气体的等温变化中两种实验数据处理路径的比较

任虎虎

摘 要：实验数据处理过程中蕴含着猜想、类比等思维方法和“求真”的科学精神，是发展学生科学思维能力和提升物理学科核心素养的良好载体，充分利用和挖掘这一环节，能达到培养学生关键能力的目的。本文通过两种实验数据处理路径的实践和比较，说明良好的学习路径和过程对于思维能力的培养和看待问题视角的养成的重要性。

关键词：气体的等温变化；实验数据；学习路径；思维能力；视角

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）11-0054-3

物理是一门以实验为基础的学科。物理教学离不开实验探究，但是实验探究不只是测出实验数据。笔者认为学生从实验数据到自己得出物理规律才是实验探究的核心，因为这个过程中蕴含着猜想、类比、建模等物理思维方法和“求真”的科学精神。教学过程中要充分挖掘和利用这一环节，发展学生的科学思维能力和实验探究能力，提升物理学科核心素养。

1 实验数据的得出

在 “气体的等温变化”实验中，借助DIS实验平台，采用分组实验的形式。保持温度不变（环境温度由温度传感器测出：28.8 ℃），实验中把注射器的活塞向外拉（不易漏气），测出体积，再通过压强传感器测出了多组实验数据。其中一小组同学的实验数据如表1（下文中作图都以这一组数据为例）。

2 两种数据处理路径

路径一：

在实验探究得出数据后，课堂上直接让学生观察实验数据，计算压强p和体积V的乘积，然后作图处理得出实验结论。

师：请观察实验数据有什么特点？

生1：在气体的等温变化中，体积越大，压强越小？

师：压强p和体积V之间可能会存在什么定量的关系呢？

生2：计算压强p和体积V的乘积。

师：通过计算发现什么？

生3：压强p和体积V的乘积几乎相等。

师：为了形象、直观地得出压强p和体积V的关系，用什么方法处理实验数据？

生4：作图法。

师：作什么图像能更好地得出实验结论呢？

生5：作p-1/V图像。

学生活动1：利用自己小组得出的实验数据作图。

利用上述数据得出的图像如图1所示。

师：大家可以归纳得出什么结论？

生6：一定质量的理想气体，在温度不变时，压强和体积成反比。

师：实验误差主要是哪些因素造成的呢？

生7：读数，拉活塞时不是很缓慢等。

路径二：

在这一学习路径中，设置了以下5个层级：（1）由实验数据作p-V图像；（2）作p-1/V图像；（3）对实验数据修正，重新作p-1/V图像；（4）用不完全归纳法得出实验结论；（5）实验误差分析。

师：由所测的实验数据如何得到p和V之间的具体关系？

生1：可以作图像。

学生活动1：利用Excel得出上述表中p-V图像，如图2所示。

师：由图像大家可以看出p和V之间是什么关系？

生2：反比函数。

但是，学生又不是很确定。

师：如何进一步确定p和V之间是不是成反比关系呢？以前有没有遇到过类似的问题？

生3：可以算p和V的乘积是不是一个常数。

生4：作p-1/V图像，看是不是一条过原点的直线。以前作过“a-1/m”图像。

学生活动2：算p和V的乘积，依次为3030.0、3036.2、3043.8、3045、3050、3055。作p-1/V图像，如图1所示。

师： p和V的乘积一直在变大，图像也没有完全过原点，这不能认为是偶然误差。不能放过这一细节，请看看实验装置，找找是什么原因引起的？

生5：压强传感器和注射器之间的软管也有体积，没有考虑在内。

学生活动3：利用游标卡尺测软管的内径和长度，算出其体积约为0.63 mL（内径约为4 mm，长度约为5 cm），对体积进行修正后，重新作p-1/V图像，如图3所示。

师：大家可以归纳得出什么结论？

生6：一定质量的理想气体，在温度不变时，压强和体积成反比。

师：实验误差主要是哪些因素造成的呢？

生7：读数，拉活塞时不是很缓慢等。

3 两种路径的对比分析

1.路径一的优缺点

优点：大多数课堂上呈现的是这一学习路径，一方面它节省上课时间；另一方面它也能较好地完成教学目标，得到实验结论。

缺点：首先，这一学习路径和过程是教师预设的结果，不具有生成和开放性；其次，缺少探究一波三折的过程，不利于培养猜想、类比、建模等科学思维能力。

2.路径二的优缺点

优点：首先，这一学习路径以学生为主体，很好地做到了预设与生成、自主与合作、独白与对话的统一；其次，开放性的问题和活动，提供发挥想象力的空间，有助于科学思维能力的培养和看待问题视角的养成。

缺点：耗时，受课堂教学时间的限制。

虽然后者比较耗时，在教学过程中应该采用该种学习路径。

思维能力和看待问题的视角是学生的关键能力，这些能力的培养孕育在学习的路径和过程中，而不是公式或結论。因此，教学时设计良好的课堂教学结构和“曲径通幽”的学习过程是落实学科核心素养的关键。

参考文献：

[1]翟小铭，郭玉英，李敏镐.构建学习进阶：本质问题与教学实践策略[J].教育科学，2015（2）：47-51.

[2]郭玉英，姚建欣.基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J].课程·教材·教法，2016（11）：64-68.

[3]卢炜杰，吴先球，王笑君.三种实验数据处理方法的误差分析和教学探讨[J].物理教学，2013（12）：22-23.

（栏目编辑 王柏庐）endprint