創(chuàng)設(shè)真實物理問題情境促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出：“物理的學(xué)習(xí)要注重科學(xué)探究，突出問題導(dǎo)向，強調(diào)真實問題情境，引導(dǎo)學(xué)生不斷探索，提高分析問題、解決問題的實踐本領(lǐng)和科學(xué)思維能力?！盵1]也就是說，教師要以真實的問題情境為載體，引導(dǎo)學(xué)生感悟物理現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)、研究問題，將真實問題轉(zhuǎn)換為物理問題、物理模型，在解決問題的過程中，化抽象為直觀，透過現(xiàn)象探究本質(zhì)，從而分析事物的結(jié)構(gòu)和內(nèi)在聯(lián)系，科學(xué)推理，嚴(yán)密論證，進(jìn)而提高科學(xué)思維能力。筆者以探究焦耳定律實驗為例，基于真實物理情境，讓學(xué)生開展定性實驗和定量實驗，進(jìn)行分析、質(zhì)疑、建模、探究、推理、論證，層層推進(jìn)，增強科學(xué)思維能力。一、創(chuàng)設(shè)真實情境，生成研究問題教師創(chuàng)設(shè)問題情境有助于學(xué)生提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。筆者設(shè)置問題情境，從需求出發(fā)，將知識情境化、問題化，設(shè)計問題串，激發(fā)學(xué)生認(rèn)知興趣和探究欲望，引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考、探索，體驗對知識概念進(jìn)行探究的過程，自然地開展生成式研究。學(xué)生在解決問題的過程中探究現(xiàn)象本質(zhì)，理解物理理論，掌握科學(xué)思維方法。焦耳定律是初中物理的重要內(nèi)容，該定律用于揭示電流產(chǎn)生的熱量與哪些因素有關(guān)系?；诖耍P者設(shè)計了以下探究實驗。（一）魔術(shù)火紙包裹不同電阻的電熱絲后通電觀察燃燒情況猜想：魔術(shù)火紙是一種燃點較低的紙張，包裹哪根電熱絲的魔術(shù)火紙會先燃燒？這說明電熱絲發(fā)熱量與什么有關(guān)？實驗：實驗裝置由阻值分別為20Ω和10Ω的兩根電熱絲串聯(lián)而成，在電熱絲上包有魔術(shù)火紙。在通電一段時間后，魔術(shù)火紙先后燃燒起來。總結(jié)：包裹大電阻電熱絲的魔術(shù)火紙先燃燒，說明電熱絲發(fā)電量與電阻大小有關(guān)。（二）不同電阻的電熱絲連接后通電觀察溫感墨水變色情況猜想：哪塊面板上的溫感墨水會先變色？電熱絲的發(fā)熱量除受電阻影響外，還與什么因素有關(guān)？實驗：實驗裝置由阻值為20Ω和10Ω電熱絲串聯(lián)后與阻值為20Ω電熱絲并聯(lián)而成，左邊為數(shù)碼電流表。兩塊面板同時接通相同電源，一段時間后，溫感墨水變色情況如圖1所示?？偨Y(jié)：電熱絲電阻相同的情況下，電流大的面板顏色先發(fā)生變化，說明電熱絲產(chǎn)生的熱量與電流有關(guān)。學(xué)生在第一個實驗的猜想和演示過程中，觀察思考電熱絲溫度升高快慢與電阻大小有關(guān)。在第一個實驗的基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)行猜想——溫度升高快慢除與電阻大小有關(guān)外還與電流大小有關(guān)。隨后，開展第二個實驗。學(xué)生參與這兩個實驗活動，形成初步概念認(rèn)知：通電導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電阻和電流大小及通電時間有關(guān)。在教學(xué)過程中，筆者讓學(xué)生大膽猜想，并結(jié)合觀察與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。兩個實驗的現(xiàn)象是受不同因素影響的，學(xué)生需要在改變影響因素的真實情境下逐步深入研究。筆者以問題驅(qū)動教學(xué)，讓學(xué)生用科學(xué)的方法審視現(xiàn)實問題、思考問題，通過類比聯(lián)想，自然習(xí)得研究問題的科學(xué)方法，養(yǎng)成積極思考的習(xí)慣。二、建構(gòu)物理模型，嘗試推理分析模型是對真實世界的一種表征，它可以對物體、事件、系統(tǒng)、過程、物體或事件間的關(guān)系等進(jìn)行表征[2]。建構(gòu)物理模型是一種有效的研究方法，即在真實問題情境下，將抽象轉(zhuǎn)化為直觀，化繁為簡，將定性理解物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為定量分析實驗數(shù)據(jù)。學(xué)生對問題進(jìn)行分析與抽象，最終建構(gòu)模型，理解情境中蘊含的物理原理、定律，這是有效運用科學(xué)思維方法的具體體現(xiàn)。在上述兩個探究焦耳定律實驗中，學(xué)生對照實驗裝置畫出電路圖，建立物理模型，并結(jié)合觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行分析。對于第一個實驗，對應(yīng)的電路圖如圖2所示，R1為20Ω、R2為10Ω。學(xué)生結(jié)合實驗現(xiàn)象形成認(rèn)知：相同時間內(nèi)，電阻大的電熱絲產(chǎn)生熱量多。對于第二個實驗，對應(yīng)電路圖如圖3所示，R1和R3均為20Ω、R2為10Ω。學(xué)生從R1和R2組成的串聯(lián)電路進(jìn)一步驗證電流產(chǎn)生的熱量與電阻的關(guān)系。電阻R1和R3阻值相同，但連接方式為并聯(lián)，且通過R3的電流大，從變色快慢情況來看電阻R3產(chǎn)生的熱量多，由此可知電流大產(chǎn)生的熱量多。學(xué)生參與這兩個實驗，分析得出初步結(jié)論：通電導(dǎo)體電阻越大，產(chǎn)生熱量越多；電流越大，產(chǎn)生熱量越多；時間越長，產(chǎn)生熱量越多。從真實情境下的實驗探究到建構(gòu)物理模型，是學(xué)生嘗試針對真實情境下發(fā)生的自然現(xiàn)象加以抽象、概括的過程。學(xué)生結(jié)合已有的科學(xué)認(rèn)識建立起相關(guān)物理量之間的關(guān)系。學(xué)生對電流產(chǎn)生熱量、電阻、電流及時間這些物理量進(jìn)行初步分析，嘗試探究這些物理量之間的關(guān)系，對焦耳定律有初步認(rèn)知，能夠從定性的角度解釋實驗現(xiàn)象中蘊含的物理原理。學(xué)生經(jīng)歷從實驗到建模并用科學(xué)語言表征的過程，有利于探究實驗現(xiàn)象，形成科學(xué)認(rèn)識。三、深入科學(xué)論證，建立正確認(rèn)知焦耳定律的表達(dá)式為Q=I2Rt，描述的是純電阻電路中電流產(chǎn)生的熱量Q與電流I、導(dǎo)體電阻R以及通電時間t之間的關(guān)系。筆者設(shè)計的演示實驗與人教版、蘇教版等物理教材上的演示實驗相同，實驗設(shè)計在科學(xué)性方面不存在偏差。為了深入探究，筆者在此基礎(chǔ)上設(shè)計了定量的實驗探究方案，讓學(xué)生運用推理論證、控制變量、轉(zhuǎn)換、分析解釋等科學(xué)方法，找出物理量之間的關(guān)系，建構(gòu)科學(xué)的物理概念，對研究對象進(jìn)行正確描述、解釋研究。學(xué)生只有科學(xué)論證，不斷改進(jìn)設(shè)計，完善物理概念模型，優(yōu)化實驗探究，才能將概念模型內(nèi)化為物理觀念，形成對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識，達(dá)到科學(xué)探究的目的[3]?？刂谱兞糠ê娃D(zhuǎn)換法是物理實驗中常用的方法。學(xué)生能夠深入理解、遷移應(yīng)用這兩種方法是解決問題的基礎(chǔ)，是提高科學(xué)思維能力的紐帶和橋梁。如何探究焦耳定律Q=I2Rt中Q與I、R、t這三個量之間的關(guān)系？學(xué)生可以采用控制變量的方法來探究產(chǎn)生的熱量與三個量之間的關(guān)系。探究實驗中產(chǎn)生的熱量無法直接測量，學(xué)生需要等效轉(zhuǎn)換，利用產(chǎn)生的熱量使物體溫度升高這一特性將其轉(zhuǎn)化為可等效測量的物理量，進(jìn)而研究導(dǎo)熱介質(zhì)溫度變化量ΔT與電流、電阻、時間的關(guān)系?；谏鲜龇治觯P者在第二個實驗裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，裝置原理圖如圖4所示。筆者將相同塑料瓶裝入等量的煤油作為被加熱物，將可更換的電爐絲作為電阻，利用數(shù)字電流表、數(shù)字溫度計、數(shù)碼計時器等元器件制作實驗裝置。實驗時，使用最大電流為10A、最高電壓為30V的可調(diào)電源，實現(xiàn)快速升溫（忽略散熱對實驗的影響）。由Q=cm（T2-T1）=cmΔT可知，相同液體溫度變化量與吸收的熱量成正比，即Q∝ΔT。因此，研究產(chǎn)生的電熱與相關(guān)物理量的關(guān)系，可轉(zhuǎn)化成研究加熱前后熱介質(zhì)溫度變化量與電流、電阻、時間的關(guān)系。筆者對實驗裝置進(jìn)行改進(jìn)后，用控制變量的方法來更換電阻、調(diào)節(jié)輸入電流大小及加熱時間，實現(xiàn)了從定性演示向全面定量探究的轉(zhuǎn)變[4]。（一）當(dāng)電阻和電流一定時，探究溫度變化與加熱時間的關(guān)系筆者帶領(lǐng)學(xué)生將電阻為40Ω的電熱絲連接到電路中，調(diào)節(jié)電源使通電電流為1A，每隔20s記錄一次溫度數(shù)值（見表1），利用Excel軟件作出在20s、40s、60s、80s、100s、120s時T-t關(guān)系圖（如圖5）。觀察圖像可知：當(dāng)電流和電阻一定時，在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，溫度隨時間增加而增加，溫度變化量與時間成正比關(guān)系。（二）當(dāng)電流和時間一定時，探究溫度變化與電熱絲電阻的關(guān)系當(dāng)通電電流為1A，加熱時間為50s時，分別接入20Ω、40Ω、60Ω、80Ω的電熱絲，測得實驗數(shù)據(jù)（見表2），利用Excel軟件生成圖像（如圖6）。觀察圖像可知：當(dāng)電流和通電時間一定時，在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，溫度變化與電阻成正比。（三）當(dāng)電阻和時間一定時，探究溫度變化與電流的關(guān)系當(dāng)電熱絲電阻為40Ω，時間為50s時，學(xué)生分析了實驗數(shù)據(jù)（見表3），利用Excel軟件作出圖像（如圖7）。接下來，探究溫度變化與電流的關(guān)系。從圖像可以看出溫度變化隨著電流增大而增大。從圖像來看不是正比例關(guān)系，這些點的連線不過原點，因此溫度變化與電流不是正比關(guān)系。當(dāng)電流由0.4A到0.8A時，電流變?yōu)樵瓉淼?倍，對應(yīng)的溫度變化由0.4℃變?yōu)?.6℃，是原來的4倍，這說明溫度變化和電流可能有什么關(guān)系呢？結(jié)合數(shù)學(xué)中的函數(shù)y=kx2，學(xué)生猜想它們可能是平方關(guān)系，于是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（見表4），并作出圖像（如圖8）。觀察圖像可知：當(dāng)電阻和通電時間一定時，在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，溫度變化與電流平方成正比。學(xué)生參與上述三個實驗探究活動，得出結(jié)論：溫度變化正比于加熱時間，溫度變化