创造性优化教材提高探究物理规律的有效性——对比同一教学内容不同教学设计方案有感，本文主要内容关键词为：教学内容论文,创造性论文,设计方案论文,有效性论文,规律论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
新课程改革为每个教师提供了足够的空间，使教师成为教材的生产者和主人。杜威认为：“所谓教材，就是在一个有目的的情境的发展过程中所观察的、回忆的、阅读的和谈论的种种事实，以及所提出的种种观念。”就是说，除了教科书，还包括学校课程中的各种资源。因此，如何优化教材成为每个教师每一节课甚至是整个职业生涯的重要课题。理由一：世界上没有一份教材是绝对普适的，而是要根据不同学校、不同层次学生的学习需要进行适当地调整；理由二：每个学科领域的科学都是在不断发展进步的，具体到物理学科，我们主张“从生活走进物理，从物理走向社会”的课程理念，因此优化教材要从日新月异的生活出发，走向硕果累累的科技社会。
因此，我针对“气体的压强与体积的关系”这一节课，对比三位老师的不同设计来谈谈老师们是如何创造性优化教材来探究玻意耳定律的。三位老师分别是：松江二中的张老师、卢湾高级中学的沈老师和笔者。
一、巧设实验情景，有效激发学生认知好奇心，层层引导学生发现问题
物理学是以实验为基础的。因为物理学中许多概念太抽象，学生很难理解，而实验能使物理情景和过程直观形象地展示出来，所以实验在物理学中的地位是毋庸置疑的。因此，实验情景的创设是优化物理教材的重要部分。实验情景能够激发学生的认知好奇心，认知好奇心是一种追求外界信息、指向学习活动本身的内在驱动力。同时在实验情景创设过程中还能给学生设疑，激发认知冲突，能顺利地将学生及时地引入到问题之中。就如何引入被封闭气体压强与体积的关系，三位老师结合自己学校的情况和学生的层次巧妙地创设了实验情景。
(1)笔者从实验室选取了一个有塞子的哈勃瓶，开口端套封一个气球，请班内肺活量很大的同学来吹气球，看能否吹得很大。结果腮帮子鼓起来了，但是气球很难吹大。我鼓励学生思考有没有方法能把气球吹大，学生认为把塞子拔掉即可。试验成功。
我启发学生思考：原因是在于气球、哈勃瓶还是塞子。
生：塞子。
继续引导：塞子的作用是什么？
生：瓶内气体与大气隔绝。
引导学生分析瓶内被封闭气体的压强与体积的关系：气体所占体积变小，越来越难吹，表明气体压强增大。
提醒学生：在吹气球过程中，瓶内气体的温度变化吗？
生：来不及变化。
(2)张老师借助了教科书上的演示实验装置，在上端有活塞的厚玻璃筒底部放置一小块硝化棉。但是他对操作过程进行了调整：准备了两个实验装置，请一个学生来进行实验。左边先用手快速向下压活塞，右边缓慢向下压活塞，让其他学生对比观察到的现象。
张老师引导学生观察到左右两边装置中气体体积都减小。分析得出快速下压硝化棉燃烧，表明气体温度升高；缓慢下压硝化棉没有变化，表明气体温度基本不变。让进行实验的学生说一下感觉，“疼，越向下压力越大”，表明气体压强增大。思考两种情况下气体压强、体积、温度之间有什么关系。
张老师提示学生：通常采用控制变量法才能进行定量研究。
(3)沈老师将一个注射器用橡皮泥封住顶端，内有一定量的气体，缓慢推动活塞，让学生直接观察哪个状态参量发生变化。
生：体积在变小。
沈老师继续推动，橡皮泥被压飞了出去。启发学生思考：橡皮泥为什么会飞出去。
生：因为注射器内的气体压强增大。
引导学生分析哪一个状态量在这一过程中几乎是不变的。
生：温度。
因为压强的变化是通过分析得出的，没有亲身感受。沈老师要求每位同学拿1支注射器，左手食指抵住左端，右手推或拉活塞，两手体验一下压强的变化。
第一位老师整合实验室资源，选用哈勃瓶进行演示实验，学生对哈勃瓶充满好奇心。学生的反应表明，他们期待下一步哈勃瓶会变出什么魔术来，很容易就进入了老师创设的情景和问题中。
第二位老师在教科书演示实验的基础上运用对比的方法让学生观察和分析两者之间的异同来加深学生的理解，同时说明了研究对象、满足的条件和实验目的。
第三位老师将演示实验与体验相结合，非常清晰地分析了气体的压强与体积的定性关系，还让学生通过亲身体验来感受物理知识的妙处，给学生留下了深刻印象。
二、运用数字化信息技术进行自主实验
通过数据处理或误差分析探究实验蕴含的物理规律，有效地转变学生的学习方式。
上海市中学物理课程标准要求将物理课程与信息技术进行有机整合，这也是知识转型时代对物理教材进行优化的一个必然。因为运用信息技术优化教材能够带来质性变化的结果，具有更明显的优越性，比如，动态形象——能够使一些抽象、难点内容活化，使学生容易理解，节约了教学时间；时空开放——教材的许多局限性都可以得到克服，可以把最新发生的事件、形成的教育资源随时引进教学。数字化信息系统实验的运用代替了传统工具的测量计算。它在课堂教学中的最大优势在于把实验的时间大大缩短，数据的处理简便直观。这些都使得原来在课堂中无法完成的实验有时间完成，原来无法处理的实验数据简便地处理。它使得学生能把更多的时间放在实验设计、结果猜想和验证上，从而真正按照二期课改教学理念，将教学目标推向过程方法、情感态度和价值观层次，使得学生自主学习、主动学习，从而改变学生的学习方式。下面的实验探究就是运用数字化信息技术优化教材的范例。
(1)笔者选择的是TI图形计算器实验系统，包括压强传感器、CBL2数据采集器和TI图形计算器（图1）。学生们分成16个小组，其中一组同学，在讲台前面的投影仪前展示实验的过程。TI图形计算器对采集到的数据进行图像拟合。其中横坐标表示体积，纵坐标表示压强。紧接着我引导学生判断是否能得到压强与体积的定量关系，如果不能，我们可以根据此图像进行合理猜想。启发学生，如何来验证你的猜想是正确的，以及有几种方法。启发学生数学中什么样的表达式表示反比关系，引导学生回顾物理中有没有遇到过类似情况，可以进行知识迁移。
图1
学生提到方法一：比较压强与体积的乘积是否相等；方法二：与牛顿第二定律相似，将横坐标改为1/V，化曲为直，观察是否是过原点的一条直线。一半实验小组运用方法一来验证：TI图形计算器可将数组
相乘，发现得到的数组
在9.2～9.5范围内［图2（见下页）(a)］，说明pV基本等于一个常量；另一半运用方法二来验证：将表示体积的数组
转换为它的倒数数组［图2(b)］，将数组和
分别作为横纵坐标，拟合得到的图像基本是过原点的一条直线。
关于这部分内容，我的教学设计不包括误差分析，而是放在下一课时详细讨论。所以，我的重点在于将我校TI班级的TI技术与物理学科相整合，充分展示学生所长，充分发挥TI技术处理数据的优势，培养学生分析问题的思想方法。更重要的是在课堂上几分钟的时间就得到了经过验证的实验结论，这在过去传统实验是无法想象的。整个过程以科学探究的基本步骤为主线，逐步引导学生完成整个实验探究过程，提高学生的基本科学素养，使他们不仅掌握物理知识，还具有科学精神和探究能力。
图2
(2)张老师和沈老师采用教科书上的DIS来进行实验探究，与TI技术进行实验过程相似。如果进入此实验，你就会发现数据采集、PV乘积、拟合P-V图和转化
图在同一个界面，所以完成实验比TI实验更迅速。两位老师还在教科书的基础上，增加了误差分析内容。老师引导学生分析所得到的图是不是严格过原点的一条直线，学生普遍发现有一个正的截距。老师鼓励学生实事求是不放过任何细节，提醒这不是一个简单的实验误差问题，有可能我们都忽略了一个实验因素。压强是传感器读取，非人为读取，其正确性也较高。分析在读取体积时是否有问题。画一个实验中体积与压强倒数的图线，发现实际测量的体积都偏小，图从略。
图3
如图3所示，在注射器与压强传感器连接处的塑料管中也有气体，但前面我们在计算时没有算上这部分气体，才出现了刚才的误差。老师着重培养学生实验中的全面性和误差分析的一般方法。如果我们把管中1ml气体的体积加上去，我们再来看一下实验结果，基本是过原点的一条直线。在验证猜想时发现实际的测量值与猜想之间有一定的误差，这时并没有回避误差或含糊地带过去，而是正视误差的存在，并引导学生寻找误差的来源，尽量减小误差。整个过程就是要培养学生尊重科学事实的基本素养，为今后走向社会奠定基础。
三、从学生身边出发，成功地运用物理规律，有效地将物理推向社会生活
自然科学领域强调回归学生的生活，培养学生理论知识与社会实践相联系的思想方法。因此，优化教材要求老师要针对学生的生活经验，选取一些学生能了解的社会生活知识充实课堂教学内容，给课堂教学注入一股活水。玻意耳定律在实际生活中应用非常广泛，而且简便易行。
(1)张老师和沈老师都组织了一个“矿泉水瓶中吹气球”的比赛，老师的潜规则是：请男女两位同学比赛吹气球，男同学拿到的瓶子是密封的，女同学拿到的瓶子底部有一个不明显的小孔。结果女同学把气球吹大了，男同学怎么都吹不太大。男生不服气，怀疑老师从中作梗。老师笑着让学生猜一下老师是怎么做的。当谜底揭晓时学生非常有成就感，并且在老师引导下研究瓶内被封闭的气体，应用玻意耳定律成功地解释了吹不太大的原因。
(2)我选择的装置是一个气压热水瓶，同时制作了动画帮助学生观察热水瓶内的水流出来的模拟过程（图4）。提出问题：当瓶塞向下压时为什么热水瓶内的水能够流出来？引导学生分析能否应用玻意耳定律解释及如何应用。
图4
教材是教师与学生之间的媒介，是教学三要素之一，也是“教学三角模型”中的一维。在教学三角模型中，教师对学生产生直接影响，或通过教材对学生施加间接影响。学生在教师的影响下，通过对教材的习得来建构一定的知识，形成一定的能力和技能。教材体现了三者之间的张力关系和互动关系。所以优化教材研究，是教师进行教育和教学研究的永恒主题之一。