【關(guān)鍵詞】高中物理；數(shù)模結(jié)合；等溫變化；線性與非線性擬合

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

【作者簡(jiǎn)介】王鵬，江蘇省句容高級(jí)中學(xué)（江蘇句容，212400）教師，高級(jí)教師。

傳統(tǒng)的高中物理教學(xué)通常側(cè)重于理論知識(shí)的傳遞，但學(xué)生往往對(duì)于抽象的物理概念和規(guī)律難以建立直觀的認(rèn)知。江蘇省句容高級(jí)中學(xué)知行物理學(xué)科育人課程基地依據(jù)“智學(xué)·實(shí)踐”核心架構(gòu)，將物理模型數(shù)字化，采用數(shù)字模型與物理現(xiàn)象相結(jié)合的數(shù)模結(jié)合研究法。下面，筆者以“氣體等溫變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理”教學(xué)為例，闡釋如何幫助學(xué)生從定量和定性的雙重角度深入理解物理現(xiàn)象的本質(zhì)。

一、確定研究問題

知行物理課程設(shè)計(jì)從掌握理論基礎(chǔ)、問題發(fā)現(xiàn)與研究出發(fā)，以問題為導(dǎo)向，明確課程設(shè)計(jì)的方向、教學(xué)內(nèi)容的選擇及教學(xué)方法的運(yùn)用。

問題1：氣體等溫變化過程中，壓強(qiáng)與體積之間存在何種定量關(guān)系？

問題2：如何通過數(shù)學(xué)建模的方法處理氣體等溫變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？

問題3：實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)氣體等溫變化規(guī)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(diǎn)。問題1直接指向?qū)嶒?yàn)的核心目的，即探究在溫度不變的情況下，氣體壓強(qiáng)與體積之間的變化規(guī)律；問題2關(guān)注數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)建模的方法層面，旨在找到一種有效的數(shù)據(jù)處理和建模方法，以更準(zhǔn)確地描述氣體等溫變化的規(guī)律；問題3關(guān)注實(shí)驗(yàn)誤差的分析和控制，旨在評(píng)估實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，并探索減小誤差的方法。

二、收集分析數(shù)據(jù)

1.指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行氣體等溫變化實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

利用分組實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)儀器來探究氣體等溫變化的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中氣體的質(zhì)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(qiáng)P由壓強(qiáng)傳感器精確測(cè)定。當(dāng)注射器內(nèi)的氣體體積V減小時(shí)，記錄壓強(qiáng)傳感器相應(yīng)的讀數(shù)P，同時(shí)指導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成Excel電子表格，以便導(dǎo)入計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析。

2.應(yīng)用GeoGebra軟件對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)圖，包括多種圖表類型的選擇、坐標(biāo)軸設(shè)置、數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)記等，指導(dǎo)學(xué)生繪制清晰、準(zhǔn)確的氣體等溫變化圖表。然后，組織小組討論和交流，引導(dǎo)學(xué)生觀察圖表中的趨勢(shì)線，分析壓強(qiáng)與體積之間的關(guān)系是否符合玻意耳定律的預(yù)測(cè)。

三、構(gòu)建數(shù)據(jù)模型

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量得到的氣體壓強(qiáng)和體積數(shù)據(jù)通常是離散的數(shù)值對(duì)。知行物理課程設(shè)計(jì)根據(jù)研究問題和數(shù)據(jù)特征，選擇合適的建模方法和技術(shù)，建立相應(yīng)的數(shù)字化物理模型。

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”，延伸類比得到通過分析V- [1P]變化關(guān)系是否為線性變化，從而驗(yàn)證P-V呈反比例關(guān)系。教師演示并使用GeoGebra的函數(shù)擬合功能，幫助學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并計(jì)算相關(guān)的物理參數(shù)，擬合出對(duì)應(yīng)V- [1P]的線性方程，驗(yàn)證數(shù)字化物理模型的準(zhǔn)確性。

四、驗(yàn)證優(yōu)化模型

對(duì)建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，確保其能夠準(zhǔn)確地描述實(shí)際問題是知行物理課程中uIa0Zzqr8fJDSfAc3bfqlA==的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型進(jìn)行對(duì)比分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)氣體的擬合直線不通過坐標(biāo)原點(diǎn)，且GeoGebra軟件線性擬合出的結(jié)果存在一個(gè)截距。

在此基礎(chǔ)上，教師組織學(xué)生進(jìn)行小組討論和交流，指導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)條件、測(cè)量設(shè)備、操作過程以及數(shù)據(jù)處理等多個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮和評(píng)估，分享各自的分析方法和結(jié)果，促進(jìn)學(xué)生之間的學(xué)習(xí)和合作。學(xué)生對(duì)建立的等溫變化數(shù)字模型進(jìn)行修正和優(yōu)化，準(zhǔn)確地描述了實(shí)際問題，并進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)和分析，從而驗(yàn)證玻意耳定律的正確性。

五、評(píng)價(jià)維度設(shè)計(jì)

1.物理觀念

評(píng)價(jià)學(xué)生是否準(zhǔn)確理解氣體等溫變化的定義，觀察學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)氣體等溫變化現(xiàn)象的描述和分析，判斷他們是否能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與實(shí)際現(xiàn)象相結(jié)合。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，是否能夠運(yùn)用玻意耳定律解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并得出合理的結(jié)論。

2.科學(xué)思維

（1）分析與綜合能力：評(píng)價(jià)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的分析能力，其是否能夠理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，可以通過讓學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（2）推理與論證能力：評(píng)價(jià)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中是否能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行合理的推理，可以通過提問或讓學(xué)生進(jìn)行小組討論的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（3）模型建構(gòu)能力：考查學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中是否能夠建立氣體等溫變化的物理模型，可以通過讓學(xué)生繪制物理模型圖的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.科學(xué)探究

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力：考查學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前是否能夠設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案，包括實(shí)驗(yàn)器材的選擇、實(shí)驗(yàn)步驟的安排、數(shù)據(jù)的采集方法等，可以通過讓學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告或進(jìn)行小組討論的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

（1）科學(xué)態(tài)度：評(píng)價(jià)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的認(rèn)真程度和專注度，是否能夠積極參與實(shí)驗(yàn)，認(rèn)真記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以通過觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)和檢查實(shí)驗(yàn)記錄進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（2）社會(huì)責(zé)任：引導(dǎo)學(xué)生思考?xì)怏w等溫變化在實(shí)際生活中的應(yīng)用，評(píng)價(jià)學(xué)生是否能夠?qū)⑽锢碇R(shí)與實(shí)際生活相結(jié)合，認(rèn)識(shí)到科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)的影響。

知行物理課程基地以“認(rèn)知為前提、探索為主線、實(shí)踐為佐證、創(chuàng)新為升華”的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)了學(xué)生的認(rèn)知能力、探索精神、實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。