任务驱动下的物理小实验的设计与改进——以“机械能与内能的相互转化”为例

方艳霞

江苏省苏州市松陵第一中学，江苏苏州 215200

物理小实验是形成概念、发现规律、建立理论的基础，是学习物理的重要的组成部分，可以激发学生学习的积极性，提高他们的探究能力、思维能力，提升学生操作实验的技能和改进意识。因此，教师在教学中应重视小实验教学，不断地改进物理小实验，增强实验教学的有效性，从而通过小实验来培养学生的学科素养。

1 任务驱动

任务驱动是在课程论、系统论、建构主义理论指导下的一种教学方法，教师将所要传授的知识与技能隐含在一个或几个具体的任务中，引导学生阅读问题的情境、分析问题所涉及的知识体系，明确解决问题需要的知识基础，并在教师的支持、指导下解决问题[1]。

任务驱动下的物理小实验改进是运用任务驱动教学法的基本理论来指导实验改进。教师在设计实验时，注重实验过程中任务的设计，在师生操作实验时，注重以任务来驱动实验的进程，在评估实验效果时，重视评价任务的完成效果。

2 物理小实验的改进路径

2.1 改进的起点：以任务驱动问题解决

初中物理教材中有许多实验，教师通过实验教学，可以改变目前的单一理论教学现状，使知识由抽象的、不易理解的变为具体的、通俗易懂的，帮助学生去理解物理知识，提高学生学习物理的兴趣，培养学生严谨、科学的学习态度，提高物理课堂教学效率,以实现物理实验教学学科核心素养的培养目标。

但是，在日常实验教学中，也存在一些亟待解决的问题。例如，实验成功的概率较低、实验效果不明显、学生难以通过实验过程总结出实验结果、实验过程程序化等问题。因此，教师在设计物理实验时，要根据学生的已有经验、学校的实验条件、实验现象的特点等方面去改进实验设计，以新的实验出破解平常实验教学中出现的问题，并且注重引导学生通过设计实验去解决学习和生活中的疑难问题，把物理实验作为破解问题的重要手段。

在探究机械能转化为内能时，笔者依据教材内容，设计实验1，引导学生通过该实验达成学习目标。

实验1：操作空气压缩引火仪，完成任务，解决问题。

任务一：按操作要领完成实验：取绿豆大小棉花，放置在活塞端部，盖好筒盖，用手心按住手柄，用力将活塞快速向下压，使气缸内的空气骤然压缩。

任务二：描述观察到的现象，阐述该现象发生的物理原理。实践与反思：笔者尝试引导学生通过该实验来解决抽象问题，以该实验激发学生兴趣，提高学生的实践操作能力，培养学生勇于改进的科学探究精神。

学生在操作该实验时，暴露出以下问题：实验现象不明显、发生时间太短、向下压活塞的力气需要很大、实验成功率很低、不是每个学生都能看到等。

由于部分小组没有观察到气缸内棉絮被点燃，导致学生不能解释活塞的机械能转化为了棉絮的内能，内能增加，温度升高，棉絮被点燃。

2.2 改进的目的：以任务驱动提质增效

在物理实验课堂教学中，教师应注重演示实验的规范性和生动性，联系生活实际，创设合适的物理情境，以此来吸引学生的注意力，引导学生积极思考问题，激发学生学习物理好奇心，提高学习物理的兴趣。教师可用演示实验展示物理现象和过程，使学生获得丰富的感性知识，形成鲜明的物理表象，有效激发认知冲突，为学生建立正确的概念、认识规律奠定基础[2]。

初中物理教材提供了许多演示实验，教师可以根据教学需要和教学条件选择其中一些实验进行演示。但是，有一些演示实验由于缺少实验器材难以进行，有些演示实验由于现象不够明显导致学习效果不佳，甚至有极个别的演示实验设计的科学性不够严谨。

因此，教师在物理课堂教学中，应注重培养学生的全面发展实践能力和改进能力，尤其在设计学生演示实验时，适当引导学生对实验的内容和方法不断地进行改进，通过师生之间不断地思考、讨论、研究实验、优化实验器材，对实验进行改进，从而丰富课堂实验，在课堂上达到较好的实验效果，能提高学生学习物理的兴趣，培养学生的实验探究能力、改进能力。

在“机械能与内能的相互转化”教学中，笔者针对教材提供的实验的局限性，重新设计两个小实验，以任务驱动实验操作和思考，以期提高实验教学效果，培养学生科学探究能力。

实验2：用一张A4 纸将一瓶易拉罐可乐打开

任务一：讨论可以采取什么方法？怎么操作效果更好？

任务二：易拉罐被纸打开的瞬间，有什么现象？

任务三：该现象产生的原因是什么？

任务四：此实验涉及到哪些能量之间转换？

实践与反思：由于利用空气压缩引火仪来操作实验存在许多局限，笔者在实验2 中选取更加容易获得的实验器材，设计具有悬念的问题型任务，步步为营引导学生操作实验、观察现象、思考实验现象背后的物理原理。

学生通过亲身体验，明白了只要将纸折叠几次，并持续摩擦易拉罐开口较薄处，即使是一张薄薄的A4 纸也能打开看似坚固的易拉罐。由于A4 纸不断摩擦，使得易拉罐的内能增加，在易拉罐打开瞬间，可乐中二氧化碳气体压强增大，导致可乐喷出罐体，发出响声，整个实验体现了机械能可以转化为内能，做功使得物体内能增加。

实验2 表明机械能可以转化为内能，那么内能可不可以转化为机械能呢？为了解决该问题，笔者设计了实验3，引导学生进一步探究。

实验3：在空的矿泉水瓶中滴5ml 酒精，拧紧瓶盖。

任务一：用力拧瓶子，快速松手，观察有什么现象？

任务二：该现象产生的原因是什么？

任务三：再拧紧瓶子，发现“白雾”消失，原因是什么？

任务四：拧紧瓶子，松开瓶盖，瓶盖被蹦出，并且有“白雾”出现，说明什么？

实践与反思：学生在用力拧动矿泉水瓶再迅速松手后，发现瓶子里充满“白雾”，而且瓶子发热，这是因为拧瓶子，瓶子里面酒精的内能增加，温度升高（故瓶子发热）发生汽化，松手后瓶内气体又发生液化出现“白雾”，而当再次拧紧矿泉水瓶，发现“白雾”消失了，这是因为此时瓶内气体内能又增加，温度升高，所以气体汽化消失。

当拧紧瓶子，松开瓶盖，瓶盖被蹦出，并且出现“白雾”，说明内能可以转化为机械能，气体膨胀对外做功，内能减少温度降低，水蒸气遇冷液化成小水珠。

该实验效果非常明显，学生参与热情高涨，由浅入深设计的探究任务，使学生在整个实验过程中没有偏离方向，完成实验效率较高，实验结论的得出水到渠成。

2.3 改进的思路：以生活素材设计任务

实验改进听起来高大上，让人感觉无从下手，其实，只要带着一颗好奇心打量我们的生活方方面面，就会发现生活中的许多现象和物体，对物理实验改进很有启示，教师的改进灵感往往就来源于日常生活之中。

教师把中学物理实验中许多有趣的现象，联系生活实际，自主设计趣味小实验，能激发学生学习物理的兴趣，培养学生分析综合思维，提高学生的物理实验探究能力[3]。

在“机械能与内能的相互转化”教学中，笔者选取生活中常见的易拉罐和实验室常用的铁架台、酒精灯等素材，设计探究性较强的能量转化实验4，以期培养学生综合分析问题能力。

实验4：运用铁架台、钓鱼线、酒精灯、水、易拉罐等素材，设计实验验证内能转化为机械能（图2）。

任务一：观看教师演示实验视频，观察实验现象，找出实验中涉及到的能量转化原理。

任务二：以小组为单位，根据提供的实验器材，设计实验，重点思考易拉罐需要怎样操作才能达到视频中的实验效果。

任务三：操作实验，并从能量转化角度解释实验现象，说明实验过程中遇到的问题和解决方法。

实践与反思：教师的演示实验视频清晰地展示易拉罐旋转起来了，并且随着加热时间越长，旋转的速度越来越快，易拉罐两侧还不断有“白汽”喷出。

为了达到演示实验地效果，各组做了很多尝试，在经历多次失败后，终于弄清楚实验地关键是把易拉罐口密封，并在易拉罐地两侧分别扎一个孔，孔径大小影响实验现象。

实验中，当酒精灯加热易拉罐时，易拉罐中水的内能增加，当汽化后，气体从侧面小孔喷出，利用反作用力推动易拉罐旋转。此过程，说明内能转化为机械能，气体对外做功内能减少。

通过该案例，不难发现，实验器材取自于生活，实验验证直指生活中的问题，实验结论解释生活现象。这样的实验改进成本低、接地气，易于被师生接受，易于借鉴推广。学生在经历过失败，通过小组讨论、合作探究，重新拿出新方案，激发了学生的好奇心和求知欲，加深学生对物理原理的理解，体验实验探究的乐趣。

3 结语

物理实验改进是激发学生学习兴趣的催化剂，是提高教学效果的重要手段，实验是培养学生改进能力的重要途径，更是落实学生核心素养的重要抓手。教师要敢于改进、学会改进、借助改进实验，在实验探究中全面提升学生的物理学科核心素养。