由“新冠肺炎疫情”談高中物理教學(xué)素材的選擇與應(yīng)用

陳建琳 林立燦

摘? ?要：基于“新冠肺炎疫情”中涉及到的物理知識，探討高中物理教學(xué)素材的選擇與應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的建模能力、學(xué)以致用的能力;注重提升學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

關(guān)鍵詞：新冠肺炎;高中物理;教學(xué)素材;建模能力 學(xué)以致用;挖掘原理

2020年全球最大的熱點(diǎn)事件一定是“新冠肺炎疫情”的爆發(fā)，筆者在了解“新冠肺炎疫情”的過程中，結(jié)合物理知識深入思考了“新冠肺炎的危險(xiǎn)性”“病毒的傳播特征”“流行病的防護(hù)”等相關(guān)問題，由此聯(lián)想到物理的課堂教學(xué)面臨的問題：教學(xué)內(nèi)容過分服務(wù)于考試，學(xué)生日益失去學(xué)習(xí)物理的興趣。學(xué)生只懂解題，不懂如何在實(shí)際生活中“學(xué)以致用”。為提升學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的“學(xué)以致用”的能力，筆者認(rèn)為教師應(yīng)當(dāng)合理選擇與應(yīng)用教學(xué)素材。

1? 對教學(xué)素材的認(rèn)識

教學(xué)素材是教學(xué)內(nèi)容的各種載體。包括教材、物理實(shí)驗(yàn)、教學(xué)參考資料、多媒體課件、視頻等等。社會發(fā)展日新月異，教材也幾經(jīng)變革，經(jīng)過廣大教師的努力實(shí)踐，優(yōu)秀教學(xué)素材層出不窮。優(yōu)秀教學(xué)素材以新課程標(biāo)準(zhǔn)為導(dǎo)向，聚焦物理核心素養(yǎng);優(yōu)秀教學(xué)素材源于教材，但一定高于教材;優(yōu)秀教學(xué)素材對上好一節(jié)物理課至關(guān)重要，是教師教學(xué)的得力助手，學(xué)生獲取知識的指路明燈，也是課堂氣氛的調(diào)味劑[ 1 ]。

2? 高中物理教學(xué)素材的選擇與應(yīng)用的幾個方面

教學(xué)素材數(shù)不勝數(shù)。本文只能采擷一些小小的“花朵”。下列筆者就以“新冠肺炎疫情”中涉及的物理內(nèi)容，談?wù)劯咧形锢斫虒W(xué)素材選擇與應(yīng)用的幾個方面。

2.1? 選擇社會熱點(diǎn)事件

我們在教學(xué)過程中，結(jié)合社會上的熱點(diǎn)事件，選擇與課堂教學(xué)相適應(yīng)的內(nèi)容和學(xué)生一起展開研究和探索可以讓學(xué)生真正意識到物理研究的價(jià)值，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情會由此而更加高漲[ 2 ] 。

比如“分子動理論”的教學(xué)。“分子動理論”的教學(xué)比較抽象、枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有限。若結(jié)合社會動態(tài)既能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性又能拓展他們的知識面。

2020年新冠狀病毒引發(fā)的肺炎疫情牽動著公眾的心，新冠病毒對人體破壞性強(qiáng)，傳播性更強(qiáng)。我們從物理學(xué)角度觀察病毒的傳播性，嘗試建立一個以分子動理論為理論基礎(chǔ)的病毒傳播的物理模型[ 3 ]。

首先對比分子熱運(yùn)動與人群活動。以氣體分子為例，氣體分子由于相互碰撞或與器壁碰撞，運(yùn)動發(fā)生變化，若不受外力作用則做勻速直線運(yùn)動。單個氣體分子的運(yùn)動是無規(guī)則的，在某一時刻向著任何一個方向運(yùn)動的分子都有。但大量氣體分子的運(yùn)動符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律。而人群活動，雖然人的活動受主觀意愿、周圍環(huán)境等影響。但從某個角度看，人與人在何處、何時與他人接觸，接觸多久時間，接觸多長距離都是隨機(jī)的，其路徑可以認(rèn)為都是迂回曲折的。而對于大量人員組成的人群來說，人與人之間存在頻繁地、無規(guī)律的接觸，他們相互間的接觸規(guī)律可與大量分子遵循的統(tǒng)計(jì)規(guī)律相近似。

其次仿照微觀分子動理論的某些理論，將人群中所有個體簡化為剛性小球，其有效直徑為d（分子間距平均值）。以某個傳染源個體A為研究對象，建立模擬性的病毒傳播的物理模型。

傳染源個體A通過呼出的氣體飛沫而感染的空間面積為πd2。先將人群中其它個體視為靜止來研究， 傳染源個體A以平均速率u相對人群其他個體運(yùn)動。在Δt時間內(nèi)，A的活動距離為uΔt （類似分子平均自由程），如圖1所示，A活動掃掠過的有效體積為圓柱體，其體積為πd2uΔt。在此區(qū)域內(nèi)的人員就有可能與A直接接觸，通過空氣飛沫而被感染。

設(shè)在此有效體積內(nèi)人群密度數(shù)為n。則在Δt時間內(nèi)，由于A 活動而掃掠過而可能被感染的的總?cè)藬?shù)為nπd2uΔt。

設(shè)傳染源個體A的平均速率（對地）為v，根據(jù)麥克斯韋速率分布率可得：傳染源個體A的平均相對速率u與其平均速率v之間的關(guān)系式為：u=

所以可得在Δt 時間內(nèi)，由于A 活動而可能被被接觸感染的人數(shù)為：N=nπd2vΔt（類似分子平均碰撞次數(shù)）

以上結(jié)果由于未考慮人體的免疫力、防控流行病傳播的措施等因素，僅考慮了運(yùn)動的、統(tǒng)計(jì)的物理要素，所以人口密度數(shù)n大于被感染的人口密度數(shù)，也大于發(fā)病人數(shù)。

最后根據(jù)表達(dá)式分析得出結(jié)論。N∞n、N∞v、N∞Δt即可能被感染的人數(shù)N與有效體積內(nèi)單位體積的人數(shù)n成正比，與傳染源個體A運(yùn)動平均速率v成正比，與傳染源個體A活動的時間Δt成正比。

這簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系式告訴我們：“聚集容易感染！隔離很重要”。疏散人群可減小人群密度數(shù)n，隔離傳染源可減小其活動幅度（平均速度v）和與人群接觸的時間Δt，從而降低人群的可能感染數(shù)N。

這樣的教學(xué)不但能讓學(xué)生加深對微觀分子動理論的理解、記憶，還能啟發(fā)、鼓勵學(xué)生用所學(xué)物理知識研究生活實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的建模能力。甚至還能起到教育作用，增強(qiáng)學(xué)生維護(hù)社會穩(wěn)定的責(zé)任感。

可見：在高中物理教學(xué)中，物理教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，嘗試將生活現(xiàn)象例如社會熱點(diǎn)引入課堂，通過引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性的建立物理模型，不但能讓學(xué)生體會物理與生活的關(guān)聯(lián)，還能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2.2? 緊密聯(lián)系實(shí)際

物理與實(shí)際息息相關(guān)，物理教學(xué)不能脫離實(shí)際生活。選擇聯(lián)系實(shí)際的生活素材可以拉近課本與生活實(shí)際的距離。通過教師的講解與引導(dǎo)，能使學(xué)生快速掌握物理知識，調(diào)動學(xué)生解決實(shí)際問題的積極性，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

比如“液體表面張力”的教學(xué)。在講授液體表面張力的存在時，教師通常舉的例子都貼近實(shí)際，學(xué)生比較熟悉。例如：蛛網(wǎng)上的水珠為何呈球狀？（如圖2所示）昆蟲為什么能停在水面上？（如圖3所示）

結(jié)合新冠肺炎疫情的教學(xué)素材可拓展至肺泡表面液體的表面張力。人在呼吸時，肺的一張一吸離不開肺泡表面液體的表面張力。新冠病毒可怕之處在于它會攻擊人的肺部，使人的肺部失去彈性，變成沒有呼吸功能的硬肺。

肺泡表皮上有一層液體，表面液體的表面張力維持肺泡表面的彈性。肺泡表皮掌管著肺泡與外界的聯(lián)系，如果它活動的話就會牽動肺泡外界也跟著活動。一個健康的肺是有彈性的肺。對于肺泡這樣的液體球，表面張力使其不破裂，像氣球的彈力一樣。肺泡液體球上某一點(diǎn)，四周表面張力的合力是指向肺泡球體的中心。

我們呼吸時為什么沒覺得肺擴(kuò)張困難呢？因?yàn)榉闻荼砻娲嬖诨钚晕镔|(zhì)。活性物質(zhì)的生理作用是降低肺泡表面張力。活性物質(zhì)濃度越高，減弱肺泡表面張力的能力越強(qiáng);活性物質(zhì)濃度越低，減弱肺泡表面張力的能力越弱。當(dāng)人吸氣時肺泡擴(kuò)大，肺泡表面積增大，表面活性物質(zhì)濃度降低，減弱肺泡表面張力的能力減弱，肺泡表面張力相對增強(qiáng)，肺泡趨向收縮，這樣肺泡不會過度擴(kuò)張;當(dāng)人呼氣時肺泡縮小，肺泡表面活性物質(zhì)濃度增大，減弱肺泡表面張力的能力增強(qiáng)，肺泡表面張力相對減弱，肺泡趨向擴(kuò)張，這樣肺泡不會膨脹不全和不張。肺泡表面活性物質(zhì)可維持肺泡表面一定的彈性。新冠病毒會破壞肺泡表面活性物質(zhì)，使肺失去彈性。因此感染了新冠病毒的人就會呼吸困難，嚴(yán)重的會呼吸衰竭，引發(fā)身體一系列損傷，甚至死亡。

選擇學(xué)生熟悉的、息息相關(guān)的事物和現(xiàn)象為教學(xué)素材，能使學(xué)生們深刻感受到學(xué)科知識在實(shí)際中的“學(xué)以致用”的魅力，在學(xué)習(xí)過程中即使遇到了困難，也會積極主動尋找解決問題的方法。教師在日常生活中，要有一定的敏感度，注意捕捉既貼近學(xué)生又能使學(xué)生感興趣的教學(xué)素材。

2.3? 深挖物理原理

物理學(xué)習(xí)不但要“知其然”更要“知其所以然”。選擇蘊(yùn)含豐富本質(zhì)內(nèi)涵的教學(xué)素材，可讓學(xué)生感受深入思考問題的必要性，體會成功思考的愉悅。教學(xué)中，教師可選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)素材，逐步引導(dǎo)，層層深入，通過現(xiàn)象看本質(zhì)，挖掘原理，提高學(xué)生的思維分析能力。

比如“靜電吸附”的教學(xué)。靜電吸附常見的例子有：冬天時頭發(fā)被毛衣吸附;與頭發(fā)摩擦過的梳子能吸引細(xì)紙屑等等。“為什么靜電會吸引輕小物體呢？”解釋這個物理現(xiàn)象就是透過事物的現(xiàn)象看本質(zhì)。

再結(jié)合疫情爆發(fā)后第一時間政府和醫(yī)務(wù)工作者會要求大家出門一定要戴好口罩。思考一個問題“為什么口罩能阻擋病毒呢？是因?yàn)樗木W(wǎng)眼特別細(xì)密么？”表面上研究的是口罩，實(shí)際上我們要研究的是口罩深層次的物理原理。

醫(yī)用口罩、N95口罩能擁有強(qiáng)的防護(hù)能力，核心原理在于過濾層的靜電吸附原理，而不是其網(wǎng)眼的細(xì)小。此次新型肺炎的致病病原體是新型冠狀病毒，顆粒呈現(xiàn)圓形或者橢圓形，直徑在60～140納米（0.06～0.14微米）。一次性醫(yī)用口罩只能擋住不小于4微米的顆粒。沒有材料能做到這么細(xì)密的、微米級的網(wǎng)眼。就算做到了，這么小的網(wǎng)眼，氣流根本就進(jìn)不來，人也呼吸不了。實(shí)際上醫(yī)用口罩有三層，中層過濾層（阻隔層或則熔噴層）是口罩里面最重要的部分。熔噴無紡布主要材質(zhì)是聚丙烯，是一種超細(xì)并帶靜電的纖維布，可以捕捉飛沫和粉塵。這層的無紡布由無數(shù)的超細(xì)并帶靜電短纖維，通過機(jī)械力作用相互交織抱合而成。含有病毒的飛沫和粉塵在短纖維組成的叢林中如同走迷宮一般，在靜電力作用下大部分都跌跌撞撞的黏附到致密的短纖維上，從而起到極強(qiáng)的吸附作用。靜電吸附后，極難脫離，更沒辦法清洗。只要靜電在，粉塵和病菌就一直在。如果靜電不在了，那這個口罩也就廢了，變成了普通的棉口罩。靜電最怕的就是水，不能水洗口罩重復(fù)使用。

2.4? 滲透物理學(xué)史教育

物理學(xué)史包括科學(xué)家的生平、成就介紹。教學(xué)中選擇物理學(xué)史作為教學(xué)素材，可端正學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，有助于培養(yǎng)學(xué)生正確的人生價(jià)值觀。

例如”對偉大科學(xué)家牛頓”的介紹。1665年，牛頓在劍橋三一學(xué)院就讀期間，倫敦爆發(fā)了大瘟疫。其可怕程度不亞于2020年全球的“新冠肺炎疫情”。劍橋大學(xué)被迫停課。由于擔(dān)心醫(yī)療條件有限，牛頓就到鄉(xiāng)下躲避瘟疫。牛頓在鄉(xiāng)下靜心獨(dú)處、潛心思考，取得了非凡的成就。這期間，他系統(tǒng)地整理了大學(xué)里學(xué)習(xí)過的知識，潛心鉆研開普勒、笛卡爾、阿基米德、伽利略等前輩科學(xué)家的主要論著，還進(jìn)行了許多科學(xué)試驗(yàn)。幾乎他所有最重要的發(fā)現(xiàn)：萬有引力定律、經(jīng)典力學(xué)、微積分、光學(xué)等基本上都萌發(fā)于這段時期。

由于“新冠肺炎疫情”，學(xué)生們都在家隔離，要是能以偉大科學(xué)家牛頓為榜樣，在疫情期間珍惜時間，努力學(xué)習(xí)，努力思考，也許會有奇跡發(fā)生。

古人崇尚“師者，所以傳道授業(yè)解惑也。”當(dāng)代教師也應(yīng)當(dāng)重視學(xué)生的思想品德教育，鼓勵學(xué)生珍惜時間、獨(dú)立創(chuàng)造。

3? 結(jié)束語

教學(xué)中合理選擇與應(yīng)用教學(xué)素材能讓學(xué)生充分地“學(xué)以致用”，能“枯燥變生動”，提升課堂教學(xué)效果。教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生的認(rèn)知水平，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境、教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生了解更多的知識背景和物理素材的來源，鼓勵學(xué)生進(jìn)行探究并解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，提高學(xué)生科學(xué)思維能力，從而讓他們對科學(xué)知識產(chǎn)生更進(jìn)一步的理解與認(rèn)知，這正是物理課堂迷人的魅力之所在。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳輝，陳澤南，陳帆.基于物理核心素養(yǎng)的教學(xué)素材開發(fā)[J].物理教師，2019，40（8）：20-22.

[2]徐東.搜集素材資源 助力物理教學(xué)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（7）：78.

[3]夏兆陽 ， 張丹海.流行疾病傳播的物理模型[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） ，2004，18（3）：17-18.