利用自制數(shù)字化教具探究氣體等溫變化的規(guī)律

題目：利用自制數(shù)字化教具探究氣體等溫變化的規(guī)律教師姓名：李珂石麗華趙洪芳學(xué)校名稱：山東聊城第二中學(xué)使用教材（1）版本與學(xué)段：人民教育出版社普通高中教科書。（2）教材名稱與冊次：高中物理選擇性必修第三冊。（3）課次與課程名稱：第二章第二節(jié)《氣體的等溫變化》；第1課時《探究等溫情況下一定質(zhì)量氣體壓強與體積的關(guān)系》二、教材與學(xué)情分析（一）說“課程標(biāo)準(zhǔn)”《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中對本節(jié)的要求是“通過實驗，了解氣體實驗定律”。從課程標(biāo)準(zhǔn)的要求來看，對知識層面的要求較低，只要求“了解”，但是對實驗探究的要求比較高。最新修訂版的物理課程標(biāo)準(zhǔn)中一共給出了21個學(xué)生必做實驗，“探究等溫情況下一定質(zhì)量的氣體壓強與體積的變化”就是其中之一。說“教材”在上一節(jié)學(xué)習(xí)了描述氣體狀態(tài)的三個參量體積、壓強和溫度的基礎(chǔ)上，本節(jié)和下一節(jié)進一步探究一定質(zhì)量的氣體三個參量之間的關(guān)系，找到氣體等溫變化、等壓變化和等容變化的規(guī)律。本節(jié)課通過探究性分組實驗，逐步探究等溫條件下，一定質(zhì)量氣體壓強與體積的關(guān)系，既強化了對三個狀態(tài)參量的理解，又為下一節(jié)探究等壓和等容變化規(guī)律打下了基礎(chǔ)，具有承上啟下的作用。實驗探究是本節(jié)課的教學(xué)重點，課本圍繞“實驗思路設(shè)計”“數(shù)據(jù)測量”和“數(shù)據(jù)分析”的線索安排了基于傳統(tǒng)實驗器材的分組實驗，也給出了基于dis技術(shù)的改進實驗。說“學(xué)情”知識層面，學(xué)生已經(jīng)理解了描述熱力學(xué)系統(tǒng)的三個核心概念，但對于這三個參量之間的關(guān)系還不了解；能力層面，通過前期對看得見摸得著的“質(zhì)點”模型的研究，學(xué)生已具有較強的邏輯推理和實驗探究能力，但對看不見摸不著的氣體如何進行研究，學(xué)生既表現(xiàn)出較強的好奇心和求知欲，又有一定的畏難情緒。實驗原理、教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)重難點

（一）實驗原理

封閉一定質(zhì)量的氣體，通過控制變量法，確保氣體處于等溫變化過程，設(shè)計實驗測量氣體的壓強和體積，探究等溫狀態(tài)下氣體壓強和體積的關(guān)系。實驗教學(xué)目標(biāo)（1）物理觀念：通過實驗探究，了解玻意耳定律的內(nèi)容；強化對熱力學(xué)系統(tǒng)、狀態(tài)參量、平衡態(tài)等核心概念的理解；（2）科學(xué)思維：能夠在實驗探究中抽象出理想氣體模型；通過對實驗數(shù)據(jù)的處理和分析，強化科學(xué)推理和論證能力；（3）科學(xué)探究：能通過自主學(xué)習(xí)、小組合作完成氣體等溫變化規(guī)律的實驗探究過程；能通過表格、圖像等方法對實驗結(jié)果進行處理，歸納實驗結(jié)論、進行誤差分析；（4）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：經(jīng)歷氣體等溫變化的科學(xué)探究過程，保持對生活中熱學(xué)現(xiàn)象的研究熱情和興趣，培養(yǎng)實事求是、大膽質(zhì)疑、積極創(chuàng)新的優(yōu)秀品質(zhì)。（三）教學(xué)重難點（1）教學(xué)重點：引導(dǎo)學(xué)生獨立自主設(shè)計氣體等溫變化的實驗、以小組合作的方式完成實驗探究的過程。（2）教學(xué)難點：學(xué)生能對實驗數(shù)據(jù)進行記錄、處理和分析，歸納出實驗結(jié)論，會誤差分析并提出減小誤差的改進方案。三、實驗器材及創(chuàng)新點優(yōu)點缺點傳統(tǒng)器材1.價格便宜；2.構(gòu)造及儀器操作簡單、便于分組。1.儀器密封性不高；2.實驗操作過程中手易觸碰管壁，不能保證氣體溫度不變；3.壓強及體積測量精度不高；4.數(shù)據(jù)處理不便捷。改進器材1.利用傳感器測量壓強，便捷靈敏，精度較高；2.利用軟件處理數(shù)據(jù)，方便準(zhǔn)確，直觀性強。1.氣體體積變化范圍較?。?.注射器未固定，度數(shù)不便；3.改變氣體體積時，雙手容易觸碰注射器管壁，不易保證等溫；4.未將注射器、壓強傳感器、數(shù)據(jù)采集器及數(shù)據(jù)線等各部分集成，易丟失損壞器材。自制器材1.使用固定的大容量注射器，氣體可調(diào)節(jié)范圍較大，且便于讀數(shù)；2.利用步進電機驅(qū)動螺絲螺桿，可進可退，可均勻準(zhǔn)確地改變氣體體積；3.將電源、傳感器、微控制器、藍牙、步進電機等裝置進行了集成，便于攜帶；4.獨立編寫的軟件程序集數(shù)據(jù)采集、處理為一體，更加直觀便捷。自制教具，不便于量產(chǎn)和進行分組實驗。對比傳統(tǒng)器材和課本改進器材的優(yōu)缺點，說明自制數(shù)字化等溫變化演示儀的原理、構(gòu)造和創(chuàng)新點。四、實驗教學(xué)內(nèi)容及過程（一）教學(xué)內(nèi)容環(huán)節(jié)一：回顧舊知，拋問激趣；環(huán)節(jié)二：討論思考，設(shè)計方案；環(huán)節(jié)三：分組實驗，合作探究；環(huán)節(jié)四：教師演示，總結(jié)提升；環(huán)節(jié)五：情境再現(xiàn)，素養(yǎng)提升。（二）教學(xué)過程1.環(huán)節(jié)一、回顧舊知，拋問激趣通過慶典活動中放飛的氣球在升空的過程中，壓強在減小，溫度在降低，氣球在膨脹，回顧上節(jié)課學(xué)習(xí)的描述一定質(zhì)量氣體狀態(tài)的三個參量——溫度、壓強和體積,并認識到這三個參量之間是有一定聯(lián)系的，同時引導(dǎo)學(xué)生思考，它們之間又有怎樣的聯(lián)系呢？隨后通過“吹不大的氣球”這一課堂小實驗讓學(xué)生思考，為什么瓶子外的氣球一吹就大，氣球口反扣在瓶口的氣球卻很難吹大呢？原來如果以氣球外瓶子內(nèi)的氣體作為研究對象，氣球吹打一點，這部分氣體體積減小的同時壓強在增大，所以氣球就很難吹起來了。這個有趣的實驗既讓學(xué)生認識到了什么是等溫變化過程，又定性地感知了在溫度不變的情況下壓強和體積“此消彼長”的特殊關(guān)系，為下一環(huán)節(jié)探究兩者定量的關(guān)系做了鋪墊。2.環(huán)節(jié)2：討論思考，設(shè)計方案將學(xué)生分為兩組進行分組實驗，一組以課本2.2-4傳統(tǒng)器材進行分組，一組以課本圖2.2-5改進器材進行分組。在給學(xué)生簡要介紹儀器使用方法后，引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題：兩組實驗中的研究對象是什么？如何確保實驗過程中，氣體溫度不發(fā)生明顯的變化？本實驗中需要測量什么物理量？怎樣測量？如何記錄數(shù)據(jù)？如何進行數(shù)據(jù)處理？學(xué)生分組討論以上問題，并確定小組實驗方案。3.環(huán)節(jié)3：分組實驗，合作探究；兩組同學(xué)按照各自確定的實驗方案，分組進行實驗探究。學(xué)生們將數(shù)據(jù)記錄在表格中，并在P-V和P-1/V圖像中以點的形式記錄數(shù)據(jù)，嘗試總結(jié)實驗結(jié)論。教師引導(dǎo)學(xué)生進行數(shù)據(jù)和誤差分析，為什么這些點并不嚴格分布在P-V圖像中的這條曲線和P-1/V圖像中的這條直線上？為什么P-1/V圖像中的直線沒有通過原點？學(xué)生回答：有誤差。教師繼續(xù)引導(dǎo)：請同學(xué)們繼續(xù)思考，剛才兩組實驗器材各有什么優(yōu)缺點？怎樣改進才能減小誤差呢？學(xué)生回答：實驗過程中有可能漏氣；體積變化過快，手碰觸注射器壁，溫度會發(fā)生變化；體積讀數(shù)誤差較大且可調(diào)節(jié)范圍較??；方案一數(shù)據(jù)處理不方便；方案二同學(xué)之間配合不默契等等。教師問：有沒有一種方案，既能保留兩種方案的優(yōu)點，還能對其不足進行改進呢？4.環(huán)節(jié)4：教師演示，總結(jié)提升；在學(xué)生自主探究、分組討論、誤差分析后教師展示自制數(shù)字化氣體等溫變化演示儀，簡要說明其構(gòu)造、原理和操作步驟，進行實驗演示。經(jīng)歷傳統(tǒng)器材和課本改進器材的分組探究實驗，在對兩種方案優(yōu)缺點進行討論的基礎(chǔ)上，教師通過自制教具對改進方案予以展示，最終得出本實驗的結(jié)論——玻意耳定律：一定質(zhì)量的某種氣體，在溫度不變的情況下，其壓強P與體積V成反比。5.環(huán)節(jié)5：情境再現(xiàn)，素養(yǎng)提升。學(xué)生回顧課堂開始做得趣味實驗，運用剛剛學(xué)習(xí)的玻意耳定律解釋為什么“氣體怎么吹都吹不大”，并引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考為什么“炎炎夏日，自行車車胎為什么不能充氣過足？”“打癟的乒乓球怎么才能讓其恢復(fù)原狀”，為下節(jié)課做出鋪墊。實驗教學(xué)反思與評價本節(jié)實驗探究課所使用的自制數(shù)字化