创设真实物理问题情境促进学生科学思维发展

《义务教育物理课程标准（2022年版）》指出：“物理的学习要注重科学探究，突出问题导向，强调真实问题情境，引导学生不断探索，提高分析问题、解决问题的实践本领和科学思维能力。”[1]也就是说，教师要以真实的问题情境为载体，引导学生感悟物理现象，发现、研究问题，将真实问题转换为物理问题、物理模型，在解决问题的过程中，化抽象为直观，透过现象探究本质，从而分析事物的结构和内在联系，科学推理，严密论证，进而提高科学思维能力。笔者以探究焦耳定律实验为例，基于真实物理情境，让学生开展定性实验和定量实验，进行分析、质疑、建模、探究、推理、论证，层层推进，增强科学思维能力。一、创设真实情境，生成研究问题教师创设问题情境有助于学生提升物理学科核心素养。笔者设置问题情境，从需求出发，将知识情境化、问题化，设计问题串，激发学生认知兴趣和探究欲望，引导学生观察、思考、探索，体验对知识概念进行探究的过程，自然地开展生成式研究。学生在解决问题的过程中探究现象本质，理解物理理论，掌握科学思维方法。焦耳定律是初中物理的重要内容，该定律用于揭示电流产生的热量与哪些因素有关系。基于此，笔者设计了以下探究实验。（一）魔术火纸包裹不同电阻的电热丝后通电观察燃烧情况猜想：魔术火纸是一种燃点较低的纸张，包裹哪根电热丝的魔术火纸会先燃烧？这说明电热丝发热量与什么有关？实验：实验装置由阻值分别为20Ω和10Ω的两根电热丝串联而成，在电热丝上包有魔术火纸。在通电一段时间后，魔术火纸先后燃烧起来。总结：包裹大电阻电热丝的魔术火纸先燃烧，说明电热丝发电量与电阻大小有关。（二）不同电阻的电热丝连接后通电观察温感墨水变色情况猜想：哪块面板上的温感墨水会先变色？电热丝的发热量除受电阻影响外，还与什么因素有关？实验：实验装置由阻值为20Ω和10Ω电热丝串联后与阻值为20Ω电热丝并联而成，左边为数码电流表。两块面板同时接通相同电源，一段时间后，温感墨水变色情况如图1所示。总结：电热丝电阻相同的情况下，电流大的面板颜色先发生变化，说明电热丝产生的热量与电流有关。学生在第一个实验的猜想和演示过程中，观察思考电热丝温度升高快慢与电阻大小有关。在第一个实验的基础上，学生进行猜想——温度升高快慢除与电阻大小有关外还与电流大小有关。随后，开展第二个实验。学生参与这两个实验活动，形成初步概念认知：通电导体产生的热量与电阻和电流大小及通电时间有关。在教学过程中，笔者让学生大胆猜想，并结合观察与实验数据进行验证。两个实验的现象是受不同因素影响的，学生需要在改变影响因素的真实情境下逐步深入研究。笔者以问题驱动教学，让学生用科学的方法审视现实问题、思考问题，通过类比联想，自然习得研究问题的科学方法，养成积极思考的习惯。二、建构物理模型，尝试推理分析模型是对真实世界的一种表征，它可以对物体、事件、系统、过程、物体或事件间的关系等进行表征[2]。建构物理模型是一种有效的研究方法，即在真实问题情境下，将抽象转化为直观，化繁为简，将定性理解物理现象转化为定量分析实验数据。学生对问题进行分析与抽象，最终建构模型，理解情境中蕴含的物理原理、定律，这是有效运用科学思维方法的具体体现。在上述两个探究焦耳定律实验中，学生对照实验装置画出电路图，建立物理模型，并结合观察到的现象进行分析。对于第一个实验，对应的电路图如图2所示，R1为20Ω、R2为10Ω。学生结合实验现象形成认知：相同时间内，电阻大的电热丝产生热量多。对于第二个实验，对应电路图如图3所示，R1和R3均为20Ω、R2为10Ω。学生从R1和R2组成的串联电路进一步验证电流产生的热量与电阻的关系。电阻R1和R3阻值相同，但连接方式为并联，且通过R3的电流大，从变色快慢情况来看电阻R3产生的热量多，由此可知电流大产生的热量多。学生参与这两个实验，分析得出初步结论：通电导体电阻越大，产生热量越多；电流越大，产生热量越多；时间越长，产生热量越多。从真实情境下的实验探究到建构物理模型，是学生尝试针对真实情境下发生的自然现象加以抽象、概括的过程。学生结合已有的科学认识建立起相关物理量之间的关系。学生对电流产生热量、电阻、电流及时间这些物理量进行初步分析，尝试探究这些物理量之间的关系，对焦耳定律有初步认知，能够从定性的角度解释实验现象中蕴含的物理原理。学生经历从实验到建模并用科学语言表征的过程，有利于探究实验现象，形成科学认识。三、深入科学论证，建立正确认知焦耳定律的表达式为Q=I2Rt，描述的是纯电阻电路中电流产生的热量Q与电流I、导体电阻R以及通电时间t之间的关系。笔者设计的演示实验与人教版、苏教版等物理教材上的演示实验相同，实验设计在科学性方面不存在偏差。为了深入探究，笔者在此基础上设计了定量的实验探究方案，让学生运用推理论证、控制变量、转换、分析解释等科学方法，找出物理量之间的关系，建构科学的物理概念，对研究对象进行正确描述、解释研究。学生只有科学论证，不断改进设计，完善物理概念模型，优化实验探究，才能将概念模型内化为物理观念，形成对科学本质的认识，达到科学探究的目的[3]。控制变量法和转换法是物理实验中常用的方法。学生能够深入理解、迁移应用这两种方法是解决问题的基础，是提高科学思维能力的纽带和桥梁。如何探究焦耳定律Q=I2Rt中Q与I、R、t这三个量之间的关系？学生可以采用控制变量的方法来探究产生的热量与三个量之间的关系。探究实验中产生的热量无法直接测量，学生需要等效转换，利用产生的热量使物体温度升高这一特性将其转化为可等效测量的物理量，进而研究导热介质温度变化量ΔT与电流、电阻、时间的关系。基于上述分析，笔者在第二个实验装置的基础上进行改进，装置原理图如图4所示。笔者将相同塑料瓶装入等量的煤油作为被加热物，将可更换的电炉丝作为电阻，利用数字电流表、数字温度计、数码计时器等元器件制作实验装置。实验时，使用最大电流为10A、最高电压为30V的可调电源，实现快速升温（忽略散热对实验的影响）。由Q=cm（T2-T1）=cmΔT可知，相同液体温度变化量与吸收的热量成正比，即Q∝ΔT。因此，研究产生的电热与相关物理量的关系，可转化成研究加热前后热介质温度变化量与电流、电阻、时间的关系。笔者对实验装置进行改进后，用控制变量的方法来更换电阻、调节输入电流大小及加热时间，实现了从定性演示向全面定量探究的转变[4]。（一）当电阻和电流一定时，探究温度变化与加热时间的关系笔者带领学生将电阻为40Ω的电热丝连接到电路中，调节电源使通电电流为1A，每隔20s记录一次温度数值（见表1），利用Excel软件作出在20s、40s、60s、80s、100s、120s时T-t关系图（如图5）。观察图像可知：当电流和电阻一定时，在实验误差允许的范围内，温度随时间增加而增加，温度变化量与时间成正比关系。（二）当电流和时间一定时，探究温度变化与电热丝电阻的关系当通电电流为1A，加热时间为50s时，分别接入20Ω、40Ω、60Ω、80Ω的电热丝，测得实验数据（见表2），利用Excel软件生成图像（如图6）。观察图像可知：当电流和通电时间一定时，在实验误差允许的范围内，温度变化与电阻成正比。（三）当电阻和时间一定时，探究温度变化与电流的关系当电热丝电阻为40Ω，时间为50s时，学生分析了实验数据（见表3），利用Excel软件作出图像（如图7）。接下来，探究温度变化与电流的关系。从图像可以看出温度变化随着电流增大而增大。从图像来看不是正比例关系，这些点的连线不过原点，因此温度变化与电流不是正比关系。当电流由0.4A到0.8A时，电流变为原来的2倍，对应的温度变化由0.4℃变为1.6℃，是原来的4倍，这说明温度变化和电流可能有什么关系呢？结合数学中的函数y=kx2，学生猜想它们可能是平方关系，于是对数据进行处理（见表4），并作出图像（如图8）。观察图像可知：当电阻和通电时间一定时，在实验误差允许的范围内，温度变化与电流平方成正比。学生参与上述三个实验探究活动，得出结论：温度变化正比于加热时间，温度变化