“气体等温变化实验数据处理”教学设计
作者： 王鹏
【关键词】高中物理；数模结合；等温变化；线性与非线性拟合
【中图分类号】G633.7 【文献标志码】A 【文章编号】1005-6009（2024）39-0079-02
【作者简介】王鹏，江苏省句容高级中学（江苏句容，212400）教师，高级教师。
传统的高中物理教学通常侧重于理论知识的传递，但学生往往对于抽象的物理概念和规律难以建立直观的认知。江苏省句容高级中学知行物理学科育人课程基地依据“智学·实践”核心架构，将物理模型数字化，采用数字模型与物理现象相结合的数模结合研究法。下面，笔者以“气体等温变化实验数据处理”教学为例，阐释如何帮助学生从定量和定性的双重角度深入理解物理现象的本质。
一、确定研究问题
知行物理课程设计从掌握理论基础、问题发现与研究出发，以问题为导向，明确课程设计的方向、教学内容的选择及教学方法的运用。
问题1：气体等温变化过程中，压强与体积之间存在何种定量关系？
问题2：如何通过数学建模的方法处理气体等温变化的实验数据？
问题3：实验误差对气体等温变化规律的影响如何？
知行物理课程确定研究问题的重要性与意义在于明确研究方向与重点。问题1直接指向实验的核心目的，即探究在温度不变的情况下，气体压强与体积之间的变化规律；问题2关注数据处理和数学建模的方法层面，旨在找到一种有效的数据处理和建模方法，以更准确地描述气体等温变化的规律；问题3关注实验误差的分析和控制，旨在评估实验误差对实验结果的影响，并探索减小误差的方法。
二、收集分析数据
1.指导学生进行气体等温变化实验，准确记录实验数据
利用分组实验，指导学生应用DIS实验仪器来探究气体等温变化的规律。实验中气体的质量与温度保持不变，气体的体积V可从注射器壁上的刻度直接读出，气体的压强P由压强传感器精确测定。当注射器内的气体体积V减小时，记录压强传感器相应的读数P，同时指导学生将实验数据整理成Excel电子表格，以便导入计算机软件进行分析。
2.应用GeoGebra软件对实测数据进行绘图
首先，教师讲解演示如何使用GeoGebra软件绘制气体等温变化的P-V散点图，包括多种图表类型的选择、坐标轴设置、数据点标记等，指导学生绘制清晰、准确的气体等温变化图表。然后，组织小组讨论和交流，引导学生观察图表中的趋势线，分析压强与体积之间的关系是否符合玻意耳定律的预测。
三、构建数据模型
实验中测量得到的气体压强和体积数据通常是离散的数值对。知行物理课程设计根据研究问题和数据特征，选择合适的建模方法和技术，建立相应的数字化物理模型。
教师引导学生回顾实验“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”，延伸类比得到通过分析V- [1P]变化关系是否为线性变化，从而验证P-V呈反比例关系。教师演示并使用GeoGebra的函数拟合功能，帮助学生进行数据分析并计算相关的物理参数，拟合出对应V- [1P]的线性方程，验证数字化物理模型的准确性。
四、验证优化模型
对建立的模型进行验证和优化，确保其能够准确地描述实际问题是知行物理课程中的重要教学环节。将实验结果与理论模型进行对比分析，学生发现气体的拟合直线不通过坐标原点，且GeoGebra软件线性拟合出的结果存在一个截距。
在此基础上，教师组织学生进行小组讨论和交流，指导学生从实验条件、测量设备、操作过程以及数据处理等多个方面进行综合考虑和评估，分享各自的分析方法和结果，促进学生之间的学习和合作。学生对建立的等温变化数字模型进行修正和优化，准确地描述了实际问题，并进行合理的预测和分析，从而验证玻意耳定律的正确性。
五、评价维度设计
1.物理观念
评价学生是否准确理解气体等温变化的定义，观察学生在实验过程中对气体等温变化现象的描述和分析，判断他们是否能够将理论知识与实际现象相结合。学生在实验报告中对实验结果的分析，是否能够运用玻意耳定律解释实验现象，并得出合理的结论。
2.科学思维
（1）分析与综合能力：评价学生在实验前对实验原理的分析能力，其是否能够理解实验目的、实验方法和实验步骤，可以通过让学生撰写实验预习报告的方式进行评价。
（2）推理与论证能力：评价学生在实验过程中是否能够根据实验现象进行合理的推理，可以通过提问或让学生进行小组讨论的方式进行评价。
（3）模型建构能力：考查学生在实验中是否能够建立气体等温变化的物理模型，可以通过让学生绘制物理模型图的方式进行评价。
3.科学探究
设计实验的能力：考查学生在实验前是否能够设计合理的实验方案，包括实验器材的选择、实验步骤的安排、数据的采集方法等，可以通过让学生撰写实验设计报告或进行小组讨论的方式进行评价。
4.科学态度与责任
（1）科学态度：评价学生在实验过程中的认真程度和专注度，是否能够积极参与实验，认真记录实验数据，可以通过观察学生的实验表现和检查实验记录进行评价。
（2）社会责任：引导学生思考气体等温变化在实际生活中的应用，评价学生是否能够将物理知识与实际生活相结合，认识到科学技术对社会的影响。
知行物理课程基地以“认知为前提、探索为主线、实践为佐证、创新为升华”的学习方式，培养了学生的认知能力、探索精神、实践能力、创新意识和科学态度与责任。