基于学科核心素养的U型教学模式*——以“气体的等温变化”为例

李思敏 朱巧萍

(宁夏大学物理与电子电气工程学院 宁夏 银川 750000)

杜威经验论改造所衍生的教育特性表明，经验教育具有连续性、情境性、整体性、交互性和偶然性[1].根据经验教育的特性，郭元祥教授概括出了一种新的经验教学模式——U型模式[2].该模式包括“下沉”“潜行”“上浮”3个主要环节，而这3个环节用图形表示类似于“U”型，所以命名为“U型模式”.其中，“下沉”即还原和下沉，知识具有连续性，学习新知识需要与原有知识建立联系，在已有知识基础上进行扩建补充或改良修正，与原有知识产生认知冲突，达到想要继续探索、求真的效果；“潜行”即经验与探索，利用活动经验，以新的问题为目标，引导探究，进行新知识框架体系的建构，这一过程是学生深入学习的关键，通过不断经历“经验—活动—新经验”的探究过程，扩展认知，达到对知识的了解和认识；“上浮”即反思与上浮，对新知识进行反思与应用，加深理解，能够进行知识提取，达到知识的升华.

《新课程标准》对物理学科核心素养的落实、精选和内容等提出了要求，以实现立德树人的根本任务，发展素质教育的独特育人价值[3].将学科核心素养渗透到U型模式中指导教学实践，在教学环节中潜移默化地培养学生核心素养，实现教育育人的终极目标.本文以2019人教版普通高中物理教科书选择性必修第三册第二章第2节“气体的等温变化”为研究内容，通过在该节教学中运用U型教学模式，如图1所示，充分体现物理学科核心素养的渗透.

图1 “气体的等温变化”U型教学模式图

1 教材分析

“气体的等温变化”是本章的重点内容，研究在等温状态下，一定质量的气体压强p与体积V的关系.重点使学生通过实验理解气体等温变化的规律，得出玻意耳定律，难点在于如何运用玻意耳定律去分析和解决实际问题.高中物理课程标准(2017版)对本章的要求是“通过实验，了解气体实验定律”，其中“探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系”也是新课程标准中所规定的学生必做的实验之一[3].

2 学生分析

选择性必修第三册这本物理教材在实际教学中一般面向高二或高三的学生，学生在之前的学习中有过认识气体状态参量的机会，对压强、体积和温度3个物理概念分别有所掌握，但是对于三者之间存在的关系还没有系统认识，并且学生已经使用过控制变量、图像分析等实验与探究的方法，在教师的引导下可以很容易明确目标，设计实验方案，根据现象和数据总结出规律.

3 教学过程

3.1 下沉——联系生活知识表象

情景活动一：表演控制气球的魔术

图2所示为自制的简易哈勃瓶，在瓶内放入气球，将气球口固定在瓶口，请学生上台演示吹气球.展示利用一个瓶盖就可以控制气球膨胀的神奇之处，设置悬念.

图2 自制“哈勃瓶”

情景活动二：视频展示+演示实验

(1)播放视频：如图3所示，在太阳下暴晒的密封铁桶，当用冷水冲洗降温时会变瘪.

图3 冷水冲洗热铁桶

(2)实验演示：如图4所示，将装过热水后的塑料瓶密封，用冷水冲洗，塑料瓶会变瘪.

图4 冷水冲洗热水瓶

通过视频和演示的实验，学生了解到与气体状态相关的物理量，认识到对于一定质量的气体，其状态与体积、压强和温度有关，进而使其明白气体“状态参量”的概念和内容.

设计意图：一节课的开始，最重要的一点就是集中学生注意力，让学生快速进入到物理课的学习中来，通过学生的亲自动手操作，提高学生参与度，迅速吸引学生.通过展示实验现象与学生原有认知的冲突，激起学生的好奇心和探究心理，进而继续探索新知.将生活中的现象构建成物理模型，密切联系生活，加强与个人的联系性.实验现象将抽象的物理知识表象化，让学生能够明白3个状态参量之间存在一定的联系，为接下来的继续探究作下铺垫.

3.2 潜行——自我加工科学探究

3.2.1 引入新课

利用旧知识(“速度、位移与时间”的关系、“电流、电压与电阻”的关系)归纳出本节探究内容应选用的实验方法——控制变量法，结合气体状态参量内容，引出本节课的主要意图在于探究温度不变时，一定质量气体压强p与体积V之间的关系，即“气体的等温变化”.

设计意图：本节课应用的实验方法是学生之前所学习过的，教师给出一点提示引导，学生就能说出答案，让学生回忆之前知识，目的在于使他们想起该实验方法如何使用，类比推理到本节实验该如何进行，在学习新内容的同时也巩固旧知识.

3.2.2 新课探究

情景活动一：定性探究气体等温变化的规律

教师提供给学生仪器备品，学生分组进行实验活动，小组思考讨论，明确实验目的，利用所给仪器，自主设计安装实验装置(图5)，进行实验操作，观察现象，猜想结论，最后各小组展示成果，说明本组的实验现象和结论，并分析以下几个问题:

图5 定性探究等温变化规律的实验情景

(1)如何确定自己所研究的气体质量是不变的？

(2)在实验过程中是如何控制温度不变的？

(3)压强的变大变小是通过什么判断的？

引导学生得出一定质量的气体，温度不变时，体积越大，压强越小；体积越小，压强越大.

情景活动二：定量探究气体等温变化的规律

利用图6所示的实验仪器，学生分组设计实验，明确实验的注意事项，利用传感器读取数据，绘制表格记录数据，如表1所示，运用图像法分析、处理数据，如图7所示.各组对实验图像进行对比分析，概括总结气体等温变化的规律，并找出造成图像差异的可能性.

图6 定量探究等温变化实验仪器

表1 某组学生实验数据表(T=24.6 ℃)

图7 某组学生数据处理图

情景活动三：DIS实验模拟等温变化规律

图8 DIS实验装置图

图9 DIS实验数据拟合截图

设计意图：学生通过小组交流讨论设计实验，经历猜想假设、收集和处理数据，归纳总结结论和规律等实验探究过程，体验知识的得出，加深对知识理解的同时也提升了动手和动脑能力，是培养科学思维的必备过程；交流实验结果的过程也是学生反思自我的过程，通过理解结果中不可避免的误差也有利于学生实事求是、科学严谨的科学态度的培养；将传感器与计算机等现代信息技术加入到物理课堂的教学中，更是体现了核心素养中科学与技术的融合，形成物理智慧化课堂，提高实验的效率，促进物理教学信息化发展[4].

3.3 上浮——自我建构知识升华

情景活动一：回顾课前吹气球魔术，运用本节知识解释原因

学生将玻意耳定律与“魔术”对比，注意到气体压强和体积的变化，发现不拧上瓶盖时吹气球，瓶内压强与外界大气压相同，压强不发生变化；拧上瓶盖时，吹气球会使瓶内气体体积变小，导致压强变大，所以不容易吹起来.

情景活动二：播放一段人在水底吐泡泡的视频和图片,如图10所示，让学生观察泡泡在水中由下至上的变化情况

图10 水底吐泡视频图

学生观看“水底吐泡”视频，发现泡泡由下至上越来越大，泡泡中气体体积变大，根据玻意耳定律，气泡内气体压强会变小，而实际情况确实是在上升过程中水的压强和气体压强之和在变小，所以符合玻意耳定律.

情景活动三：组织学生回忆玻意耳定律的知识，并让学生思考生活中应用此定律的例子或装置

学生利用生活中的物品举例子：喷洒农药的喷雾器、洗手液或洗发水的瓶子等，教师补充“气压保温瓶”，布置学生课后查阅资料，分析气压保温瓶或洗手液、洗发水瓶子等物品的内部构造和工作原理，然后自制模型，下节课组织活动互相展示，交流成果.

设计意图：通过揭示现象的本质，加强学生知识的建构和理解，培养学生从物理学视角解释现象和实际问题，形成自己的物理观念，理解科学本质；认识到物理学在社会和生活中的应用，打破“唯分数”的思想，看到物理学的真正价值；将知识运用建模，使其得到升华，逐渐形成探索自然的内在动力，并有创造性的应用和发展能力.

4 结束语

物理学科以实验为基础，其知识和规律的获得来源于经验，亲身体验知识的产生过程、归纳总结物理规律是理解物理知识、解决物理学习困难的关键.本文利用U型模式教学，让学生经历从生活现象到定性探究再到定量实验的过渡，整个学习过程由浅入深、由简到繁，“下沉”出生活中的物理问题，“体验”到新知识的获得过程，“上浮”做到物理现象的解释和建模.这种教学模式既贴近学生已有经验，又利于学生理解接纳新的知识，培养学生的物理观念，训练其科学思维，对养成学生的物理兴趣和提高物理教学的有效性具有重要作用.