基于培养高中生物理核心素养的实践研究

    柴邵霞

    

    

    

    摘要：促进学生深度学习，培养高中生物理核心素养。本文采用气压传感器及集成温度气压传感器，利用Arduino单片机控制，制作能定量探究气体等温、等容和等压变化规律的实验装置，并详细介绍了实验装置的制作与应用过程。

    关键词：数字化技术?传感器?气体实验规律?核心素养

    一、研究背景

    2017版《普通高中物理课程标准》提出：“通过多样化的教学方式，利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质，整体认识自然界，形成科学思维习惯，增强科学探究能力。”物理学科核心素养重要的一个方面就是科学探究，科学探究是指提出科学问题，形成猜想和假设，设计实验与制定方案，获取和处理信息，基于证据得出结论并做出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。科学探究不仅是一种科学学习的主要方式，是形成其他物理核心素养的主要途径，而且对学生的提问能力、批判性思维能力、交流和合作能力等综合能力的形成具有重要价值。科学探究主要包括：问题、证据、解释、交流等因素。

    《国家教育事业发展“十三五”规划》提出：“强化学生实践动手能力”“推进优质教育资源共建共享”。《教育部关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》要求：“强化教学的实践育人功能”“整合和利用优质教育教学资源”。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020）》中提出：“着力提高学生的学习能力、实践能力、创新能力，教育学生学会知识技能，学会动手动脑”“开发实践课程和活动课程，增强学生科学实验、生产实习和技能实训的成效”。本文对实验方法和实验设计进行改进创新，以期通过数字技术和物理学科融合，达到培养高中学生物理核心素养的目的。

    二、问题提出

    现行教材中，探究气体的等温变化规律使用如图1所示装置，而对于等容变化和等压变化均未进行实验探究就直接给出实验结论。稍早版本教材中使用如图2所示的实验装置，探究气体的等温、等容和等压变化规律，因需使用水银来封闭气体和测定气体压强，水银有剧毒，在中学实验室已被禁用。以上实验方案均需要手动记录与处理数据。

    我们采用数字化技术，量身定制了能够探究气体等温、等容和等压变化的实验装置，可以利用计算机自动采集与处理数据。

    三、实验制作所需器材与程序准备

    Arduino控制单片机3片、气压传感器1只、集成温度气压传感器2只、30 mL注射器、20 mL注射器、大试管、锥形瓶、漆包线、橡皮塞和胶水等。图3是气压传感器模块，用来测定气体压强;图4是集成的温度气压传感器模块，用来同时测定气体的温度和压强;图5是Arduino控制单片机，用来控制传感器测量物理量并将其转换为相应的数字信号传输给计算机处理。将用Arduino程序编辑软件编写的传感器控制及数据输出程序写入单片机。

    四、 制作与应用

    （一）探究气体等温变化实验

    1.简单制作

    将一定量气体封闭在30 mL注射器中，用橡皮塞将气压传感器与注射孔紧密连接;将传感器连接单片机并接入计算机。如图6所示为该装置结构示意图，如图7所示为该装置实物图。

    2.实验探究过程

    打开计算机中的串口监视器和数据记录表格，按下开关;移动活塞读出注射器内气体体积，测出对应的压强，记入电子表格中;调节注射器活塞，改变气体体积，重复上述步骤，测定多组数据，记入表格，如图8所示;利用Excel作压强P与1/V图像，图像为一条直线，得出实验结论：一定量的气体，温度不变的情况下，压强P与体积V成反比（P∝1V）。

    （二）探究气体等容变化实验

    1.装置制作过程

    用漆包线作为引线，将集成温度气压传感器置入大试管内，用橡皮塞加胶水将一定量气体封闭在试管中，如图9所示为该装置结构示意图，如图10所示为该装置实物图。

    2.实验探究过程

    将试管置于水浴加热装置中，将传感器连接单片机并接入电脑;通过改变水温来调节气体温度;测定气体的温度和对应的压强。待温度和压强稳定后，测出温度T和对应的压强P，记入电子表格。如图11所示，测定多组数据，记入电子表格，利用Excel作压强P与温度T图像，图像为一条直线，得出结论：一定量的气体，体积保持不变的情况下，压强P与温度T成正比（P∝T）。

    （三）探究气体的等压变化实验

    1.实验装置制作过程

    用排水法测定锥形瓶容积V0，为121 mL;在锥形瓶中置入集成温度气压传感器，用漆包线引出;将20 mL注射器活塞调至0刻度，用橡皮塞加胶水将注射器的注射孔与锥形瓶连接，将一定量气体密封在锥形瓶中，将传感器连接单片机并接入计算机。如图12所示为该装置结构示意图。

    改变水温，实时监控气体压强，调节注射器活塞，保持气体压强不变，读出对应的温度T与注射器内气体体积ΔV;气体的总体积V=V0+ΔV。采用锥形瓶容积为121 mL，气体初始体积较大，在温度升高时，气体体积变化量ΔV较大，便于利用注射器测量。如图13所示为该装置实物图。

    2.实验探究过程

    将锥形瓶置于水浴加热装置中，注入温水调节气体温度，待温度稳定后，边观察气压传感器示数，边调节注射器活塞，改变气体体积，使得气压传感器示数为初始值，记录注射器内气体体积ΔV和对应的气体的温度T，记入电子表格;测定多组数据，记入表格，利用Excel计算气体总体积V（V=V0+ΔV），再作体积V与温度T图像（如图14），图像为一条直线，得出结论：一定量的气体，在压强不变的情况下，体积V与温度T成正比（V∝T）。

    本组實验使用小型数字传感器，快速准确地测定气体的压强和温度，改变了传统实验的测量方式，简化了实验的过程。数字传感器的使用，可以在计算机中直接记录数据，并利用电子表格快速处理数据，简化了数据处理的过程，效果直观。让学生能在课堂上短短的45分钟内完成实验，并得出正确的实验结果，提高了课堂的教学效率。学生通过交流讨论合作，探究问题，对物理学习的热情高涨，极大鼓舞学生实验探究的信息，培养了学生的核心素养。

    实验室原先配备的传感器装置价格昂贵，学校不可能采购很多套，不适合学生自己分组实验。采用小型的数字传感器和单片机结合，价格低廉，非常适合学校配备，适合学生分组实验。当前，大部分学校的物理实验室都没有给学生配备电脑，但是在不久的将来，数字化的实验室一定是未来学校的标配，一定可以开展更多的数字化实验。就目前部分学校现状，可以考虑利用学校的微机教室开展。

    五、总结与展望

    数字化自制教具的出现增加了教师的创造魅力，教师自身的创造性是吸引学生学习和创造的源泉。一套自制教具的成功演示，收获的是学生对知识渴望的眼神和学习物理的热情，有助于提升教师的职业幸福感，在无形中培养了学生的核心素养。

    高中生物理核心素养的培养任重而道远，不能一蹴而就。它不仅取决于教师对数字技术的掌握和运用水平，也取决于学生的认知和接收程度。通过不断地尝试和认可，使学生对物理知识的理解更加深刻，才能把培养学生核心素养落到实处。

    参考文献：

    中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2018.