林豐 陳玉茹 王理想

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》對必做實驗“氣體的等溫變化”提出的教學要求為：通過實驗，了解氣體實驗定律。為培養(yǎng)學生的探究能力，筆者基于素養(yǎng)本位學習觀的4個方法要素，即堅持問題導向、創(chuàng)設真實情境、建構合作關系、實施指導性探究^[1]，在信息技術支持下創(chuàng)設情境，激發(fā)學生學習動力，并利用傳感器獲取數(shù)據(jù)，借助電子表格（Excel）軟件精準分析數(shù)據(jù)，通過教具和教法的整合創(chuàng)新，讓學生親身探究“氣體的等溫變化”規(guī)律，建立物理觀念，提高科學思維能力。實驗探究過程中，筆者引導學生分組合作探究，實事求是開展實驗，培養(yǎng)學生的科學品質。

一、教學內容、目標與重難點分析

如何探究“氣體的等溫變化”，教材給出了兩種實驗方法：一種是利用帶有氣壓表的注射器來探究，該方案不足之處在于氣壓表讀數(shù)不精確且手繪作圖及處理數(shù)據(jù)耗時多，效率較低；另一種是用數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）采集數(shù)據(jù)，用計算機軟件處理數(shù)據(jù)描繪圖像，這樣實驗能有效提高測量精度，同時讓學生體驗數(shù)據(jù)處理的過程，提高學生科學探究的質量。

教學目標：一是先演示實驗，再讓學生體驗實驗，了解氣體的狀態(tài)參量是存在變化關系的，學會運用控制變量法研究“氣體的等溫變化”規(guī)律；二是讓學生經(jīng)歷提出問題、猜想分析、設計實驗、采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、得出結論和交流評價的過程，學習具體方法；三是通過引導，讓學生在探究中養(yǎng)成敢于探索、敢于提問、勇于創(chuàng)新的科學精神，培養(yǎng)他們熱愛科學的情感。

教學重點：探究在溫度不變的情況下，一定質量的氣體壓強與體積的關系。

教學難點：設計方案，處理數(shù)據(jù)，分析誤差。

二、教學思路

教師基于素養(yǎng)本位學習觀的4個方法要素，建構了教學思路（如圖 1）：首先，壓縮空氣引火儀創(chuàng)設真實問題情境，啟發(fā)學生思考氣體狀態(tài)參量間存在一定的關系；接著，利用數(shù)字測溫器和自制的針筒實驗教具，探究一定質量的氣體發(fā)生“等溫變化”的條件；然后，圍繞如何測量氣體的體積和壓強這一核心問題，引導學生利用DIS設計實驗方案，充分運用DIS引導學生觀察氣體做等溫變化時，壓強與體積的數(shù)值變化，猜想氣體壓強與體積的關系，通過分組實驗的方式進行實驗探究，利用計算機軟件記錄和處理數(shù)據(jù)，分析氣體壓強與體積的關系；最后，帶領學生分析實驗誤差，培養(yǎng)學生的科學思維能力。

三、教學過程

（一）創(chuàng)設實驗情境，引入新課

教師演示“空氣取火”實驗：在空氣壓縮引火儀的氣缸底部放置少許棉花，用力迅速向下推動活塞壓縮氣體，引導學生觀察實驗現(xiàn)象，探究氣體狀態(tài)參量間的關系。

師生互動過程：

【問題】壓縮氣體時，氣體的體積、溫度和壓強如何變化？

學生：氣體被壓縮后，體積變小，棉花燃燒說明氣體溫度升高，氣壓可能變大、變小或不變。

【實驗】學生用手堵住針筒出氣口，緩慢推動活塞，壓縮氣體，通過手感受推力的變化，判斷氣體被壓縮時其壓強如何變化。

學生：推活塞的力變大，說明氣壓變大。

【問題】上述實驗表明，氣體的3個狀態(tài)參量間存在某種關系，如何更好地研究氣體的3個狀態(tài)參量間的關系，降低探究難度？

學生：可采用控制變量法探究兩個物理量之間的關系，控制其他物理量不變。

教師：我們先著手研究一定質量的氣體，控制氣體溫度不變，探究氣體壓強與體積的關系。

設計意圖：為啟發(fā)學生思考氣體狀態(tài)參量之間的關系，明確核心問題，教師創(chuàng)設情境，讓學生感知氣體狀態(tài)參量間存在某種關系，明確需要解決的問題及解決方法，提高探究的積極性。

（二）用測溫器探究氣體等溫變化的條件

實現(xiàn)氣體等溫變化是實驗的前提，也是實驗難點。在以往的教學中，教師常根據(jù)熱平衡理論進行演繹、推理，探究氣體做等溫變化的條件。但是這樣實驗，學生經(jīng)常犯不規(guī)范操作的錯誤。例如：學生過快地推動活塞改變氣體的體積并立即讀取氣體的壓強；長時間用手握住裝有氣體的容器外壁；等等。為了讓學生有效探究氣體做等溫變化的條件，規(guī)范學生的實驗操作，教師將溫度傳感器與顯示器相結合，組裝了數(shù)字測溫器和針筒教具，用以探究氣體做等溫變化的條件。

師生互動過程：

【問題】回憶“空氣取火”實驗并結合熱平衡知識，思考：在改變氣體的體積時，控制氣體溫度不變，需滿足哪些條件？

學生：在環(huán)境溫度不變時，緩慢推動活塞，氣體的溫度才能視為不變。

【實驗】用針筒和數(shù)字測溫器密閉一定質量的氣體，在室內溫度為30.7 ℃且不變時，學生以極慢的速度緩慢推動活塞和以較快的速度勻速推動活塞，觀察溫度計示數(shù)，驗證猜想是否正確。

學生：實驗表明，在室溫不變時，緩慢改變氣體體積，同時手不與容器外壁接觸，即可控制氣體溫度不變。

設計意圖：教師利用信息技術實現(xiàn)探究氣體做等溫變化的條件，引導學生觀察數(shù)字測溫器示數(shù)變化，探究氣體做等溫變化的條件，區(qū)分緩慢推動活塞與勻速推動活塞的區(qū)別，規(guī)范操作，最終實現(xiàn)理論推導和實踐探究的有效融合。

（三）設計測量氣體體積和壓強的實驗方案

設計合理、可行的測量物理量的方案，是獲取實驗數(shù)據(jù)的重要途徑。教師通過問題驅動，引導學生綜合運用所學知識設計測量物理量的方案，研討、評估實驗方案的可行性，確定符合信息技術情境要求的實驗方案。

師生互動過程：

【問題】實驗中，需要測量哪些物理量？

學生：氣體體積和壓強。

【問題】如何測量氣體體積和壓強？

學生：方案一，利用圓柱形玻璃管和機械式壓強計密閉一定質量的氣體，氣體可以簡化成圓柱體，體積V等于橫截面積S與空氣柱長度L的乘積，氣壓則由壓強計讀出。方案二，利用針筒和壓強傳感器密閉一定質量的氣體，從針筒壁上的刻度讀出氣體的體積V，用壓強傳感器測量氣體的壓強p，從DIS系統(tǒng)界面讀取壓強數(shù)值。

教師：用傳感器測量壓強比機械式壓強計更精確，讀數(shù)更加便捷。故選用DIS進行探究。

設計意圖：讓學生知道實驗中需要測量哪些物理量，理解相關方法原理，培養(yǎng)學生設計實驗方案和交流表達的能力，提高學生發(fā)散思維的能力，增強學生運用信息技術的意識。

（四）定性實驗，猜想分析

猜想要基于生活常識或科學實驗結果。如果學生盲目猜想會增加他們的認知負擔，不利于教學目標的達成。教師采用確定的測量物理量的方案，指導學生組裝器材，通過推動活塞，觀察壓強值的變化情況。

師生互動過程：

【問題】在溫度不變的情況下，一定質量的氣體壓強與體積存在怎樣的關系呢？

【實驗】教師介紹傳感器配套軟件的界面和讀取氣體壓強值的方法，指導學生組裝實驗儀器，緩慢推動活塞壓縮氣體，觀察DIS軟件中壓強值的變化情況。

學生：通過定性實驗可知，對于一定質量的氣體來說，在溫度不變的情況下，氣體體積減小，其壓強增大，由此猜想壓強與體積成反比關系。

教師：猜想壓強與體積的平方、三次方甚至是n次方，是否都能滿足氣體體積減小，壓強增大的關系？

學生：是的。

設計意圖：教師利用DIS創(chuàng)設物理情境，以豐富的視覺材料刺激學生的感官，讓學生觀察實驗結果得到定性結論：體積減小，壓強增大?；诙ㄐ詫嶒灥慕Y論，教師通過設問的方式，引導學生合理猜想，培養(yǎng)學生的思維能力。

（五）分組實驗，獲取數(shù)據(jù)

各組學生分工合作，在教師的指導下操作實驗器材并采集數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)表格中記錄氣體體積與壓強（見表1）。

設計意圖：教師組織學生分組實驗，增加學生合作學習與自主學習的機會，促進學生對知識的深層理解，發(fā)展學生科學論證、質疑創(chuàng)新等思維能力，讓學生在研討中取長補短，掌握交流技巧，以此培養(yǎng)學生實驗操作能力、創(chuàng)新能力、交流合作能力和自主學習能力。

（六）處理和分析實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)是實驗者開展科學思維活動的事實材料^[2]。學生利用壓強傳感器和針筒分別獲得氣體壓強和體積狀態(tài)參量的數(shù)據(jù)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)利用Excel畫出的p-V圖像，展開科學論證，基于數(shù)學知識大膽地質疑所畫的圖像是否說明壓強與體積成反比關系，并針對圖像進行深度思考，利用Excel作出p-1/V圖像，探究p與V的關系。學生基于實驗數(shù)據(jù)開展科學思維活動，既提高了數(shù)據(jù)處理能力，又有效培育了自身科學思維素養(yǎng)。

師生互動過程：

【問題】為顯化壓強與體積的關系，可以用什么方法處理數(shù)據(jù)？

學生：用作圖法嘗試畫出p-V圖像，分析壓強與體積的關系。

教師：作圖工具有很多種，如用坐標紙手繪作圖、用計算機軟件作圖等。這里，我們用Excel軟件作圖。請大家在Excel中作出p-V圖像。

學生：用Excel作出了p-V圖像。

【問題】畫出的p-V圖像能說明壓強與體積成反比關系嗎？

學生：畫出的p-V圖像是一條曲線，但不一定是反比例函數(shù)圖像雙曲線中的一條，無法說明p與V成反比關系。

【問題】回憶探究加速度a與質量m的關系，我們運用變換坐標的方法畫出a-1/m得知加速度a與質量m成反比。類比，如何更直觀說明p與V的關系？

學生：畫出p-1/V圖像，如果p-1/V圖像是一條過原點的直線，則說明p與V成反比。

教師：請大家用計算機軟件擬合出p-1/V圖像。

學生：利用Excel作出了p-1/V圖像。

教師：圖像為一條直線，但放大圖像坐標原點區(qū)域，發(fā)現(xiàn)直線不過原點，直接認為壓強與體積的倒數(shù)成反比關系，這種做法較為牽強。我們要尊重和正視實驗事實。直線不過原點說明實驗數(shù)據(jù)存在誤差。

【問題】實驗誤差主要是因為測量哪個物理量造成的？

教師：在DIS中，傳感器測出的壓強值精度高，其誤差可忽略不計。請仔細觀察實驗儀器，判斷實驗誤差是否主要來源于體積的測量。（教師用投屏儀在屏幕上展示實驗裝置。）

學生：針筒前端及連接傳感器的軟管內有氣體。

【問題】在測量氣體體積時是否考慮了這部分氣體的體積？

學生：針筒壁上的刻度顯示的是針筒內空氣柱的體積，不包含針筒前端及連接傳感器的軟管內氣體的體積，因此實驗中氣體體積的測量值比真實值小。

教師：事先依據(jù)特定的方法^[3]測出針筒前端及連接傳感器的軟管中氣體體積V₀=0.77 mL，對體積數(shù)據(jù)進行修正，將表1中體積數(shù)值均加上這部分氣體體積，再用計算機軟件重新繪制p-1/V圖線（如圖2），結果發(fā)現(xiàn)p-1/V圖像為一條經(jīng)過原點的直線。

實驗結論：在溫度不變的情況下，一定質量的某種氣體壓強p與體積V成反比。

設計意圖：教師引導學生經(jīng)歷分析和處理數(shù)據(jù)過程，提高數(shù)據(jù)分析與科學探究能力。學生通過分析誤差，提高自身科學思維能力，養(yǎng)成實事求是的科學態(tài)度。

四、總結

教師創(chuàng)設真實的生活情境，通過問題驅動學生思考，建構模型引導學生實驗、探究，最終得出了科學結論。在整個過程中，學生參與設計實驗方案、猜想分析、實驗操作、記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)等活動，他們的學習積極性和主動性得到充分發(fā)揮。在設計實驗方案環(huán)節(jié)，教師將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法和傳感器等信息技術手段相結合，既提高了實驗測量精度，又讓學生經(jīng)歷數(shù)據(jù)處理過程，親身體驗并深度思考，發(fā)展了學生的學科素養(yǎng)。

注：本文系海南省教育科學規(guī)劃2021年度立項課題“中學物理自制教具的研究與開發(fā)”（課題編號：QJY20211054）階段性成果。

參考文獻

[1] 張紫屏.論素養(yǎng)本位學習觀[J].全球教育展望，2016（3）：3-14.

[2] 張玉峰.基于核心素養(yǎng)的中學物理實驗教學重難點突破[M].北京：北京師范大學出版社，2021.

[3] 吳志山.等溫變化時氣體壓強和體積倒數(shù)圖像關系“異?！钡奶骄縖J].物理教學，2022（7）：30-32.

（作者林豐、陳玉茹系海南省文昌中學教師；王理想系海南省教育研究培訓院教研員）

責任編輯：祝元志