創(chuàng)造性優(yōu)化教材提高探究物理規(guī)律的有效性

創(chuàng)造性優(yōu)化教材提高探究物理規(guī)律的有效性

——對(duì)比同一教學(xué)內(nèi)容不同教學(xué)設(shè)計(jì)方案有感楊彥欣

【論文分類】中學(xué)物理教與學(xué)G36【期刊期數(shù)】2009年03期【論文期刊來(lái)源】《物理通報(bào)》(保定)2008年11期第8～10頁(yè)【作者簡(jiǎn)介】楊彥欣，上海市盧灣高級(jí)中學(xué)（上海200023）。

新課程改革為每個(gè)教師提供了足夠的空間，使教師成為教材的生產(chǎn)者和主人。杜威認(rèn)為：“所謂教材，就是在一個(gè)有目的的情境的發(fā)展過程中所觀察的、回憶的、閱讀的和談?wù)摰姆N種事實(shí)，以及所提出的種種觀念。”就是說(shuō)，除了教科書，還包括學(xué)校課程中的各種資源。因此，如何優(yōu)化教材成為每個(gè)教師每一節(jié)課甚至是整個(gè)職業(yè)生涯的重要課題。理由一：世界上沒有一份教材是絕對(duì)普適的，而是要根據(jù)不同學(xué)校、不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整；理由二：每個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)都是在不斷發(fā)展進(jìn)步的，具體到物理學(xué)科，我們主張“從生活走進(jìn)物理，從物理走向社會(huì)”的課程理念，因此優(yōu)化教材要從日新月異的生活出發(fā)，走向碩果累累的科技社會(huì)。因此，我針對(duì)“氣體的壓強(qiáng)與體積的關(guān)系”這一節(jié)課，對(duì)比三位老師的不同設(shè)計(jì)來(lái)談?wù)劺蠋焸兪侨绾蝿?chuàng)造性優(yōu)化教材來(lái)探究玻意耳定律的。三位老師分別是：松江二中的張老師、盧灣高級(jí)中學(xué)的沈老師和筆者。一、巧設(shè)實(shí)驗(yàn)情景，有效激發(fā)學(xué)生認(rèn)知好奇心，層層引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。因?yàn)槲锢韺W(xué)中許多概念太抽象，學(xué)生很難理解，而實(shí)驗(yàn)?zāi)苁刮锢砬榫昂瓦^程直觀形象地展示出來(lái)，所以實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中的地位是毋庸置疑的。因此，實(shí)驗(yàn)情景的創(chuàng)設(shè)是優(yōu)化物理教材的重要部分。實(shí)驗(yàn)情景能夠激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知好奇心，認(rèn)知好奇心是一種追求外界信息、指向?qū)W習(xí)活動(dòng)本身的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)情景創(chuàng)設(shè)過程中還能給學(xué)生設(shè)疑，激發(fā)認(rèn)知沖突，能順利地將學(xué)生及時(shí)地引入到問題之中。就如何引入被封閉氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系，三位老師結(jié)合自己學(xué)校的情況和學(xué)生的層次巧妙地創(chuàng)設(shè)了實(shí)驗(yàn)情景。(1)筆者從實(shí)驗(yàn)室選取了一個(gè)有塞子的哈勃瓶，開口端套封一個(gè)氣球，請(qǐng)班內(nèi)肺活量很大的同學(xué)來(lái)吹氣球，看能否吹得很大。結(jié)果腮幫子鼓起來(lái)了，但是氣球很難吹大。我鼓勵(lì)學(xué)生思考有沒有方法能把氣球吹大，學(xué)生認(rèn)為把塞子拔掉即可。試驗(yàn)成功。我啟發(fā)學(xué)生思考：原因是在于氣球、哈勃瓶還是塞子。生：塞子。繼續(xù)引導(dǎo)：塞子的作用是什么？生：瓶?jī)?nèi)氣體與大氣隔絕。引導(dǎo)學(xué)生分析瓶?jī)?nèi)被封閉氣體的壓強(qiáng)與體積的關(guān)系：氣體所占體積變小，越來(lái)越難吹，表明氣體壓強(qiáng)增大。提醒學(xué)生：在吹氣球過程中，瓶?jī)?nèi)氣體的溫度變化嗎？生：來(lái)不及變化。(2)張老師借助了教科書上的演示實(shí)驗(yàn)裝置，在上端有活塞的厚玻璃筒底部放置一小塊硝化棉。但是他對(duì)操作過程進(jìn)行了調(diào)整：準(zhǔn)備了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，請(qǐng)一個(gè)學(xué)生來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。左邊先用手快速向下壓活塞，右邊緩慢向下壓活塞，讓其他學(xué)生對(duì)比觀察到的現(xiàn)象。張老師引導(dǎo)學(xué)生觀察到左右兩邊裝置中氣體體積都減小。分析得出快速下壓硝化棉燃燒，表明氣體溫度升高；緩慢下壓硝化棉沒有變化，表明氣體溫度基本不變。讓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)生說(shuō)一下感覺，“疼，越向下壓力越大”，表明氣體壓強(qiáng)增大。思考兩種情況下氣體壓強(qiáng)、體積、溫度之間有什么關(guān)系。張老師提示學(xué)生：通常采用控制變量法才能進(jìn)行定量研究。(3)沈老師將一個(gè)注射器用橡皮泥封住頂端，內(nèi)有一定量的氣體，緩慢推動(dòng)活塞，讓學(xué)生直接觀察哪個(gè)狀態(tài)參量發(fā)生變化。生：體積在變小。沈老師繼續(xù)推動(dòng)，橡皮泥被壓飛了出去。啟發(fā)學(xué)生思考：橡皮泥為什么會(huì)飛出去。生：因?yàn)樽⑸淦鲀?nèi)的氣體壓強(qiáng)增大。引導(dǎo)學(xué)生分析哪一個(gè)狀態(tài)量在這一過程中幾乎是不變的。生：溫度。因?yàn)閴簭?qiáng)的變化是通過分析得出的，沒有親身感受。沈老師要求每位同學(xué)拿1支注射器，左手食指抵住左端，右手推或拉活塞，兩手體驗(yàn)一下壓強(qiáng)的變化。第一位老師整合實(shí)驗(yàn)室資源，選用哈勃瓶進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)哈勃瓶充滿好奇心。學(xué)生的反應(yīng)表明，他們期待下一步哈勃瓶會(huì)變出什么魔術(shù)來(lái)，很容易就進(jìn)入了老師創(chuàng)設(shè)的情景和問題中。第二位老師在教科書演示實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上運(yùn)用對(duì)比的方法讓學(xué)生觀察和分析兩者之間的異同來(lái)加深學(xué)生的理解，同時(shí)說(shuō)明了研究對(duì)象、滿足的條件和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。第三位老師將演示?shí)驗(yàn)與體驗(yàn)相結(jié)合，非常清晰地分析了氣體的壓強(qiáng)與體積的定性關(guān)系，還讓學(xué)生通過親身體驗(yàn)來(lái)感受物理知識(shí)的妙處，給學(xué)生留下了深刻印象。二、運(yùn)用數(shù)字化信息技術(shù)進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)通過數(shù)據(jù)處理或誤差分析探究實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含的物理規(guī)律，有效地轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。上海市中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求將物理課程與信息技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合，這也是知識(shí)轉(zhuǎn)型時(shí)代對(duì)物理教材進(jìn)行優(yōu)化的一個(gè)必然。因?yàn)檫\(yùn)用信息技術(shù)優(yōu)化教材能夠帶來(lái)質(zhì)性變化的結(jié)果，具有更明顯的優(yōu)越性，比如，動(dòng)態(tài)形象——能夠使一些抽象、難點(diǎn)內(nèi)容活化，使學(xué)生容易理解，節(jié)約了教學(xué)時(shí)間；時(shí)空開放——教材的許多局限性都可以得到克服，可以把最新發(fā)生的事件、形成的教育資源隨時(shí)引進(jìn)教學(xué)。數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用代替了傳統(tǒng)工具的測(cè)量計(jì)算。它在課堂教學(xué)中的最大優(yōu)勢(shì)在于把實(shí)驗(yàn)的時(shí)間大大縮短，數(shù)據(jù)的處理簡(jiǎn)便直觀。這些都使得原來(lái)在課堂中無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)有時(shí)間完成，原來(lái)無(wú)法處理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)便地處理。它使得學(xué)生能把更多的時(shí)間放在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)果猜想和驗(yàn)證上，從而真正按照二期課改教學(xué)理念，將教學(xué)目標(biāo)推向過程方法、情感態(tài)度和價(jià)值觀層次，使得學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)學(xué)習(xí)，從而改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。下面的實(shí)驗(yàn)探究就是運(yùn)用數(shù)字化信息技術(shù)優(yōu)化教材的范例。(1)筆者選擇的是TI圖形計(jì)算器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括壓強(qiáng)傳感器、CBL2數(shù)據(jù)采集器和TI圖形計(jì)算器（圖1）。學(xué)生們分成16個(gè)小組，其中一組同學(xué)，在講臺(tái)前面的投影儀前展示實(shí)驗(yàn)的過程。TI圖形計(jì)算器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像擬合。其中橫坐標(biāo)表示體積，縱坐標(biāo)表示壓強(qiáng)。緊接著我引導(dǎo)學(xué)生判斷是否能得到壓強(qiáng)與體積的定量關(guān)系，如果不能，我們可以根據(jù)此圖像進(jìn)行合理猜想。啟發(fā)學(xué)生，如何來(lái)驗(yàn)證你的猜想是正確的，以及有幾種方法。啟發(fā)學(xué)生數(shù)學(xué)中什么樣的表達(dá)式表示反比關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生回顧物理中有沒有遇到過類似情況，可以進(jìn)行知識(shí)遷移。

圖1學(xué)生提到方法一：比較壓強(qiáng)與體積的乘積是否相等；方法二：與牛頓第二定律相似，將橫坐標(biāo)改為1/V，化曲為直，觀察是否是過原點(diǎn)的一條直線。一半實(shí)驗(yàn)小組運(yùn)用方法一來(lái)驗(yàn)證：TI圖形計(jì)算器可將數(shù)組相乘，發(fā)現(xiàn)得到的數(shù)組在9.2～9.5范圍內(nèi)［圖2（見下頁(yè)）(a)］，說(shuō)明pV基本等于一個(gè)常量；另一半運(yùn)用方法二來(lái)驗(yàn)證：將表示體積的數(shù)組轉(zhuǎn)換為它的倒數(shù)數(shù)組［圖2(b)］，將數(shù)組和分別作為橫縱坐標(biāo)，擬合得到的圖像基本是過原點(diǎn)的一條直線。關(guān)于這部分內(nèi)容，我的教學(xué)設(shè)計(jì)不包括誤差分析，而是放在下一課時(shí)詳細(xì)討論。所以，我的重點(diǎn)在于將我校TI班級(jí)的TI技術(shù)與物理學(xué)科相整合，充分展示學(xué)生所長(zhǎng)，充分發(fā)揮TI技術(shù)處理數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題的思想方法。更重要的是在課堂上幾分鐘的時(shí)間就得到了經(jīng)過驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，這在過去傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是無(wú)法想象的。整個(gè)過程以科學(xué)探究的基本步驟為主線，逐步引導(dǎo)學(xué)生完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)探究過程，提高學(xué)生的基本科學(xué)素養(yǎng)，使他們不僅掌握物理知識(shí)，還具有科學(xué)精神和探究能力。

圖2(2)張老師和沈老師采用教科書上的DIS來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，與TI技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程相似。如果進(jìn)入此實(shí)驗(yàn)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、PV乘積、擬合P-V圖和轉(zhuǎn)化圖在同一個(gè)界面，所以完成實(shí)驗(yàn)比TI實(shí)驗(yàn)更迅速。兩位老師還在教科書的基礎(chǔ)上，增加了誤差分析內(nèi)容。老師引導(dǎo)學(xué)生分析所得到的圖是不是嚴(yán)格過原點(diǎn)的一條直線，學(xué)生普遍發(fā)現(xiàn)有一個(gè)正的截距。老師鼓勵(lì)學(xué)生實(shí)事求是不放過任何細(xì)節(jié)，提醒這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)誤差問題，有可能我們都忽略了一個(gè)實(shí)驗(yàn)因素。壓強(qiáng)是傳感器讀取，非人為讀取，其正確性也較高。分析在讀取體積時(shí)是否有問題。畫一個(gè)實(shí)驗(yàn)中體積與壓強(qiáng)倒數(shù)的圖線，發(fā)現(xiàn)實(shí)際測(cè)量的體積都偏小，圖從略。

圖3如圖3所示，在注射器與壓強(qiáng)傳感器連接處的塑料管中也有氣體，但前面我們?cè)谟?jì)算時(shí)沒有算上這部分氣體，才出現(xiàn)了剛才的誤差。老師著重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的全面性和誤差分析的一般方法。如果我們把管中1ml氣體的體積加上去，我們?cè)賮?lái)看一下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基本是過原點(diǎn)的一條直線。在驗(yàn)證猜想時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)際的測(cè)量值與猜想之間有一定的誤差，這時(shí)并沒有回避誤差或含糊地帶過去，而是正視誤差的存在，并引導(dǎo)學(xué)生尋找誤差的來(lái)源，盡量減小誤差。整個(gè)過程就是要培養(yǎng)學(xué)生尊重科學(xué)事實(shí)的基本素養(yǎng)，為今后走向社會(huì)奠定基礎(chǔ)。三、從學(xué)生身邊出發(fā)，成功地運(yùn)用物理規(guī)律，有效地將物理推向社會(huì)生活自然科學(xué)領(lǐng)域強(qiáng)調(diào)回歸學(xué)生的生活，培養(yǎng)學(xué)生理論知識(shí)與社會(huì)實(shí)踐相聯(lián)系的思想方法。因此，優(yōu)化教材要求老師要針對(duì)學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，選取一些學(xué)生能了解的社會(huì)生活知識(shí)充實(shí)課堂教學(xué)內(nèi)容，給課堂教學(xué)注入一股活水。玻意耳定律在實(shí)際生活中應(yīng)用非常廣泛，而且簡(jiǎn)便易行。(1)張老師和沈老師都組織了一個(gè)“礦泉水瓶中吹氣球”的比賽，老師的潛規(guī)則是：請(qǐng)男女兩位同學(xué)比賽吹氣球，男同學(xué)拿到的瓶子是密封的，女同學(xué)拿到的瓶子底部有一個(gè)不明顯的小孔。結(jié)果女同學(xué)把氣球吹大了，男同學(xué)怎么都吹不太大。男生不服氣，懷疑老師從中作梗。老師笑著讓學(xué)生猜一下老師是怎么做的。當(dāng)謎底揭曉時(shí)學(xué)生非常有成就感，并且在老師引導(dǎo)下研究瓶?jī)?nèi)被封閉的氣體，應(yīng)用玻意耳定律成功地解釋了吹不太大的原因。(2)我選擇的裝置是一個(gè)氣壓熱水瓶，同時(shí)制作了動(dòng)畫幫助學(xué)生觀察熱水瓶?jī)?nèi)的水流出來(lái)的模擬過程（圖4）。提出問題：當(dāng)瓶塞向下壓時(shí)為什么熱水瓶?jī)?nèi)的水能