“学习即研究”观点下的物理实验课堂实践

摘 要：以“气体等温变化”为例，围绕“体验与感知”“设计与实践”“反思与发展”三个环节展示了“学习即研究”观点下物理实验课堂的教学思路。以“设计与实践”为核心，学生自主设计、自由讨论，完成了ＤＩＳ实验和自创的Ｕ形管水柱实验，利用Ｕ形管水柱实验实现了仅用１ ｍ长管子和水测量大气压的创新。整个过程，教师利用开放引导性的问题驱动学生创造性思维的培养，真正实现了从“知识本位”过渡到“素养本位”。

关键词：学习即研究；等温变化；物理实验课堂

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）12-0052-4

１ “学习即研究”观点下的物理实验教学

科研之路总是曲折、艰辛的，要经历“提出问题—设计实验—自制仪器—采集数据—反思分析”等多个阶段才仅能初步得到实验结论。反观我们的学生，便缺乏了这样亲历实验的过程，而更多是由教师直接告知要研究的问题，直接介绍要采用的方法，甚至直接演示要做的实验。这严重剥夺了学生提出自我主张、亲历实验过程的权利和机会，导致了学生的被动学习、浅层理解，导致他们缺乏探究意识。据此，施瓦布提出了“科学即探究，科学不只是学习知识，还要学习科学研究的过程和方法”［１］。刘霁华老师提出了“学习即研究”的观点，他指出“学习的本质是研究，学习者就是研究者，学习过程就是研究过程”［２］。这对于我们的物理实验教学有很大的启发。

真实的学习可以认为是“浓缩式”的研究过程［３］。物理实验课堂应以学生的主体实践为主线，学生将亲历“体验与感知”“设计与实践”“反思与发展”三个环节，具体流程如图１所示。“体验与感知”强调真情境、真体会，可以采用生活实例，也可以采用特殊装置达到设疑激趣的效果。而“设计与实践”则为核心，按照逻辑顺序，先定性分析，再定量探究。在此环节中，教师应充分给予学生发挥的空间，教师仅仅作为材料的提供者和问题的驱动者，如何使用该材料来达到探究目的，以及如何测量待测量都应交由学生自由讨论来得出。教师要转变教学观念，从“知识本位”转化为“素养本位”，尽量达到抛出一个具有开放性、引导性、发展性的问题，便能激起学生思维上产生一连串“水花”的教学效果，切忌一手包办、过度掌控。在这样自由的环境中，学生才能做到自由讨论、自主设计，甚至自创实验。也许这个过程会有曲折，但也会有观点的碰撞和思维的创造。最后的“反思与发展”则是一种升华，可以包含对实验本身的误差分析、方法改进，也可以包含知识迁移、拓展应用等。总之，这种具有浓烈研究氛围的“发现生成式”学习才能将浅层知识重构成深度知识。

２ “学习即研究”观点下“气体等温变化”教学案例

２．１ 体验与感知——魔术激趣

教师先展示“浮沉子”装置：一个装了水的矿泉水瓶，瓶中还有一个倒置的开口敞开向下的棕色小瓶子，小瓶中只装了一部分水。然后，邀请指定的学生上台配合魔术表演。学生双手握住大瓶，教师不与瓶子有任何接触。随着教师的口令“小瓶小瓶听我指令，向下，再向上”，学生便配合“悄悄地”捏紧和松开大瓶，从而实现小瓶的沉浮，引得下面学生一片惊呼。

教师趁机鼓励学生猜想原因，有人认为有磁力作用，有人认为小瓶上拴了透明的线……接着，教师请刚才上台配合的学生揭秘，并展示捏紧大瓶前后的模型图，如图2所示。请学生观察、对比捏紧瓶子前后气体状态参量的变化情况。最终经过讨论，得出探究的问题是“当温度一定的情况下，一定质量气体的体积与压强之间的关系”。

图2 浮沉子模型图

２．２ 设计与实践

２．２．１ 定性探究——针筒海绵实验

教师仅仅提供器材，一个密封的针筒，内部有一块压变海绵，并且不告诉学生接下来如何操作，而是提问学生“可以如何利用材料来探究p与Ｖ的定性关系”。然后，学生开始自由讨M5PeBY1ypncQjoIpXBjwioUbl3v6Yyxeow4jQJZzXBU=论，最终由学生回答出推动活塞改变气体体积，通过观察海绵的形变来判断气体压强的变化，并进行实际操作（图3），得到p与Ｖ之间呈现负相关的定性结论。

图3 针筒海绵实验示意图

２．２．２ 定量探究

（１）实验猜想

基于刚才的定性分析，教师顺势提问“你觉得p与Ｖ之间可能存在哪种定量关系”，学生猜测可能反比、平方反比、立方反比……经过讨论，决定先从最简单的成反比关系开始猜想，如若不成立，再换成其他猜想。

（２）实验设计

教师仅仅抛出问题“你认为可以如何测量p与Ｖ”“如何控制实验条件”，并鼓励学生自由讨论，然后请不同小组进行汇报和补充。最终，经过不同小组的讨论后，得到测量p的方法有压强传感器、液柱压强……；测量Ｖ的方法有量筒、针筒、排水法、圆柱底面积乘高……；控制实验条件：用密封实现“一定质量”，在室温下操作实现“温度一定”。这里需要注意的是，教师应及时板书学生的想法，并鼓励学生大胆补充，注重思维生成。

根据上述的讨论，可以实现的装置有很多，由于时间的限制，本节课只选用了两种方案，分别是ＤＩＳ实验和自创的Ｕ形管水柱实验。

①方案一：ＤＩＳ实验

由于教材上有此方案，如图4所示，故教师可注重于学生如何处理数据。经过讨论，得到两种处理方法：一种是判断p、Ｖ的乘积是否是定值；另一种是作p－１/Ｖ图或Ｖ－１/p图，采用化曲为直的方式判断图像是否是过原点的直线，最终选择作p－１/Ｖ图来检验。

图4 ＤＩＳ实验装置图

②方案二：Ｕ形管水柱实验（自创）

由于上述有学生提及了用液柱压强去测量压强，故教师展示Ｕ形管水柱装置：Ｕ形管一端用黑色塞子密封，另一端开口，开口处可注水，研究对象为密封端的气体；每根Ｕ形管后均固定有刻度尺，刻度尺的零刻度线与管子的上边沿齐平，如图5所示。请注意，教师仅仅是在上述讨论之下呈现了这样的装置，至于如何操作，完全交由学生来设计。教师提问“如何利用该装置测量密封气体的p与Ｖ”“如何处理数据探究两者是否成反比”，学生自由讨论，然后由不同小组进行汇报。经过讨论，学生一致认为，密封气体压强p=p０+ρgΔh（p０为大气压，Δｈ为两侧液面的高度差），体积V=L1S（L1为气柱长度）。但对于数据处理方法有三种观点：第一种认为类似刚才的ＤＩＳ实验，可以测量p与Ｖ数值后，作p－１/Ｖ图观察是否是过原点的直线；第二种认为判断p、Ｖ的乘积是否是定值；第三种指出第二种观点中不用把p与Ｖ的准确值计算出来，太麻烦了，只需要关注每次加水后的变量Ｌ１和Δｈ即可。于是，教师立马捕捉这个灵感，鼓励学生推导，如若p与Ｖ成反比，Ｌ１和Δｈ满足怎样的关系。片刻之后，学生推导出，若（p０+ρgΔh）L1S=C（Ｃ为常数），则Δh=-，也就是两液面高度差Δｈ与气柱长度的倒数１/Ｌ１成一次函数关系。所以，我们只需要检验每次加水后，Δｈ－１/Ｌ１图是否是一次函数图像，就可以反证p与Ｖ成反比的假设是否成立。紧接着，教师顺势提问“该如何测量出Ｌ１和Δｈ”，学生回答：直接读密封侧液面的刻度得到L1，再读出开口侧液面的刻度Ｌ２，两者之差就是Δｈ。（说明：本文的Ｕ形管水柱实验与其他Ｕ型管实验不同，均为原创，不同之处在于：第一，本文Ｕ形管固定，通过加水来改变密封气体的Ｖ和p，其他Ｕ形管实验不加水，而是通过上下移动开口端管子来改变密封气体的Ｖ和p；第二，数据处理的方式不同，本文是作Δｈ－１／Ｌ１图，不需要知道大气压、管子横截面等数据，而其他Ｕ形管实验是利用这些已知量求出p与Ｖ的精准值再处理数据，故本文从原理设计上更加简洁、方便）

（ａ）实物图 （ｂ）示意图

图5 Ｕ型管水柱实验装置

（３）实验操作

接下来，两个实验同时进行，并均使用Eｘｃｅｌ表格辅助数据处理和图像生成。方案一ＤＩＳ组推动活塞，在电脑上记录体积和压强，重复８次，作出p－１/Ｖ图。方案二Ｕ形管组加６次水，在电脑上记录每次两侧液面刻度，作出Δｈ－１/Ｌ１图。教师及时用手机拍下每组的图像，方便后续投屏到大屏幕上。

２．３ 反思与发展

２．３．１ ＤＩＳ实验误差分析

教师展示ＤＩＳ组的p－１/Ｖ图，由学生进行汇报。学生发现得到的是一次函数图像，并且用Eｘｃｅｌ表格拟合公式为“p＝１７１０．６（１/Ｖ）＋８．４６６４”，经由学生讨论，发现Ｖ的测量值并不是气体真实的体积，还应该包含传感器连接管部分的体积。故教师现场在Eｘｃｅｌ表里修正体积，已提前测出连接管体积约为１．１ ｍＬ，修正后得到p－１/Ｖ图的拟合公式为“p ＝ １９７４．６（１/Ｖ） ＋ ０．０３９１”，纵截距减小，如图6、图7所示。由此，在误差允许的范围内，可得到p与１/Ｖ成正比，即p与Ｖ成反比。

图6 p-1/V图（体积修正前）

图７ p-1/V图（体积修正后）

２．３．２ Ｕ形管水柱实验分析和拓展

教师投屏几组的Δｈ－１/Ｌ１图，发现均为一次函数图像，其中选取一个组的数据表和两个组的图像展示，如表１、图８、图9所示，由此说明p与Ｖ成反比的假设成立。有学生指出几幅图的截距差不多，教师立马捕捉这个契机，让学生讨论原因。经过讨论，学生发现根据原理公式，纵截距应该是，而这三个量均为常数，所以纵截距几乎一致。随即，教师让学生现场估算大气压，利用图８的参数，ρ取１×１０３ ｋｇ/ｍ３，ｇ取１０ ｍ/ｓ２，得到大气压强约为９６ kPａ。而用传感器当场测出的大气压为９５．３ kPａ，两者非常接近，由此说明利用Ｕ形管不仅探究了p与Ｖ的关系，还顺便测量出了大气压。并且教师进一步深化，指出历史上的托里拆利实验测大气压用的是水银，很危险，而如果用水则需要１０多米长的管子，我们今天仅仅用１米长的管子和水就轻松测量出了大气压。

表１ Ｕ型管水柱实验数据

图8 Δh-1/L1图1

图9 Δh-1/L1图2

２．３．３ 揭秘浮沉子

在课堂的最后，教师鼓励学生自由讨论开头的魔术，揭秘为何捏紧和松开瓶子就能实现小瓶的沉浮。激烈讨论后，由学生上台陈述，主要有两种观点：第一种选取小瓶和小瓶中的气体为研究对象，其受到重力和浮力平衡，当捏紧大瓶时，大瓶水面上方的气体体积减小，压强增大，从而导致小瓶开口处外部压强增大，水流进小瓶，瓶内气体体积被挤压，排开水体积减小，浮力减小，重力不变，故下沉；另一种观点选取小瓶、小瓶中的气体、小瓶中的水这一整体为研究对象，当水流进小瓶时，整体的重力增加，而整体排开水的体积不变，故下沉。两种观点的不同在于研究对象的选取，但都完美地揭秘了浮沉子。

３ 结 语

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，这句话同样也适用于科学探究。孩子天生就充满了对于未知世界的探索欲望，他们的头脑里总是充斥着各种有趣的想法，作为教师的我们，不应该扼住他们的天性，强行灌输式教育，而应该注重探究过程，让他们去经历、去感受、去创造，努力去营造自由的讨论氛围和浓烈的研究氛围。学习即研究，只有这样的课堂才能真正实现学生有意义的学习，有深度的学习，有生成的学习。

参考文献：

［1］韦冬余．论施瓦布科学探究教学的基本内涵［Ｊ］．全球教育展望，２０１５，４４（４）：２８－３５．

［2］刘霁华．指向素养发展的物理课堂转型与重构［Ｊ］．基础教育参考，２０２１（１２）：５０－５４．

［3］刘霁华．从知识积累学习到素养发展学习的转变——“学习即研究”观点的思考与实践［Ｊ］．中小学教材教学， ２０２１（９）：４７－５２．

（栏目编辑 刘 荣）

收稿日期：2024-07-03

基金项目：成都市教育科研规划课题“融合式教学视域下高中生自主学习培养模式研究”（CY2024Y144）。

作者简介：梅怡楠（1999-），女，中学二级教师，主要从事中学物理教学工作。