提升“科学探究”素养的教学实践——以“气体的等温变化”实验探究为例

福建省三明市第二中学(365000) 施生晶 洪英兰

化学研究的最终价值在于运用“科学探究”是物理学科四大核心素养之一,“科学探究”包括问题、证据、分析、交流等要素。在“气体的等温变化”探究活动过程中，笔者利用自制教具创设有利于学生探究素养提升的学习情境，选择“DIS实验系统”引导学生将传统实验方法和现代信息技术手段相结合，发展学生的科学思维能力和实验探究能力。让学生在探究中获得科学知识，领会科学探究方法，形成科学思维，养成科学探究的习惯。

1 自制教具，科学探究

实验1：压强与体积关系见图1。

图1 气体压强与体积关系实验

实验器材：玻璃注射器、橡胶套、铁架台。

学生演示：橡胶套和柱塞封闭一段空气柱，让女生单个手指向下压柱塞，压到一定程度时，女生不自觉再增加一个手指压柱塞。

学生体验：气体体积减小，压强增大。

猜想1：压强可能与体积成反比。

实验2：压强与温度关系(见图2)。

图2 气体压强与温度关系实验

实验器材：U型管(连通器)、红色的液体、有两个孔(大和小)玻璃容器、铁架台。

学生演示：U型管右侧通过塑料管与密闭的玻璃容器相联，左侧与大气相通，管内两侧红色的液柱等高。学生两手抱住密闭的玻璃容器，观察到左侧管液柱缓慢上升。

现象分析：人体的体温37 ℃左右，通过手和玻璃的热传递，使密闭容器中的气体温度升高，压强增大，通过塑料管，向下压右侧管的液柱，导致左侧管液柱上升。

学生体验：气体温度升高，压强增大。

猜想2：压强可能与温度成正比。

探究方案：学生体验气体的三个状态参量(温度、压强、体积)之间存在一定的关系，若能测出压强、体积、温度数值，再研究它们之间的关系，一定更直观、更可靠。进而引入到本节课的学习目标，形成定量研究思路，制定探究方案：要用“控制变量法”研究气体压强、温度、体积之间的关系。

设计目的：通过2个实验探究活动，改进教学手段，创设有利于学生实验素养提升的学习情境，引导学生观察现象、相互讨论、得出结论，培养学生质疑精神和创新意识，激发学生探索新事物的欲望，有效提升学生的实验探究素养。

2 气体等温变化两种探究实验装置

“DIS实验系统”装置操作简单，能使探究实验做得更迅速，采集数据更准确(见表1)。为保证课堂实验探究的顺利进行及教学目标的实现，首选“DIS实验系统”实验装置。

表1 探究实验装置的比较

3 数据采集

在朗威Lab Studio操作系窗口，依次找到“设置”→“实验设置”→“当前组”→“添加栏”，根据窗口提示的相关内容，依次添加：体积、体积倒数、压强。

运用控制变量法探究气体等温变化的实验。实验过程中，改变气体体积时，要避免用手直接接触注射器，防止人体通过热传递，影响研究的气体温度(见图3)；手推动注射器活塞，出现对气体做功，气体内能会改变，要考虑充足时间，使内部气体与外界发生热交换。三人协作，能迅速、准确采集数据。一人推注射器，负责改变气体体积；一人负责读体积数值；一人负责点击鼠标，进行数据采集(见表2)。

图3 改变气体体积操作

表2 气体体积和压强的实验数据

采集数据是学生必须掌握的一项重要的实验技能，是学生今后从事科学实践的一项基本功；通过数据采集过程，培养学生对实验数据实事求是的精神和严谨科学态度。

4 数据处理流程与分析

物理是以实验为基础的学科。物理教学离不开实验探究，学生能从实验数据得出物理规律才是实验探究的核心。实验数据是探究者对某一物理现象进行分析判断的依据，教师要引导学生采用传统和现代信息技术等方段，对实验数据进行处理，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。

4.1 列表法处理数据

把采集到的压强数值和对应的体积输入Excel表格中，再添加体积的倒数、压强×体积、平均值、相对误差、绝对误差。利用Excel软件中相应的函数，软件自动进行相关数据运算，得出结果(见表3)。

表3 列表法处理实验数据

若用人工处理计算数据，需要预留较长时间给学生，且演算过程相当繁锁，效率又低。采用Excel办公软件来处理数据，只需输入相关函数，就能直接得到某些具体的对应值。

教师要培养学生观察数据，强化对数据的敏感性及分析处理能力，分析表3，教师引导学生发现规律：①一定质量的气体，温度保持不变，体积越小，压强越大；②“压强×体积”数值不相同，但变化不大，用多次测量求出的平均值是4 145.94；③根据“相对误差”的数据进行判断，在误差允许范围内，“压强×体积”数值不变；④得出结论：一定质量的气体，温度保持不变，气体的压强与体积成反比。

4.2 图像法处理数据

物理图像简明、清晰,能直观表示变量间变化过程和变化趋势，是一种特殊且形象的语言和工具。图像可避免复杂的运算过程，运用数和形的巧妙结合，能恰当地表达物理过程和物理规律。物理图像是处理物理问题的重要方法，是培养学生探究素养的重要手段。

4.2.1 人工绘图作图像

选用合适坐标轴比例，用表2中的P和V数据，在坐标纸上描点，画出P-V图像。为使图线能真实地反映P-V测量值之间的关系，应根据图线的大致形状合理选取测量点。因测量存在误差,要仔细分析后决定取舍，所作的线并不一定要通过所有的点，要求数据点均匀地分布在所作线的两旁。教师引导学生运用图像特征来表达物理规律的能力，分析画出的P-V图像是曲线，可能是双曲线、抛物线、圆弧一部分等(见图4)。

P-V图像 P-1/V图像图4 人工绘图：气体压强与体积、体积倒数的关系

人工绘图作图像，能培养学生的读数、记录、处理、分析等实验技能，还能培养学生细致、耐心、求实的实验素养。通过图像处理实验数据过程，提升学生的实验探究素养。但人工绘图占用大量时间，受课堂教学时间的限制，在教学过程中，教师常选择性的开展。

4.2.2 利用Excel软件的绘图功能画图像

图5 用Excel软件的绘图：气体压强与体积、体积倒数的关系

掌握Excel软件计算和绘图等功能，把画图机械性的工作让计算机完成，学生只需输入实验数据，就能体验软件处理数据带来的便捷，有效提升学生现代信息素养。因学生不需要耗时的画图像，能专注数据和图像分析，能激发学生实验探究的欲望。

4.2.3 利用Lab Studio软件处理数据

图6 用Lab Studio操作系统绘图：气体压强与体积、体积倒数的关系

利用Lab Studio软件，设置相关测量物理量，实时实验数据采集，数据以表格形式及时显示，软件实时进行数据处理，结果以图像形式显示。探究者不要读数据、记数据，不要人工绘图，只需点击鼠标，操作简单，短时间内就完成实验，可以精中集力进行实验探究，有效提高实验效率，学生能体会到信息技术的魅力，能体验科学探究的乐趣，享受成功喜悦。

5 结束语

物理学是培养学生思维能力的一门科学。作为教师，在组织实验教学以及课外活动中,要让学生体验科学探索的艰辛，让学生感知探索的过程，让学生掌握正确的思维方式和科学方法，让学生体会科学探究的实质，学生的物理核心素养在不知不觉中得到提升，使学生成为全面发展的人才。