陳朝陽 李建彬 胡象嶺

摘 要：本文基于課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，在教材分析、學(xué)情分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)凸顯科學(xué)探究的“沸騰”教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)過程、教學(xué)評價(jià)，教學(xué)過程主要包括學(xué)生基于觀察和推理建立沸騰概念、探究水沸騰時(shí)溫度變化特點(diǎn).

關(guān)鍵詞：沸騰;教學(xué)設(shè)計(jì);科學(xué)探究;核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)科教學(xué);

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

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

1 教材分析

“沸騰”的教學(xué)內(nèi)容，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要教學(xué)資源.因?yàn)榉序v作為液體內(nèi)部和表面同時(shí)發(fā)生的劇烈汽化現(xiàn)象，不僅是物態(tài)變化中的一種形式和常見的生活現(xiàn)象，而且有關(guān)“沸騰”的知識廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活及科學(xué)研究中.此外，液體沸騰時(shí)的溫度變化特點(diǎn)以及沸點(diǎn)概念，是學(xué)生體會能量轉(zhuǎn)化和能量守恒思想的生動載體.同時(shí)，學(xué)生對液體沸騰時(shí)溫度變化特點(diǎn)的探究過程，較為完整地體現(xiàn)科學(xué)探究的七要素，是提升初中學(xué)生科學(xué)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(tài)變化”第3節(jié)“汽化和液化”中，本節(jié)教科書還編排汽化和液化的概念、蒸發(fā)和液化現(xiàn)象等內(nèi)容，本文只討論“沸騰”部分的教學(xué)問題.《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》對于“物態(tài)變化”一節(jié)的要求是：“經(jīng)歷物態(tài)變化的實(shí)驗(yàn)探究過程，知道物質(zhì)的熔點(diǎn)、凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)，了解物態(tài)變化過程中的吸熱和放熱現(xiàn)象.用物態(tài)變化的知識說明自然界和生活中的有關(guān)現(xiàn)象.”[2]教科書首先在描述生活現(xiàn)象的基礎(chǔ)上用簡短的語言給出沸騰的定義，接著安排實(shí)驗(yàn)探究水沸騰時(shí)的溫度變化特點(diǎn)，揭示沸騰時(shí)的氣泡特點(diǎn)、溫度變化特點(diǎn)以及吸熱情況，最后點(diǎn)明沸點(diǎn)的概念.

2 學(xué)生情況分析

本節(jié)課的教學(xué)對象是八年級學(xué)生，他們在小學(xué)科學(xué)的學(xué)習(xí)中對沸騰現(xiàn)象已有初步認(rèn)識，但主要停留在對沸騰現(xiàn)象的觀察[3]，并未經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程.對于科學(xué)探究，學(xué)生在上節(jié)課“熔化和凝固”的學(xué)習(xí)中，經(jīng)歷初中物理課程中的第一個(gè)科學(xué)探究活動——探究固體熔化時(shí)的溫度變化特點(diǎn)，因此，本節(jié)課是學(xué)生對科學(xué)探究的再認(rèn)識.

學(xué)生雖然在學(xué)習(xí)沸騰概念之前已經(jīng)學(xué)習(xí)汽化的概念，但對沸騰的認(rèn)識仍然浮于表面，難以將沸騰與汽化聯(lián)系在一起.這就需要教師引導(dǎo)學(xué)生將觀察與邏輯推理相結(jié)合，透過“沸騰時(shí)液體中有氣泡產(chǎn)生”的表象認(rèn)識到“沸騰是汽化現(xiàn)象”的本質(zhì).另外，由于學(xué)生剛剛開始學(xué)習(xí)物理，能量觀念比較薄弱，在分析沸騰現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化時(shí)亦會產(chǎn)生一定的認(rèn)知困難，需要教師加以引導(dǎo).

3 教學(xué)目標(biāo)

基于上述分析，筆者對“沸騰”部分的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)如下：

（1）通過觀察和科學(xué)推理，認(rèn)識沸騰是液體表面和內(nèi)部同時(shí)發(fā)生的劇烈的汽化現(xiàn)象;

（2）經(jīng)歷水沸騰時(shí)溫度變化特點(diǎn)的探究過程，體會問題、證據(jù)、解釋、交流等科學(xué)探究要素的要求和意義;

（3）根據(jù)探究結(jié)果，知道液體具有沸點(diǎn)，了解液體沸騰的條件和沸騰時(shí)的能量轉(zhuǎn)化;

（4）能用沸騰的知識解釋有關(guān)現(xiàn)象，體會物理學(xué)與生活的聯(lián)系.

4 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

重點(diǎn)：水沸騰時(shí)的溫度變化特點(diǎn).

難點(diǎn)：沸騰現(xiàn)象的本質(zhì).

5 教學(xué)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(xiàn)象激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，點(diǎn)明“燒開”這一生活用語在物理學(xué)中叫作“沸騰”，引入沸騰概念的教學(xué).

然后，通過以下三組觀察與推理活動，幫助學(xué)生建立沸騰概念，認(rèn)識沸騰現(xiàn)象的本質(zhì).

5.1.1 初步建立沸騰概念

利用透明水壺?zé)_一壺水，引導(dǎo)學(xué)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(xué)生能觀察到水的內(nèi)部和表面都有氣泡出現(xiàn)，且氣泡不斷產(chǎn)生、翻滾，十分劇烈.教師在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生推理：氣泡怎么產(chǎn)生？這一問題學(xué)生不易回答，教師此時(shí)拋出輔助問題：是空氣進(jìn)入水中形成的嗎？然后引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)汽化知識，通過推理得出氣泡是水遇熱發(fā)生汽化現(xiàn)象變成的水蒸氣聚集在一起所形成.由此，學(xué)生建立沸騰概念：沸騰是液體內(nèi)部和表面同時(shí)發(fā)生的劇烈汽化現(xiàn)象.

5.1.2 加深學(xué)生對沸騰本質(zhì)的認(rèn)識

在學(xué)生概念初步建立后，繼續(xù)觀察水沸騰現(xiàn)象，教師進(jìn)而提出問題：水沸騰時(shí)氣泡有什么特點(diǎn)？學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)，沸騰時(shí)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(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么沸騰時(shí)氣泡逐漸增大？這個(gè)問題有一定難度，需要教師引導(dǎo)學(xué)生展開推理：沸騰時(shí)，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(fā)生汽化現(xiàn)象，變?yōu)樗魵鈪R入氣泡中，導(dǎo)致氣泡逐漸增大，直到水面破裂開來.

5.1.3 明確水沸騰時(shí)的現(xiàn)象特征

教師將水停止加熱一小段時(shí)間后，再次加熱，引導(dǎo)學(xué)生觀察水沸騰前的氣泡特點(diǎn)，并嘗試?yán)脤W(xué)過的知識加以解釋.

學(xué)生觀察到水即將沸騰時(shí)，氣泡由大變小.經(jīng)歷之前的推理過程，學(xué)生可根據(jù)熱脹冷縮原理以及本節(jié)課所學(xué)的液化知識，解釋這一現(xiàn)象：底部的水由于最靠近熱源，發(fā)生汽化現(xiàn)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(fā)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(diǎn)繪制在黑板上（如圖1所示），為接下來的科學(xué)探究活動奠定基礎(chǔ).

5.2 探究水沸騰時(shí)溫度變化的特點(diǎn)

在學(xué)生明確沸騰概念后，便可以進(jìn)入探究水沸騰時(shí)溫度變化特點(diǎn)的教學(xué)環(huán)節(jié).本設(shè)計(jì)依據(jù)物理學(xué)科核心素養(yǎng)對科學(xué)探究的要求[4]，制定探究方案.探究過程以科學(xué)探究的問題、證據(jù)、解釋、交流四個(gè)要素為邏輯線索展開.

5.2.1 問題

對于問題要素，物理學(xué)科核心素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)，要基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想和假設(shè)[4].對于本節(jié)課，學(xué)生很容易將水沸騰與溫度變化聯(lián)系起來，但困難在于學(xué)生難以將這種聯(lián)系轉(zhuǎn)化為問題，并準(zhǔn)確表述為一個(gè)可探究的物理問題.教師可以在學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于沸騰是水發(fā)生汽化的本質(zhì)，類比冰熔化為水的溫度變化特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生提出本節(jié)課探究的問題：水沸騰時(shí)溫度變化有什么特點(diǎn)？

通過采用類比冰熔化為水的溫度變化特點(diǎn)的方式，學(xué)生很容易提出猜想：水在沸騰時(shí)溫度保持不變.但此時(shí)猜想的依據(jù)并不充分，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)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(xù)升高;水沸騰后，如果繼續(xù)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(xiàn)什么結(jié)果？學(xué)生根據(jù)所學(xué)的熔化知識容易意識到，若溫度一直升高，勢必會達(dá)到一定的溫度使得容器熔化，與事實(shí)經(jīng)驗(yàn)不符，從而有依據(jù)地提出“水在沸騰時(shí)溫度保持不變”這一假設(shè).

5.2.2 證據(jù)

證據(jù)要素包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定計(jì)劃、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)[4].《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》要求，學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定計(jì)劃過程中，應(yīng)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(xué)探究方法及所需要的器材[2].本節(jié)課實(shí)驗(yàn)方案比較簡單，且與上節(jié)課“探究固體熔化時(shí)的溫度變化特點(diǎn)”的探究方案具有相似性，因此可采用學(xué)生匯報(bào)的形式設(shè)計(jì)探究方案.為體現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)要求，教師應(yīng)注意以下三點(diǎn)：

第一，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)基于探究目的進(jìn)行設(shè)計(jì).本節(jié)課與上節(jié)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(xué)過程中，讓學(xué)生體會本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)方案是根據(jù)探究目的進(jìn)行設(shè)計(jì)，并非簡單復(fù)制上節(jié)課的方案.

第二，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)的影響因素，并有針對性地提出改進(jìn)方法.對于本實(shí)驗(yàn)而言，教師要引導(dǎo)學(xué)生提出使水盡快燒開的改進(jìn)方法：（1）加蓋子;（2）水的初始溫度高一些;（3）燒杯適當(dāng)小一些.實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示.

第三，除了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案外，還需制定記錄和處理數(shù)據(jù)的方案.基于上節(jié)課的探究，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄表格以及處理數(shù)據(jù)的“溫度—時(shí)間”圖像.教師需要強(qiáng)調(diào)以下注意事項(xiàng)：（1）當(dāng)溫度達(dá)到90℃左右時(shí)每隔0.5分鐘記錄一次數(shù)據(jù);（2）實(shí)驗(yàn)過程中注意觀察氣泡特點(diǎn)，觀察到沸騰現(xiàn)象之后再記錄4-6組數(shù)據(jù);（3）撤掉酒精燈后繼續(xù)觀察燒杯內(nèi)氣泡變化，并再記錄幾組數(shù)據(jù).

探究方案完成后，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師巡視，提醒學(xué)生注意實(shí)驗(yàn)安全及操作規(guī)范.

5.2.3 解釋

解釋要素要求學(xué)生基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋[4].實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生得到類似如圖3所示的“溫度—時(shí)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(diǎn)？水是否沸騰？溫度有什么特點(diǎn)？

學(xué)生根據(jù)氣泡特點(diǎn)回答：在AB段，水沒有沸騰，溫度逐漸升高;而在BC段，水已經(jīng)沸騰，溫度保持不變.由此得出結(jié)論：水在沸騰的過程中溫度保持不變.

教師結(jié)合圖像給出沸點(diǎn)的定義，并進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析圖像的BC段和CD段，得出液體沸騰條件：達(dá)到沸點(diǎn)并持續(xù)吸熱.

學(xué)生在得到結(jié)論后，還需要對探究結(jié)果進(jìn)行解釋.根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)對物態(tài)變化的要求，本設(shè)計(jì)將解釋內(nèi)容定為從能量轉(zhuǎn)化的角度解釋溫度變化圖像，重點(diǎn)解釋沸騰時(shí)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(dāng)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(dá)到動態(tài)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(xiàn)象隨之停止.

5.2.4 交流

該要素要求學(xué)生有評估探究過程和探究結(jié)果的意識，能關(guān)注探究中出現(xiàn)的新問題并從中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對科學(xué)探究過程與結(jié)果進(jìn)行交流、評估和反思[2].交流要素在上述探究過程均有體現(xiàn)，在此不再贅述.以下是完成探究過程后的交流活動設(shè)計(jì).

對比教科書上的小資料（如圖4所示）給出的水的沸點(diǎn)，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果不一致.教師組織開展小組討論，分析實(shí)驗(yàn)誤差.討論時(shí)，教師提示學(xué)生注意小資料的標(biāo)題，點(diǎn)明氣壓也會影響沸點(diǎn).但由于學(xué)生此時(shí)不具備氣壓的知識基礎(chǔ)，可留作以后解釋.

最后，教師引導(dǎo)學(xué)生回顧探究過程，發(fā)表感想，暢所欲言，反思實(shí)驗(yàn)探究過程中的優(yōu)勢與不足.

6 教學(xué)評價(jià)設(shè)計(jì)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中指出，學(xué)習(xí)評價(jià)內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)與課程目標(biāo)一致[2].為此，基于本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)，本設(shè)計(jì)分別針對科學(xué)探究過程以及學(xué)生學(xué)習(xí)效果設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)評價(jià)活動.

6.1 對科學(xué)探究過程的評價(jià)

針對科學(xué)探究過程，則通過教師評價(jià)、小組互評以及學(xué)生互評的方式評價(jià)學(xué)生在問題、證據(jù)、解釋、交流等環(huán)節(jié)的表現(xiàn)情況.

6.2 學(xué)生所學(xué)物理知識的評價(jià)

針對教學(xué)目標(biāo)中的沸點(diǎn)、沸騰條件、能量轉(zhuǎn)化和解釋現(xiàn)象等內(nèi)容，筆者設(shè)計(jì)4項(xiàng)評價(jià)活動.

評價(jià)活動1：結(jié)合圖4小資料中的信息，提出問題：本實(shí)驗(yàn)中是否可以用酒精溫度計(jì)或者家中的寒暑表？

該評價(jià)活動能夠培養(yǎng)學(xué)生獲取信息和處理信息的能力.在此基礎(chǔ)上，教師進(jìn)一步說明實(shí)驗(yàn)室常用的溫度計(jì)是水銀溫度計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生分析水銀溫度計(jì)的優(yōu)勢.

評價(jià)活動2：再次回顧本節(jié)課探究方案，教師提出引入新課時(shí)油鍋先燒開的問題.提示學(xué)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(dǎo)學(xué)生解釋現(xiàn)象：油鍋中油會浮在水的表面，相當(dāng)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(jià)活動3：教師以本節(jié)實(shí)驗(yàn)方案為基礎(chǔ)，在燒杯中再放一盛水的試管，用酒精對燒杯進(jìn)行加熱，用兩只溫度計(jì)分別測量燒杯和試管中水的溫度[5]（如圖5所示）.待燒杯內(nèi)的水沸騰后，引導(dǎo)學(xué)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(xiàn)象？

學(xué)生觀察到兩容器中水溫都達(dá)到100℃，大燒杯中的水已經(jīng)沸騰;但由于試管內(nèi)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過程中，加深學(xué)生對沸騰條件以及沸騰過程中能量轉(zhuǎn)化的理解.

評價(jià)活動4：課后作業(yè).教師提供網(wǎng)紅液氮冰淇淋凍傷皮膚的新聞，要求學(xué)生根據(jù)本節(jié)所學(xué)，分析皮膚凍傷的原因;并搜集資料，梳理液態(tài)氮在科學(xué)研究中的用途.

7 本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

7.1 注重觀察與推理，加深學(xué)生對沸騰本質(zhì)的理解

我國基礎(chǔ)教育歷來有培養(yǎng)學(xué)生觀察能力和思維能力的傳統(tǒng)[6-7].《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》要求：“教師應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，啟發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明的問題進(jìn)行積極思考和交流.”[2]教科書通過簡短的語言回顧生活現(xiàn)象便直接給出沸騰的概念，這種方式很難使學(xué)生將沸騰與汽化聯(lián)系在一起.本設(shè)計(jì)通過演示實(shí)驗(yàn)，將觀察活動與學(xué)生的思維過程相結(jié)合，使學(xué)生的認(rèn)識由表及里逐步深化，幫助學(xué)生認(rèn)識沸騰現(xiàn)象的本質(zhì).

7.2 基于核心素養(yǎng)要求，設(shè)計(jì)較為完整的科學(xué)探究過程

科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)要素之一，教師在教學(xué)中應(yīng)重視學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng).但實(shí)際教學(xué)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(xué)探究要素的理解不夠深刻，往往忽視學(xué)生問題意識的培養(yǎng)，有時(shí)為了照顧探究過程的完整性而隨意提出假設(shè)[9];亦有教師將科學(xué)探究等同于學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作，對探究結(jié)論的解釋、探究過程和結(jié)果的交流反思等凸顯不夠[10].本設(shè)計(jì)基于核心素養(yǎng)的關(guān)鍵要素，設(shè)計(jì)包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素的較為完整的科學(xué)探究過程，以期為基于核心素養(yǎng)的教學(xué)提供參考.

7.3 基于教學(xué)目標(biāo)開發(fā)教學(xué)評價(jià)活動

沸騰是本節(jié)課教學(xué)的重點(diǎn)，但在教科書的課后習(xí)題中卻沒有設(shè)置相應(yīng)的練習(xí)題.本設(shè)計(jì)基于教學(xué)目標(biāo)，開發(fā)一系列教學(xué)評價(jià)活動，既注重對科學(xué)探究的過程評價(jià)，又創(chuàng)設(shè)生活現(xiàn)象、演示實(shí)驗(yàn)、前沿科技等情境，引導(dǎo)學(xué)生利用沸騰知識解釋現(xiàn)象和解決問題，并在此過程中注重培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，充分體現(xiàn)以評價(jià)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)和發(fā)展的理念.

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（收稿日期：2021-01-23）