優(yōu)化物理演示實驗培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)

范榕華

【內容摘要】本文以滬科版八年級11.2《看不見的運動》中探究水與酒精混合的實驗為例，學生在分析混合后體積減少存在多種猜想，無法理解為分子間存在空隙。因此，以教材實驗為基礎，創(chuàng)新演示實驗，利用優(yōu)化的演示實驗，對比排除其他影響因素，同時，結合物理模型，進一步分析混合后體積減少是分子間存在空隙的宏觀表現(xiàn)。

【關鍵詞】分子間隙? 演示實驗? 科學思維? 核心素養(yǎng)

通常，物質是由大量分子構成的，這些又小又輕的分子是一個挨著一個擠在一起不動嗎？如何設計實驗來探究呢？

一、教材實驗操作與分析

滬科版教材通過將水和酒精混合后體積減少的現(xiàn)象，來說明分子間存在空隙。實驗準備兩個相同（量程100cm3）的量筒，分別裝有50cm3的水和50cm3的染色酒精，并將酒精完全注入到水中，觀察到混合后的總體積小于100cm3，說明分子間存在空隙①。

實驗通過水和酒精的混合，觀察到混合后總體積減少到98cm3左右，但由于量筒橫截面積較大，不能明顯的觀察到體積變化。教學過程中，學生在觀到體積減少的現(xiàn)象后進行如下分析，在倒出酒精后量筒壁上有酒精殘留可能影響結果;同時，由于酒精蒸發(fā)較快，導致體積減少。另一方面，由于酒精的密度小于水的密度，當酒精注入裝有水的量筒時，量筒不便晃動和翻轉，則無法在短時間內完全混合，因此學生認為可能是酒精和水密度不同導致體積變化。

兩種液體混合體積減少是同學們在宏觀尺度上觀察到的現(xiàn)象，如何通過實驗探究排除其他可能的影響因素，使學生理解是分子間存在空隙造成的，是該實驗需要突破的關鍵。

二、優(yōu)化教學實驗設計與培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)

1.基于演示實驗的優(yōu)化設計與物理思維能力的培養(yǎng)

以教材中的實驗為例，分析水和酒精混合后體積會減少的原因，需要排除其他影響因素，因此創(chuàng)設教師演示實驗進行對比分析。

（1）演示實驗的優(yōu)化設計

實驗器材是一個上端帶細管的容器，如下圖，先向容器中注入約一半體積的水，再注入染色酒精至裝滿整個容器，由于酒精密度小于水，所以出現(xiàn)上下兩種液體的分層現(xiàn)象，即容器容積為混合前的總體積。用橡皮塞塞住管口，將容器上下翻轉搖晃，使兩種液體完全混合，通過細管可以觀察到混合后的體積減少更加明顯。

通過對比教師演示實驗和學生實驗的差異，引導學生分析：a.演示實驗中混合前后水和酒精都已裝在容器中，排除酒精殘留而引起的體積減少;b.該容器管口很小，混合前用橡皮塞塞住，排除酒精蒸發(fā)而導致的體積變化;c.讓學生理解密度是物質的特性，與體積無關，水和酒精密度雖然不同，但一定量的水（或酒精）對應的體積是不變的。通過以上分析，認識到混合后減少的體積與分子的空隙有關。

（2）物理科學素養(yǎng)的提高

學生在進行水和酒精的混合實驗中，不僅觀察到體積減少的現(xiàn)象，創(chuàng)設探究問題的情境，激發(fā)他們的求知欲;同時也培養(yǎng)學生的探究能力，通過觀察與思考，猜想體積變化可能與殘留、蒸發(fā)等因素有關，提高學生實驗探究與科學思維的物理學習能力。

教師通過優(yōu)化演示實驗，與學生實驗進行對比，分析體積減少的原因，以客觀事實為依據，分析并排除由于實驗中的殘留、蒸發(fā)等因素引起的體積減少。明確體積變化是微觀（分子）特性所引起的，培養(yǎng)學生分析問題的全面性;同時，激發(fā)學生敢于創(chuàng)新和思考的意識，進一步提高學生的物理科學素養(yǎng)。

2.基于物理模型的實驗設計與物理思維能力的培養(yǎng)

（1）構建物理模型與實驗優(yōu)化設計

針對酒精和水混合后體積減少的原因分析，由于物質結構無法用肉眼直接觀察，學生缺乏微觀粒子的模型概念，因此，學生對分子間存在空隙的理解上存在困難。針對該難點，從宏觀現(xiàn)象入手，借助構建模型的方式使學生更加深刻的理解分子存在空隙，了解物質的微觀特性。

模型實驗中，根據水分子和酒精分子的體積大小關系，用乒乓球模擬“酒精分子”，用玻璃球模擬“水分子”，將兩種“分子”分別裝在兩個燒杯中，將代表“水分子”的玻璃球倒入裝有“酒精分子”的燒杯內，搖晃使兩種分子混合均勻，可以觀察到“水分子”進入并填滿“酒精分子”的空隙，使混合后總體積減少，進一步說明這種宏觀現(xiàn)象是由于分子間存在空隙引起的。

（2）培養(yǎng)中學生的物理思維能力

以球代替分子構建物理模型，將抽象的分子結構以具體化、可視化的方式呈現(xiàn)②，排除研究分子間隙無關的其他因素，從本質上理解分子間存在空隙。學習過程中強化學生的物理思維能力，使學生學掌握物理分析方法，排除次要因素、簡化研究對象，抓住分子間存在空隙的本質，了解分子結構的基本特征，掌握物理規(guī)律，進一步提高物理核心素養(yǎng)。

【注釋】

① 義務教育教科書·物理·八年級·全一冊[M]. 上海：科學技術出版社，2012.

② 張濱. 重視培養(yǎng)中學生的物理模型思維能力[D]. 福建師范大學，2001.

【本文系福州市教育科學研究課題“中學物理演示實驗中培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的實踐研究”階段性研究成果之一，課題編號：MJYKT2016-213。】

（作者單位：福建省福州市晉安區(qū)福州則徐中學）