指向科學(xué)思維的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)

張銀碩 于海波 李亞培

【摘 要】科學(xué)思維是我國(guó)中學(xué)物理課程目標(biāo)的重要組成部分，也是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心。本研究以“液體的表面張力”為例，針對(duì)教學(xué)目標(biāo)的確定、教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)等問(wèn)題，通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境、實(shí)驗(yàn)探究、模型建構(gòu)、類比推理、解釋交流、任務(wù)驅(qū)動(dòng)等環(huán)節(jié)，對(duì)“液體的表面張力”這一主題進(jìn)行指向科學(xué)思維的教學(xué)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)思維;教學(xué)設(shè)計(jì);液體的表面張力

【中圖分類號(hào)】G633.7 ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ?【文章編號(hào)】1671-8437（2021）10-0252-03

1 ? 問(wèn)題的提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出物理學(xué)科核心素養(yǎng)是“學(xué)生通過(guò)物理學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，主要包括物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面[1]”。其中，物理觀念的形成、科學(xué)探究活動(dòng)的進(jìn)行、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的養(yǎng)成都離不開(kāi)科學(xué)思維的參與。因此，科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心[2]。物理教學(xué)的實(shí)施要以培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維為基礎(chǔ)。

許多研究指出，科學(xué)思維的教學(xué)要求教師在問(wèn)題的設(shè)計(jì)以及活動(dòng)的安排上要有啟發(fā)性，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境，注重探究式、合作式等多樣化學(xué)習(xí)方式的滲透，引導(dǎo)學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中得到科學(xué)思維的提升[3]。然而，由于科學(xué)思維活動(dòng)的過(guò)程內(nèi)隱性、類型多樣性等原因，目前關(guān)于科學(xué)思維的教學(xué)普遍缺乏真實(shí)的思維引導(dǎo)過(guò)程，教學(xué)內(nèi)容、活動(dòng)安排平鋪直敘，不具有啟發(fā)性，不能緊密聯(lián)系學(xué)生的生活實(shí)際，不能激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)[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(shū)（2019年版）選擇性必修三第二章第五節(jié)“液體”一節(jié)，這一主題很好地反映了“理論和實(shí)際”“宏觀和微觀”的結(jié)合，能夠幫助學(xué)生建立抽象思維、體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程、運(yùn)用統(tǒng)計(jì)思想解釋生活現(xiàn)象并處理相關(guān)問(wèn)題，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要教學(xué)內(nèi)容。因此，本文以“液體的表面張力”為例，針對(duì)教學(xué)目標(biāo)的確定、教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)等問(wèn)題，進(jìn)行指向科學(xué)思維的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)。

2 ? 確定教學(xué)目標(biāo)

“液體的表面張力”基本內(nèi)容要求是“觀察液體的表面張力現(xiàn)象，了解表面張力產(chǎn)生的原因，知道毛細(xì)現(xiàn)象”。學(xué)業(yè)要求是“能用分子動(dòng)理論解釋液體的微觀結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)”。

人教版教材對(duì)“液體的表面張力”這一部分內(nèi)容的編寫(xiě)思路是，先通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察并歸納液體表面的性質(zhì)，然后以液體表面研究為主線，分別從宏觀現(xiàn)象和微觀分析的角度認(rèn)識(shí)液體的表面張力，幫助學(xué)生構(gòu)建抽象思維，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)思想解釋生活現(xiàn)象、處理問(wèn)題。

學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課內(nèi)容之前已具備分子運(yùn)動(dòng)理論的相關(guān)知識(shí)，對(duì)物體的微觀構(gòu)成機(jī)制有初步了解。除此之外，通過(guò)生活經(jīng)驗(yàn)的累積，學(xué)生對(duì)生活中的液體表面張力現(xiàn)象也有一定的了解，但僅處于感性認(rèn)識(shí)階段，還沒(méi)有上升到理性認(rèn)識(shí)的高度，難以從微觀角度理解液體表面張力、浸潤(rùn)和不浸潤(rùn)現(xiàn)象以及毛細(xì)現(xiàn)象的產(chǎn)生原因。

基于以上對(duì)課標(biāo)、教材以及學(xué)情的分析，結(jié)合《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分，本研究制定了指向科學(xué)思維的教學(xué)目標(biāo)，如表1所示。

3 ? 設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)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(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力設(shè)計(jì)了如圖1所示的教學(xué)思路。

3.1 ?創(chuàng)設(shè)情境，啟發(fā)思維

【教學(xué)環(huán)節(jié)1】教師進(jìn)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(nèi)，再向容器內(nèi)倒些熱水，使干冰產(chǎn)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(xué)生會(huì)看到剛剛一層薄薄的水膜居然變成了一個(gè)神奇的“魔力球”（如圖2所示）。接下來(lái)，教師提出問(wèn)題：“白霧為什么沒(méi)有發(fā)散出來(lái)？”引出本節(jié)課的主題——液體的表面張力。

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生科學(xué)思維的養(yǎng)成，不是直接由教師教出來(lái)的，而是在問(wèn)題情境中借助問(wèn)題解決的實(shí)踐培育起來(lái)的[5]。教師通過(guò)有趣的“魔力球”現(xiàn)象，巧設(shè)問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題情境進(jìn)行分析推理，進(jìn)而提出合理猜想，為學(xué)生搭建“觀察—思考—猜想”的思維橋梁。

3.2 ?實(shí)驗(yàn)探究，形成思維

【教學(xué)環(huán)節(jié)2】教師帶領(lǐng)學(xué)生共同進(jìn)行趣味實(shí)驗(yàn)——

會(huì)移動(dòng)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(dòng)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(huì)附著一層薄膜，相當(dāng)于提取出一層液體的表面層。刺破一側(cè)薄膜時(shí)，吸管瞬間向有薄膜一側(cè)運(yùn)動(dòng)，并且無(wú)論如何移動(dòng)吸管，它都會(huì)被再次拉回去。將吸管拉到中間，將另一側(cè)薄膜也戳破，吸管才能恢復(fù)到原來(lái)的靜止?fàn)顟B(tài)。通過(guò)以上現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)吸管受到了力的作用，并且這個(gè)力總會(huì)使液體表面具有收縮趨勢(shì)，使學(xué)生建立液體表面張力的概念：液體的表面張力宏觀上表現(xiàn)為使液體表面收縮的力。

【設(shè)計(jì)意圖】科學(xué)思維體現(xiàn)在物理學(xué)科的科學(xué)活動(dòng)，并在活動(dòng)中得到發(fā)展[6]。讓學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，經(jīng)歷“觀察—實(shí)驗(yàn)—假設(shè)—推理”的思維過(guò)程，切身感受物理概念建立過(guò)程中科學(xué)思維的作用。

3.3 ?模型建構(gòu)，呈現(xiàn)思維

【教學(xué)環(huán)節(jié)3】借助實(shí)物模型，從微觀角度分析液體表面張力產(chǎn)生的原因。先通過(guò)分析液體表面分子的受力特點(diǎn)，明確液體表面的分子間距離介于r0和10r0之間;然后通過(guò)對(duì)比分子間作用力與距離的關(guān)系，明確液體表面分子力表現(xiàn)為引力;最后通過(guò)自制教具——液體表面微觀模型（如圖4所示），還原教學(xué)環(huán)節(jié)2的液膜拉動(dòng)吸管收縮現(xiàn)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(xiàn)為引力。

【設(shè)計(jì)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(guò)模型建構(gòu)過(guò)程引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念和規(guī)律的形成過(guò)程，是發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維的重要途徑[8]。為突破本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)：從微觀視角理解液體表面張力的產(chǎn)生原因，筆者隨手取材，借助生活中的乒乓球、細(xì)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(jué)效果，解釋之前肥皂膜收縮的原因，實(shí)現(xiàn)了抽象思維“可視化”，加深了學(xué)生對(duì)液體表面張力概念的理解。