以物理核心素养为导向的温度传感器实验教学案例设计

陈琪睿 慕晓艳 杨晓梅

(1. 宁夏回族自治区银川市宁夏大学,宁夏 银川 750021; 2. 陕西省榆林市绥德县绥德中学，陕西 榆林 718000)

1 引言

中国学生发展核心素养明确提出:学生发展核心素养主要指学生应具备的,能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力．在其研究过程中明确提出“开展转化研究,对接课标修订”,同时新课程标准中明确提出:课程居于教育的核心地位,因此将课程推陈出新能够推动学生核心素养发展．物理教学提倡以物理核心素养为导向,以物理核心素养更全面、更综合的定义作为适应时代变化以及培养什么样的人为观点的综合目标．物理核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个方面．以培养学生物理核心素养为导向的探究实验教学在科学思维、科学探究以及科学态度与责任方面起到关键性作用．

教师在实际教学中落实以物理核心素养为导向的教学首先通过以物理核心素养为导向的教学设计体现教学思想．数字化传感器在信息采集,自动控制,信息处理技术中的优势是将传感器引入教学的前提,传感器实验旨在培养学生通过实验发现物理规律,提高学生的自主创新意识,发展学生的自主学习能力和独立研究能力．本文给出以物理核心素养为导向的温度传感器实验教学案例,通过教学设计展示如何在实验课堂中渗透物理核心素养．

2 温度传感器教学案例设计

借助传感器物理实验案例作为探究实验载体的优势有:实验操作简洁;实验数据无需专门记录;实验容易重复操作便于观察实验现象以及获取多组实验数据;实验细节清晰;提高实验精度;克服传统实验方法单一,器材陈旧的弊端等．本文以人教版8年级上册第3章“温度的测量”一节教学内容为例,展示以培养物理核心素养为导向的温度传感器测量液体沸腾时温度变化情况的部分教学案例，如图1所示．

图1 物理核心素养与教学设计融合示意图

引导设计实验：给学生视频播放生活中烧开一壶水的现象,然后引入沸腾的概念．(引导学生从物质观与能量观角度理解沸腾现象,从物质相互作用观来理解液体沸腾的内在条件.)教师提问:水沸腾时的温度是多少?沸腾后再加热3min的温度?学生用生活常识回答是100℃,后又猜测继续烧温度可能再升高或不变等等．教师:科学家们在一个问题争执不下的时候通常会用事实来说服别人,我们用什么办法来验证水温是否继续升高呢?学生回答用温度计测量水的温度,教师介绍全部实验仪器及设备,请学生以小组形式自行选择实验仪器来进行验证．探究实验主要元件清单如表1所示.

表1 探究实验主要元件清单

实验原理图加实物辅助的形式讲解实验原理.学生组装实验实物图、实验原理图如图2、3所示.教师提问:如何用现有实验仪器设备来组装测量水的温度?换用酒精为实验液体会产生相同效果吗?

图2 学生组装实验实物图

图3 实验原理图

概念建构：学生设计小组实验各有不同,通过对比用温度计测量与温度传感器测量水沸腾时温度变化的不同与各自优缺点让学生学会在判断事物过程中应用批判性思想与分析综合等思维方法．由实验现象引入教学能够激发学生好奇心与求知欲,在液体沸腾概念介绍清楚之后引入传感器实验装置,提示学生思考沸腾时温度变化的特点．教师提问:为什么水沸腾后能够顶起壶盖?像不像有一股无形的力量顶起了壶盖呢?普通的水蒸气和液体沸腾时产生的推动壶盖的气体一样吗?(引导学生从能量的角度思考水沸腾现象,为后续学习能量的传递打下基础)实际测量中水在97℃左右沸腾,教师讲解由于地理位置不同原因液体没有达到100℃就沸腾,同时介绍在海拔更高的地区受大气压影响液体在70℃就会沸腾．教师提示学生观察液体沸腾后水温度的变化特点．由传感器给出的数据波形图,学生很快发现即使持续加热液体温度也不再上升的现象．持续沸腾时水的温度不再上升,停止加温后液体不再沸腾,前概念与现有事实发生冲突.这一现象启发学生思考沸点这一科学概念,教师当即引入沸点这一新概念,告诉学生只有达到沸点并持续加热液体才能沸腾.在现实情境中引入新概念学生对其理解程度自然加深,掌握概念内涵与外延．同时用温度传感器代替温度计来测量水的温度变化情况,可精确、快速地实时记录水的温度,并给出实验波形图,形象、直观地展示实验结果．

设计意图：由实验数据如何总结得出实验结论是此数据图线的重要教学任务.学生实验数据波形图如图4所示.教师引导:在液体没有沸腾前水温随温度上升而上升,在达到97℃后无论如何继续加热温度也不再上升,而是基本维持恒定,图线中的“上升段”代表温度持续升高,“拐点”代表液体已经达到沸腾状态,“持平线”代表液体保持沸腾,但温度不再上升．实验加入温度传感器,不再需要消耗大量时间手动记录实验数据,也不需要根据记录的数据绘制实验图形,从而节约了大量时间,可以让学生更好地探究物理实验规律,而不是记录实验数据和绘制实验图形．学生亲身实践用温度传感器测量液体沸腾时水温的变化特点的探究实验,体验观察现象、合理猜测、设计多种方案与分析论证过程;采用个人抽象概括与小组合作完成实验推理论证相结合的方式,在实验合作与交流的过程中体验实验方案设计与实验证据获取,最终分析论证,评估反思得出实验结果的过程．

图4 学生实验数据波形图

初中学生在基本的观察、分析、总结能力方面较为薄弱,理解数字化仪通用软件的使用方法十分重要.实验仪器的学习为探究实验顺利进行做准备.在侧重思维与方法的教学中渗透建模思想、批判性思想、推理论证与分析综合思想,知其然也知其所以然.在演示实验操作环节请一组学生操作展示实验,启发学生无意注意,在侧重探究与发现的实验教学中渗透发现问题、合理猜测、分析论证,合作交流及评估反思的教育目标，在实验过程中渗透物理核心素养．

3 结论与反思

新课改中特别强调了培养学生具有保护环境,节约资源,促进可持续发展的社会责任感,培养学生实事求是,不迷信权威的正确价值观．通过温度传感器探究实验,让学生经历探究实验过程,帮助学生直观、形象的学习新知识;学生通过教师的引导积极参加到课堂中,激发学习物理知识的兴趣,使学生乐于探索物态变化的现象,乐于了解日常生活中的物态变化.通过自主学习,观察归纳,合作探究对物态变化有更加深入的认识．基于此,以物理核心素养为导向,设计基于数字化传感器探究液体沸腾时温度变化特点的学生自主探究实验,实现以物理核心素养为导向的物理观念、科学思维,实验探究及科学态度与责任的整合化案例设计.通过物理概念引入与物理规律总结在小组探究实验过程中培养学生科学品质、锻炼学生科学思维,在概念建构与规律总结上以探究实验为依托,在设计上给出以温度传感器为例的一类教学设计的思维导图(图5),希望对传感器类实验的教学设计起到范例效果．

本次实验结束后总结发现利用温度传感器改进测量液体沸腾时温度变化特点的实验中仍有不足: (1) 传感器的引进确实使实验现象方便快捷且直观地展现在学生眼前,反思省去了读取实验数据与绘制波形图这样的数据处理环节是否忽略了学生的数据处理和独立解决问题的能力; (2) 水的沸腾是一种剧烈的汽化现象,在学生小组探究过程中容易出现烫伤等意外事故,同时酒精也是易燃易挥发液体,安全问题没有得到重视,实验用水在实验结束后也应妥善处理等．使学生树立起安全第一的实验意识,树立节约资源、可持续发展的正确价值观．