“氣體熱現象的微觀意義”高端備課

徐展 程承平

摘 要： 基于高端備課的思想，在“氣體熱現象的微觀意義”一課的教學中借助合適的信息技術使拋硬幣實驗不再費時費力，利用高中數學知識得出速率分布曲線的繪制方法，通過課上實驗與課外推導讓氣體壓強微觀因素的得出顯得有依有據.

關鍵詞： 高端備課;氣體熱現象;微觀意義;教學困惑;教學片斷

文章編號： 1008-4134（2019）23-0012 ? ? 中圖分類號： G633.7 ? ? 文獻標識碼： B

1 教材分析

“氣體熱現象的微觀解釋”是人教版高中物理選修3-3第八章氣體的第4節，主要內容有：通過拋硬幣實驗使學生初步了解統計規律的特點;分析氣體分子運動的特點，討論溫度壓強的微觀意義;用統計觀點從微觀角度解釋氣體實驗定律.

眾所周知，熱學包含研究宏觀的熱力學與研究微觀的統計力學兩部分，高中物理選修3-3各章知識從宏觀、微觀兩個方面展開.本節內容是在第八章“實驗→規律→微觀解釋”教學線索中的最后一環，統計方法則是廣泛應用于各學科的至關重要的近代科學方法，因此本節的重要性不言而喻.但在教學一線中，本節教學內容卻很難深入展開，因為教學實踐中會產生諸多困惑.

2 教學中的困惑

2.1 費時費力——拋硬幣實驗的困惑

拋硬幣實驗要求學生將個人、小組、大組、全班的數據記錄至表格，分析數據體會統計規律的特征：“單個事件是否出現具有偶然性，大量事件整體表現出一定的規律性”.教學實踐中，人工統計小組、大組乃至全班的數據費時費力，統計過程中易發的計算小錯誤往往使課堂教學陡生變數，而且由表格數據準確作出教材中班級實驗結果的柱狀圖也很費時.筆者第一次上此課時，拋硬幣教學活動花費了半節課時間，后續教學活動難以完成.

2.2 緣何而來——速率分布曲線的困惑

關于氣體溫度的微觀意義部分，教材先給出了兩種溫度下氧氣分子速率分布情況表，再給出速率分布圖象，僅指出圖象是根據表中數據繪制的，那么到底是如何根據表中數據得到圖象的？這一圖象與拋硬幣實驗得到的柱狀圖又有什么關系？這些問題教材中都未有交待.

2.3 據何而得——壓強微觀決定因素的困惑

氣體壓強的微觀意義部分中，教材在豆粒碰撞秤盤實驗演示氣體壓強的產生機理后直接指出氣體壓強的兩個微觀因素，沒有分析、沒有推導.實際上學生觀察了豆粒的碰撞實驗，更容易得出壓強的微觀決定因素是單位時間單位面積上的碰撞次數與平均動能，那么這種說法與“氣體壓強由分子密集程度和分子平均動能決定”是否矛盾呢？要回答這個問題恐怕得從氣體壓強微觀決定因素如何得出入手.

3 高端備課與教學重構

針對上述問題，筆者查閱了相關資料，不斷嘗試、反思、修改、再嘗試最終掃清了上述疑惑，使學生通過短短一節課時間經歷了更為有效的科學思維過程、建立了更為清晰的物理觀念.

3.1 借助信息技術，追求高效課堂

在拋硬幣實驗的數據處理過程中借助信息技術迅捷的統計、繪圖功能可以壓縮處理分析數據的時間從而實現高效的課堂.為此筆者用ASP +Access技術編寫了數據處理網頁程序，上課教室在計算機房.學生只需到指定網頁輸入投硬幣實驗的數據，由后臺程序自動按學號分小組、大組匯總、統計相關數據.然后將這些數據復制到事先準備好的Excel表格文件，文件自動生成個人、小組、大組、班級實驗的柱狀圖，學生通過觀察分析數據、圖象自主尋找規律.

【教學片斷實錄】

3.1.1 拋硬幣錄數據

教師介紹拋硬幣的方法后，學生做拋硬幣實驗并將實驗數據輸入如圖1的網頁界面，學生提交數據后將看到全班的實驗數據，見表1.

3.1.2 分析數據尋找規律

師：觀察全班數據總表，對于單次拋硬幣活動，你能發現什么規律？

投擲結果為02521的學生：有兩枚硬幣正面向上的次數比較多.

師：是的，是否一定如此？

投擲結果為25111的學生：我覺得是不確定的，隨機的.

師：是的，這位同學兩枚硬幣正面朝上只有1次，請問大家，這種結果可能發生嗎？

全體學生：可能.

師：一定發生嗎？

全體學生：不一定.

師：也就是說單次投擲硬幣實驗，某種結果可能出現也可能不出現，此即為隨機事件.

師：點擊“查看分組數據”鏈接查看個人、小組、大組、全班的數據表，你能發現什么規律？（數據由網站后臺程序自動匯總統計，見表2）

生：……

師：面對一大堆數據找規律的確有些困難，數據不形象，那怎么辦？

生：作圖.

師：好！將剛才投擲結果為25111同學的數據復制到Excel表格文件，得到個人、小組、大組、全班數據的柱狀圖.請同學們查看本班、2015高二（1）班與2010高二（1）班的柱狀圖，對照這三個班級的實驗結果，如圖2你能發現什么規律？

生：實驗次數越多，越接近一個相似的結果.

師：這個結果是怎樣的？

生：中間的概率高，兩邊的概率低.

師：光從柱狀圖的形狀來看，隨實驗次數增多，趨于怎樣的形狀？

生：中間高、兩邊低（中間多、兩頭少）.

師：這種圖形特點在個人數據的柱狀圖中是否一定體現？

生：不一定.

師：小組數據的柱狀圖的形狀是否一定中間多、兩頭少？

生：不一定.

師：大組呢？全班呢？

師：這種圖形形狀上的規律與隨機事件的數量有什么關系？

生：隨著事件數量的增多，逐漸顯現出這種規律.

師：這種規律即統計規律.

3.1.3 對比規律總結特征

展示牛頓第二定律、平拋運動規律、楞次定律，請學生通過對比總結統計規律的特征.

3.2 打破學科壁壘，踐行學以致用

幾年前，筆者注意到學生在上本節內容前就有了概率等統計學概念，翻閱學生使用的數學教材發現在蘇教版高中數學必修3第2章第2節“總體分布的估計”中介紹了依據頻率分布表作頻率分布直方圖、折線圖的方法，數學教材中還指出頻率分布折線圖在樣本容量足夠大、分組組距足夠小的情況下趨于一條光滑曲線即為總體分布的密度曲線.這恰恰正是本節依據分子速率分布表得到分子速率分布圖的方法.

【教學片斷設計】

在課前讓學生完成下面這樣一道習題.

閱讀數學必修3 P50～55，完成下面的數學題：

表3為某溫度下某種氣體分子的速率分布情況（忽略了速率大于等于1000m/s的分子數）.

（1）據表作出數據的頻率分布直方圖;

（2）據頻率分布直方圖作頻率分布折線圖;

（3）滿足怎樣的條件，第⑵問中的頻率分布折線圖趨向于密度曲線？

多數學生能夠作出如圖3所示的正確圖線，由此圖結合習題中的第⑶問即可自然得出教材中的速率分布曲線.如此將已掌握的數學方法應用于物理實踐中，讓學生明白圖線的由來也令學生感受到學科間知識的聯系.

3.3 精心設計活動，實驗推導并重

為了確定氣體壓強的微觀決定因素到底是單位時間單位面積上的碰撞次數與分子平均動能，還是氣體分子密集程度與分子平均動能，筆者翻閱了大學教材《熱學》[1]，查到了氣體壓強的微觀決定式p= 2 3 nEK 及其推導，可見壓強的微觀決定因素應該是分子數密度（即分子密集程度）與分子平均動能，但推導過程比較繁瑣不宜在課堂上面向全體學生直接展開.為使壓強微觀因素的得出顯得有理有據，同時學生還易于接受，筆者設計了體驗實驗→探究實驗→對照宏觀決定量推斷→課后自主學習推導的教學活動.

【教學片斷設計】

3.3.1 體驗實驗

目的：通過模擬實驗體會氣體壓強的微觀產生原因.

器材：一紙杯黃豆、電子秤.

內容：將一杯豆子從一定高度位置倒在電子秤的秤盤上，觀察電子秤的示數.

現象：大量豆子頻繁撞擊秤盤，產生持續穩定的壓力，由此可以體會“氣體壓強是大量氣體分子頻繁撞擊容器壁產生的”.

3.3.2 探究實驗

目的：通過模擬實驗推斷氣體壓強的微觀決定因素.

器材：鐵架臺、自制紙杯彈簧秤、兩種型號的小鋼珠、底部開兩孔與四孔的飲料瓶各一只，如圖4[2].

內容（讓學生自主觀看微視頻）：

①小鋼珠放入低位置的兩孔、四孔瓶中落到紙杯彈簧秤上的對比實驗.

②小鋼珠放入四孔瓶中，在高、低兩位置落到紙杯彈簧秤上的對比實驗.

③大、小兩種鋼珠放入低位置兩孔瓶中落到紙杯彈簧秤上的對比實驗.

結論：

①實驗中決定壓力大小的因素是單位時間與紙板碰撞的鋼珠個數、碰前鋼珠的速度、鋼珠的質量.

②由此可以推斷氣體壓強與容器器壁在單位時間單位面積發生的分子碰撞次數、分子速率、分子質量有關.

3.3.3 據宏觀決定量推斷

一定質量氣體壓強的宏觀決定量是溫度與體積，從微觀角度看溫度是分子平均動能的標志，體積則反映了分子數密度，由此可以推斷出氣體壓強的微觀決定因素是分子平均動能與單位體積內的分子個數，此結論與探究實驗的結果顯然不矛盾.

3.3.4 課后自主學習理論推導

筆者將上述推導過程錄制成視頻微課程，上傳至學校微信公眾號在線課程欄目中，供有興趣的學生課后自主學習.

4 教學啟示

4.1 細無聲者方潤物

對于本課“拋硬幣實驗”中信息技術的選取，筆者曾有這樣的嘗試：讓學生從各自平板電腦上的瀏覽器中登陸網站輸入數據，在指定討論區中發表對數據中隱藏規律的看法，設想讓學生在網絡空間中通過發表看法并不斷相互討論與思考，最終自主得出相關結論，教師只在適當時機作適當引導.但在實際教學活動中學生對平板電腦的操作并不熟悉，教師需花大量時間在課前培訓平板電腦的相關操作方法.在課后的問卷調查中，有學生甚至直言不諱地指出“繁瑣的操作導致學生兩極分化”“幫助不大、不利于獨立思考”“這種課就是花瓶”……

教師在選用信息技術手段時必須考慮學生接入課堂的成本，為了上這樣一堂課讓學生在額外的操作培訓上花費時間顯然是本末倒置的.信息技術融入學科教學，學生應感受不到信息技術帶來的操作障礙，正所謂細無聲者方潤物.因此筆者放棄了形式花哨的設計方案，而讓學生在熟悉的PC機環境下操作，提升了學生接入課堂的效率.

4.2 高屋建瓴才全面

本節核心知識為統計規律特點與氣體溫度壓強的微觀意義，如果僅僅立足于高中物理教材，教師自身將難以全面深入理解.突破學科界限使教師能了解從而利用學生已有的數學基礎，突破學段界限，從普通物理學的角度思考，使壓強微觀決定因素的困惑迎刃而解，因此要厘清高中物理知識的內在邏輯，有時就得“站得更高”.

4.3 合理取舍明主線

一堂精心設計、傾力打造的課堂往往會顯得過于飽滿，甚至偏離主題，因為對于備課過程中產生并解決的困惑，教師總想在課堂上展示一下.這就要求教師在設計教學時不僅立足學科知識的內在邏輯，更應兼顧物理教學的規律與學生學習的規律，在教學內容上合理取舍，以凸顯課堂主線.

參考文獻：

[1] 李椿，章立源，錢尚武.熱學[M] .北京：高等教育出版社，1978：51-53.

[2]胡小軍.讓學生進行“氣體壓強產生機理”的模擬探究[J].物理教師，2012，33（11）：28.

（收稿日期：2019-09-22）