評價活動，既注重對科學探究的過程評價，又創設生活現象、演示實驗、前沿科技等情境，引導學生利用沸騰知識解釋現象和解決問題，并在此過程中注重培養學生的信息素養，充分體現以評價促進學生學習和發展的理念.

參考文獻：

[1]閆金鐸.義務教育教科書物理（八年級上冊）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

[3]中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2017.

[4]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2020年修訂版）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[5]李新鄉.物理教學論[M].北京：科學出版社，2009.

[6]翟小銘，郭玉英，陳穎.中學物理核心能力要求的百年沿革與展望——基于課程標準和教學大綱目標文本分析[J].課程·教材·教法，2015，35（09）：59-67.

[7]王晶瑩，宋倩茹，高守寶.我國中學物理學科能力的百年建構[J].全球教育展望，2020，49（02）：15-34.

[8]王慧君.科學探究教學設計：依據、實施與評價[J].中國電化教育，2013（09）：102-106+126.

[9]喬通，胡揚洋.論探究教學中假設建立的過程[J].物理教學，2020，42（11）：41-44.

[10]鄧陽，王后雄.凸顯“解釋-論證”的科學探究：內涵、現實意義和實踐策略[J].全球教育展望，2015，44（10）：112-119.

（收稿日期：2021-01-23）