基于实验的学生物理核心素养培育策略

■金 刚

2016年9月，教育部委托课题“中国学生发展核心素养”研究成果正式发布，明确了中国学生发展的六大核心素养，通过顶层设计来解决对“素养发展”关注不足的问题。核心素养的提出是对三维目标的提炼和整合，既承接了“知识、能力、情感态度价值观”三维目标，又超越了三维目标，是学科育人的集中体现。物理学科素养是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，由“物理观念”“科学思维”“实验探究”“科学态度与责任”等四个方面的要素构成。

“水沸腾实验”是苏科版八年级物理上册第二章第二节中的重要实验，实验中多处现象需要师生“再”理解，“再”深入，“再”设计，“再”验证，“再”强化，以期发展学生的各项素养。

一、巧设实验，观念“再”形成

在物理学习过程中，学生的认知过程不能仅停留在强行识记上，课堂中教师不能一给出概念就让学生去熟读强背。实验是个很好的载体，教师可以巧妙地设计实验，利用实验中的现象让学生去认知概念，辨析概念，理解概念，从而建立科学的物理观念。

在学生分组实验中会出现各种实验现象。笔者设计了一组学生实验，实验装置如图1所示。用酒精灯给烧杯（烧杯未加盖）中的水加热，当温度计示数上升至97℃便不再上升，此时烧杯中并未出现大量由小变大上升的气泡。

沸腾是液体内部与表面同时进行的剧烈的汽化现象，此时并未出现剧烈的汽化现象，所以不能叫作沸腾。沸点是液体沸腾时保持不变的温度，实验中虽然温度保持不变，但是液体并没有沸腾，所以本实验中保持不变的97℃并不是沸点。

通过对比实验现象与物理概念，有利于学生对物理概念的“再”理解。物理概念的辨析建立，对提升学生学习物理的信心起着重要作用，也有利于学生在潜移默化中形成物理观念。

二、问题引领，思维“再”深入

借助上述实验现象，可以提出很多相关的问题来帮助学生更好地思考，这就需要教师设计问题来引导。问题：水温保持97℃不变的原因是什么？学生讨论后很容易得到：保持不变的原因是97℃时水吸收的热量跟放出的热量正好平衡，即Q吸=Q放，所以水温保持不变。

1.问题链细化“再”深入。

问题1：97℃时吸放热平衡，95℃时吸放热是否平衡？（不平衡，因为温度还会上升。）

问题2：95℃时吸放热不平衡是水吸热导致的还是放热导致的？（放热导致，因为酒精灯放热未变，即水吸热不变，放热比97℃时少，此时Q吸＞Q放，所以温度继续上升。）

问题3：什么会导致放热变化？（温度，更确切地说是与外界的温差，温差越大，放热越快。）

2.图像法辅助“再”验证。

对上述问题，我们还可以通过图像法进行辅助研究，帮助学生验证理解，让知识更扎实，思维更清晰。将各个时刻温度计的示数制表，如表1所示，并将数据用作图的方式呈现在坐标系中，如图2所示，发现随着温度的上升曲线变缓，说明温度升高越慢，放热越快。

表1

综合分析可知，酒精灯放热不变，就是水吸热不变；当水温升高后，与外界空气温差变大，向外界空气放热就会变快，到达97℃时，吸放热的速度相同，达到吸放热平衡，所以温度保持97℃不再上升。

知识的构建与能力的形成需要一个漫长而循序渐进的过程。在课堂教学中，这种循序性、渐进性都需要教师的引领，问题及问题链的“再”深入、“再”细化、“再”设计，研究方法的多样化，对激发科学思维、培养兴趣起着至关重要的作用。

三、释疑解惑，探究“再”验证

实验中发现，97℃时水吸放热平衡导致达不到沸点，要使水温继续上升达到沸点，看到沸腾现象，我们需要打破平衡。要解决这个问题，我们可以增大Q吸或者减小Q放，即可以加大酒精灯火焰或者减少放热。如图3所示，可以采用加盖减少热损失的方式来完成此实验，同时在实验过程中，发现水沸腾后出现大量的“白烟”，温度计的玻璃管上吸附着大量小水珠。

疑惑一：高温水蒸气液化后放热吸附在玻璃管上会不会使玻璃管中液注再膨胀而使温度上升？此时温度计的示数就会高于水的沸点。

解惑一：我们可以用普通温度计、数显温度计同时测量水沸腾时的温度（因为数显温度计是用感温头测温）。如图4所示，实验发现两温度计示数相等，说明液化放热使玻璃管中液注再上升影响温度计测量水的沸点的说法不成立。

疑惑二：加盖后会不会使烧杯内气压变高而使水的沸点升高呢？

解惑二：同样用类比的方法对烧杯内的水进行加热至沸腾，实验发现，加盖前温度计测出水的沸点为99℃，加盖后测出沸点为102℃，由此可见加盖后的沸点明显升高，排除由于水蒸气液化放热使读数上升后，影响因素就可能是气压了。为了证实猜想，又用烧瓶盛水进行水沸腾实验。如图5所示，实验发现烧瓶中测得的水温达到104.2℃，这时水还未沸腾，说明水的沸点升高了，也就说明沸腾后水蒸气集聚不能及时跑出瓶外，导致烧瓶内气压局部升高，会影响水的沸点，使沸点升高。

学生在有目的的探究活动中，通过对实验现象的分析，抓住主要因素，忽略次要因素，往往容易获得实验结论及物理规律。但是被我们忽略的次要因素，其中有很多值得我们去研究，为此，我们应对实验进行“再”设计、“再”探究，从而提高学生的创新精神和实践能力。

四、关注生活，责任“再”强化

物理源于生活并服务于生活，为此，我们应培养学生发现生活中的物理现象并提出问题，利用所学物理知识分析得出结论，使物理素养再强化。在课堂教学之余，教师可布置以小组为单位的课外实验任务，以此培养学生的实践能力、科学态度和社会责任。

任务一：如何进一步缩短加热时间？这在生活中有哪些应用？学生通过分析和实践，总结出了不同的方法，同时很自然地形成了“节能”的意识。在此基础上，再进一步提出：高温水蒸气是有能量的，这部分能量能利用起来吗？学生很自然地就联想到蒸汽机，以及能量有效利用、节约能源的问题。

任务二：用不同的水做实验，比如纯净水、自来水、河水，它们的沸点是否相同呢？