“氣體等溫變化實驗數據處理”教學設計

【關鍵詞】高中物理；數模結合；等溫變化；線性與非線性擬合

【中圖分類號】G633.7 【文獻標志碼】A 【文章編號】1005-6009（2024）39-0079-02

【作者簡介】王鵬，江蘇省句容高級中學（江蘇句容，212400）教師，高級教師。

傳統的高中物理教學通常側重于理論知識的傳遞，但學生往往對于抽象的物理概念和規律難以建立直觀的認知。江蘇省句容高級中學知行物理學科育人課程基地依據“智學·實踐”核心架構，將物理模型數字化，采用數字模型與物理現象相結合的數模結合研究法。下面，筆者以“氣體等溫變化實驗數據處理”教學為例，闡釋如何幫助學生從定量和定性的雙重角度深入理解物理現象的本質。

一、確定研究問題

知行物理課程設計從掌握理論基礎、問題發現與研究出發，以問題為導向，明確課程設計的方向、教學內容的選擇及教學方法的運用。

問題1：氣體等溫變化過程中，壓強與體積之間存在何種定量關系？

問題2：如何通過數學建模的方法處理氣體等溫變化的實驗數據？

問題3：實驗誤差對氣體等溫變化規律的影響如何？

知行物理課程確定研究問題的重要性與意義在于明確研究方向與重點。問題1直接指向實驗的核心目的，即探究在溫度不變的情況下，氣體壓強與體積之間的變化規律；問題2關注數據處理和數學建模的方法層面，旨在找到一種有效的數據處理和建模方法，以更準確地描述氣體等溫變化的規律；問題3關注實驗誤差的分析和控制，旨在評估實驗誤差對實驗結果的影響，并探索減小誤差的方法。

二、收集分析數據

1.指導學生進行氣體等溫變化實驗，準確記錄實驗數據

利用分組實驗，指導學生應用DIS實驗儀器來探究氣體等溫變化的規律。實驗中氣體的質量與溫度保持不變，氣體的體積V可從注射器壁上的刻度直接讀出，氣體的壓強P由壓強傳感器精確測定。當注射器內的氣體體積V減小時，記錄壓強傳感器相應的讀數P，同時指導學生將實驗數據整理成Excel電子表格，以便導入計算機軟件進行分析。

2.應用GeoGebra軟件對實測數據進行繪圖

首先，教師講解演示如何使用GeoGebra軟件繪制氣體等溫變化的P-V散點圖，包括多種圖表類型的選擇、坐標軸設置、數據點標記等，指導學生繪制清晰、準確的氣體等溫變化圖表。然后，組織小組討論和交流，引導學生觀察圖表中的趨勢線，分析壓強與體積之間的關系是否符合玻意耳定律的預測。

三、構建數據模型

實驗中測量得到的氣體壓強和體積數據通常是離散的數值對。知行物理課程設計根據研究問題和數據特征，選擇合適的建模方法和技術，建立相應的數字化物理模型。

教師引導學生回顧實驗“探究加速度與物體受力、物體質量的關系”，延伸類比得到通過分析V- [1P]變化關系是否為線性變化，從而驗證P-V呈反比例關系。教師演示并使用GeoGebra的函數擬合功能，幫助學生進行數據分析并計算相關的物理參數，擬合出對應V- [1P]的線性方程，驗證數字化物理模型的準確性。

四、驗證優化模型

對建立的模型進行驗證和優化，確保其能夠準確地描述實際問題是知行物理課程中uIa0Zzqr8fJDSfAc3bfqlA==的重要教學環節。將實驗結果與理論模型進行對比分析，學生發現氣體的擬合直線不通過坐標原點，且GeoGebra軟件線性擬合出的結果存在一個截距。

在此基礎上，教師組織學生進行小組討論和交流，指導學生從實驗條件、測量設備、操作過程以及數據處理等多個方面進行綜合考慮和評估，分享各自的分析方法和結果，促進學生之間的學習和合作。學生對建立的等溫變化數字模型進行修正和優化，準確地描述了實際問題，并進行合理的預測和分析，從而驗證玻意耳定律的正確性。

五、評價維度設計

1.物理觀念

評價學生是否準確理解氣體等溫變化的定義，觀察學生在實驗過程中對氣體等溫變化現象的描述和分析，判斷他們是否能夠將理論知識與實際現象相結合。學生在實驗報告中對實驗結果的分析，是否能夠運用玻意耳定律解釋實驗現象，并得出合理的結論。

2.科學思維

（1）分析與綜合能力：評價學生在實驗前對實驗原理的分析能力，其是否能夠理解實驗目的、實驗方法和實驗步驟，可以通過讓學生撰寫實驗預習報告的方式進行評價。

（2）推理與論證能力：評價學生在實驗過程中是否能夠根據實驗現象進行合理的推理，可以通過提問或讓學生進行小組討論的方式進行評價。

（3）模型建構能力：考查學生在實驗中是否能夠建立氣體等溫變化的物理模型，可以通過讓學生繪制物理模型圖的方式進行評價。

3.科學探究

設計實驗的能力：考查學生在實驗前是否能夠設計合理的實驗方案，包括實驗器材的選擇、實驗步驟的安排、數據的采集方法等，可以通過讓學生撰寫實驗設計報告或進行小組討論的方式進行評價。

4.科學態度與責任

（1）科學態度：評價學生在實驗過程中的認真程度和專注度，是否能夠積極參與實驗，認真記錄實驗數據，可以通過觀察學生的實驗表現和檢查實驗記錄進行評價。

（2）社會責任：引導學生思考氣體等溫變化在實際生活中的應用，評價學生是否能夠將物理知識與實際生活相結合，認識到科學技術對社會的影響。

知行物理課程基地以“認知為前提、探索為主線、實踐為佐證、創新為升華”的學習方式，培養了學生的認知能力、探索精神、實踐能力、創新意識和科學態度與責任。