指向科學思維的高中物理教學設計

張銀碩 于海波 李亞培

【摘 要】科學思維是我國中學物理課程目標的重要組成部分，也是物理學科核心素養的核心。本研究以“液體的表面張力”為例，針對教學目標的確定、教學過程的設計等問題，通過創設情境、實驗探究、模型建構、類比推理、解釋交流、任務驅動等環節，對“液體的表面張力”這一主題進行指向科學思維的教學設計。

【關鍵詞】科學思維;教學設計;液體的表面張力

【中圖分類號】G633.7 ?【文獻標識碼】A ?【文章編號】1671-8437（2021）10-0252-03

1 ? 問題的提出

《普通高中物理課程標準（2017年版）》提出物理學科核心素養是“學生通過物理學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力，主要包括物理觀念、科學探究、科學態度與責任四個方面[1]”。其中，物理觀念的形成、科學探究活動的進行、科學態度與責任的養成都離不開科學思維的參與。因此，科學思維是物理學科核心素養的核心[2]。物理教學的實施要以培養和發展學生的科學思維為基礎。

許多研究指出，科學思維的教學要求教師在問題的設計以及活動的安排上要有啟發性，為學生創設真實的問題情境，注重探究式、合作式等多樣化學習方式的滲透，引導學生在發現問題、分析問題、解決問題的過程中得到科學思維的提升[3]。然而，由于科學思維活動的過程內隱性、類型多樣性等原因，目前關于科學思維的教學普遍缺乏真實的思維引導過程，教學內容、活動安排平鋪直敘，不具有啟發性，不能緊密聯系學生的生活實際，不能激發學生的內在學習動機[4]。

“液體的表面張力”選自人民教育出版社普通高中物理教科書（2019年版）選擇性必修三第二章第五節“液體”一節，這一主題很好地反映了“理論和實際”“宏觀和微觀”的結合，能夠幫助學生建立抽象思維、體驗科學探究過程、運用統計思想解釋生活現象并處理相關問題，是培養學生科學思維的重要教學內容。因此，本文以“液體的表面張力”為例，針對教學目標的確定、教學過程的設計等問題，進行指向科學思維的高中物理教學設計。

2 ? 確定教學目標

“液體的表面張力”基本內容要求是“觀察液體的表面張力現象，了解表面張力產生的原因，知道毛細現象”。學業要求是“能用分子動理論解釋液體的微觀結構及特點”。

人教版教材對“液體的表面張力”這一部分內容的編寫思路是，先通過探究實驗讓學生觀察并歸納液體表面的性質，然后以液體表面研究為主線，分別從宏觀現象和微觀分析的角度認識液體的表面張力，幫助學生構建抽象思維，運用統計思想解釋生活現象、處理問題。

學生在學習本節課內容之前已具備分子運動理論的相關知識，對物體的微觀構成機制有初步了解。除此之外，通過生活經驗的累積，學生對生活中的液體表面張力現象也有一定的了解，但僅處于感性認識階段，還沒有上升到理性認識的高度，難以從微觀角度理解液體表面張力、浸潤和不浸潤現象以及毛細現象的產生原因。

基于以上對課標、教材以及學情的分析，結合《普通高中物理課程標準（2017年版）》中物理學科核心素養的水平劃分，本研究制定了指向科學思維的教學目標，如表1所示。

3 ? 設計教學過程

基于以上分析，本研究以“液體的表面張力”為載體，圍繞如何培養學生的科學思維能力設計了如圖1所示的教學思路。

3.1 ?創設情境，啟發思維

【教學環節1】教師進行“魔力球”表演，將一根棉布條浸入裝有肥皂水的水槽中，然后用夾子夾起干冰放入圓形玻璃容器內，再向容器內倒些熱水，使干冰產生大量的白霧，最后將剛剛浸有肥皂水的棉布條取出，迅速在容器口抹出一層薄膜，學生會看到剛剛一層薄薄的水膜居然變成了一個神奇的“魔力球”（如圖2所示）。接下來，教師提出問題：“白霧為什么沒有發散出來？”引出本節課的主題——液體的表面張力。

【設計意圖】學生科學思維的養成，不是直接由教師教出來的，而是在問題情境中借助問題解決的實踐培育起來的[5]。教師通過有趣的“魔力球”現象，巧設問題情境，激發學生的興趣和好奇心，調動學生學習的內驅力，引導學生對問題情境進行分析推理，進而提出合理猜想，為學生搭建“觀察—思考—猜想”的思維橋梁。

3.2 ?實驗探究，形成思維

【教學環節2】教師帶領學生共同進行趣味實驗——

會移動的吸管，一起探究液體表面張力的成因及特性。將自制教具——帶有自由移動吸管的矩形線圈（如圖3所示），放入浸滿肥皂液的容器中，靜止片刻后取出，上面會附著一層薄膜，相當于提取出一層液體的表面層。刺破一側薄膜時，吸管瞬間向有薄膜一側運動，并且無論如何移動吸管，它都會被再次拉回去。將吸管拉到中間，將另一側薄膜也戳破，吸管才能恢復到原來的靜止狀態。通過以上現象引導學生發現吸管受到了力的作用，并且這個力總會使液體表面具有收縮趨勢，使學生建立液體表面張力的概念：液體的表面張力宏觀上表現為使液體表面收縮的力。

【設計意圖】科學思維體現在物理學科的科學活動，并在活動中得到發展[6]。讓學生自主進行實驗探究活動，經歷“觀察—實驗—假設—推理”的思維過程，切身感受物理概念建立過程中科學思維的作用。

3.3 ?模型建構，呈現思維

【教學環節3】借助實物模型，從微觀角度分析液體表面張力產生的原因。先通過分析液體表面分子的受力特點，明確液體表面的分子間距離介于r0和10r0之間;然后通過對比分子間作用力與距離的關系，明確液體表面分子力表現為引力;最后通過自制教具——液體表面微觀模型（如圖4所示），還原教學環節2的液膜拉動吸管收縮現象，由此得出液體表面張力的微觀解釋：液體表面層分子間距較大，分子力表現為引力。

【設計意圖】物理模型可以劃分為兩類，一類是模擬式物理模型，另一類是理想化物理模型[7]。通過模型建構過程引導學生經歷物理概念和規律的形成過程，是發展學生的科學思維的重要途徑[8]。為突破本節課的教學難點：從微觀視角理解液體表面張力的產生原因，筆者隨手取材，借助生活中的乒乓球、細線、塑料管等材料，模擬微觀的液體表面分子間作用，以直觀的視覺效果，解釋之前肥皂膜收縮的原因，實現了抽象思維“可視化”，加深了學生對液體表面張力概念的理解。