創設物理情境 培養科學思維

林潔清

摘? ?要：分子間存在作用力是一種微觀現象，在物理課堂中無法直接展示。需借助宏觀現象，引導學生認識分子間作用力及其特點。在教學中，通過情境創設，引導學生經歷發現問題、提出問題、模型建構、科學探究、總結論證等過程，培養學生的模型建構、科學推理、質疑創新、科學論證的科學思維。? 關鍵詞：分子間作用力;創設情境;經歷過程;科學思維

物理是一門基礎自然科學，與日常生活密切相關。豐富的生活情境以及教師創造性地創設的物理情境，能夠讓物理學習充滿挑戰和樂趣。創設情境進行物理教學本身就有“參與”的價值，包括教師的參與和學生的參與。只有參與了，才能經歷過程。

分子間存在作用力是微觀領域的問題，由于學生在生活中缺乏相關體驗，故而在概念建立、規律探索時存在巨大的困難，如引導學生思考：分子間是否存在作用力？如何證明分子間存在作用力？作用力到底是引力還是斥力？分子間作用力在現實生活中有無對應現象等。這些問題對學生來說，無從思考。此時，教師需要創設情境，循序漸進，將學生引入微觀世界。筆者就此以 “分子間存在相互作用力”教學為例，帶著學生一起經歷發現規律的思維過程。

1? 創設真實情境，建構模型

在分子動理論中，擴散現象、布朗運動等大量的事實證明分子在永不停息地做無規則運動。那么既然這樣，為什么固體有固定的形狀？此時，中學生會聯想到某種神奇的力量。教師引導學生尋找思考的切入點，即，建立模型。為了突出主要因素，引導思考像鉛塊、鐵塊等純凈物固體，建構理想化的物理模型。若將分子簡化為一個球形模型，則可認為鉛塊是由大量鉛分子組成。教師提示：什么叫做有固定的形狀？即形狀很難被外力改變。這說明有某種作用阻礙物體發生形變，讓物體維持一定的形狀。此時，多數學生的思維好像被扯開一道口子。

既然分子間可能存在這種作用，那么，教師可以引導學生做出一個大膽的猜想：若將兩個固體緊緊壓在一起，那么大量分子就靠得很近，這種力量能讓兩個固體組成一體嗎？

像這樣在真實的生活情境中，發現問題，以“物”為本，不趕進度，引導學生慢慢悟出其中的道理，凸顯知識建構過程，可以最大化地實現科學思維的培養[ 1 ]。

活動設計：學生將兩個一樣的鉤碼用力擠壓，發現無法擠壓在一起。生活常識亦是如此。此時，教師取兩個鉛塊，讓力氣不是很大的學生將兩個鉛塊擠壓在一起，兩個鉛塊還是很難被壓在一起。但有一定的粘滯效果。最后，教師引導：鉤碼表面存在氧化膜，鉛塊暴露在空氣中也會被氧化，如果刮掉表面氧化膜會怎么樣？

刮掉表面的氧化層后，教師借助壓力器（如圖1所示）將兩個鉛塊用力擠壓，學生觀察到兩個鉛塊粘在一起，下面還能懸掛一定的重物。此時，實驗事實與學生猜想發生了第一次劇烈的撞擊，激發了學生探究的熱情：為什么普通固體很難被壓在一起？而對于鉛塊，為什么輕輕擠壓不易粘在一起，用力之后就可以吸在一起？在真實的情境與學生原有認知的沖突的基礎上，開發提出有價值的問題，激發了學生的探究熱情[ 2 ]。

2? 創設任務情境，建立觀念

帶著這么多的問題，教師不急著答復，而是留足思考的空間給學生，讓學生主動提出質疑。學生的想法很豐富，可能非常不嚴謹，但教師應尊重并予以鼓勵和引導。該實驗中，多數學生難以從分子引力的角度思考，因為微觀的作用力是學生的生活體驗無法觸及的一種存在。而很大一部分學生通過搜索僅有的部分知識經驗，認為，用力擠壓之后，鉛塊之間的空氣被排除，故而應該是大氣壓力把兩個鉛塊擠壓在一起。少數學生會思考到鉛塊不會脫離應該是鉛塊和鉛塊之間存在某種引力。

那么，到底是大氣壓力的作用結果還是分子間存在引力？憑空猜想？可以通過什么方法來論證猜想？留足時間，學生可能會提出各種方案，例如，有學生提出若把兩個吸著的鉛塊放置于真空環境，看兩鉛塊是否分離。有學生提出通過計算比較大氣壓力大還是鉛塊的重力大等。教師根據現有條件引導驗證。筆者在課堂上用的是如圖2所示的鉛塊：鉛塊內部為空心，有一定的厚度，通過測量得橫截面內外半徑分別為r外=1 cm和r內=0.6 cm，如圖3所示。當兩個鉛塊吸在一起時，內部有空氣，故而內部存在大氣壓力。1個鉛塊受到的大氣壓力為內外橫截表面的大氣壓力之差，即PS=P（πr外2-πr內2）=20 N，而鉛塊自身重1 N（如圖4），顯然大氣壓力完全有能力“托住”下面的那個鉛塊，此時，學生很快就想到新的論證方案：在鉛塊下面繼續懸掛重物，看是否可以超過19 N，若無法超過，則說明是大氣壓力使兩個鉛塊壓在一起。若超過19 N，則說明鉛塊之間存在其他引力。

實際上，如圖5所示，事實證明鉛塊能承受的拉力遠不止19 N（圖5）。說明兩個鉛塊之間存在引力。至此，很自然建立分子間存在引力的概念。這個過程教師步步為營，通過演示實驗創設新問題、探究并解決問題，培養學生質疑創新和推理探究能力。

在學生認識到分子間存在引力之后，教師以身邊常見的分子引力的實例引導學生從物理回歸生活。例如，水瓶壁上的水滴為何不流下？引導認識這是分子引力的宏觀表現。再如，讓學生通過測力計提起一片緊貼液面的玻璃片，發現：需用比玻璃片自身重力更大的力才能將玻璃片提離液面，如圖6所示，這也是分子間存在引力的一種宏觀表現。

教師繼續創設實驗情境，分組實驗：引導學生取一針筒，抽水，要求用手堵住針筒的嘴，如圖7所示，推動活塞。提出問題：活塞可否被壓縮下去？學生通過實驗明顯感受到活塞被壓縮一點點之后就再也無法被壓縮。究其原因，水由大量水分子組成，無法被繼續壓縮，是因為分子間存在斥力。學生通過實驗真實感受水分子間微觀的斥力的宏觀效果。

在上面的環節當中，教師引導學生通過觀察、實驗，發現分子間存在作用力，并體驗分子作用力有時表現為引力，有時表現為斥力。學生參與了建立概念的過程，在過程中體驗探究，發展科學思維。

3? 創設問題情境，探索規律

分子之間的作用力到底是引力還是斥力？要回答這個問題，就必須先思考分子之間為什么存在相互作用力？這又是一個大難題，需要留足時間給學生思考。

經過思考，有些學生認為分子有質量，故而分子力是萬有引力。但很快就被否定了。因為萬有引力不會出現斥力。有些學生深入挖掘分子自身的結構，考慮到，分子由原子構成，原子內部有正負電荷。當分子靠得很近時，正負電荷間的引力和斥力便體現出來。課堂通過計算得到庫侖力的數量級遠大于萬有引力的數量級。即分子間的萬有引力完全可以忽略不計。分析至此，分子間作用力的實質便有了初步結論。即，分子間同時存在著同種電荷之間的斥力和異種電荷之間的引力。分子間表現出來的作用力為這兩種力的合力。教師結合圖8所示F-r圖象引導認識分子間作用力的規律，其中當r>10r0時分子間的作用力就可以忽略不計（r0≈10-10 m）。

4? 創設體驗情境，應用規律

在教學中，學生在體驗過程生成了兩個資源。一是：鉛塊內聚力實驗中，既然兩鉛塊間的分子引力足以額外承受大于19 N的重物，那么為什么兩個鉤碼通過擠壓沒能吸引在一起？為什么力氣小的學生很難將兩個鉛塊擠壓在一起？二是：為什么壓縮水的時候，水先被輕微壓縮之后，才表現出分子斥力。這些現象實際上是由分子力的規律決定的。

這些課堂資源恰好可以鞏固理解分子間作用力的特點。當分子間距r>10r0時，分子作用力可以忽略不計。而普通固體表面凹凸不平，用較小的力擠壓時，兩固體表面分子間距離遠大于r0，分子間作用力無法表現出來。故而普通的固體通過擠壓并不會表現出吸在一起的效果，去掉氧化層的鉛塊如果不是用力擠壓也很難擠壓在一起。同理，用針筒壓縮水的時候，起初水分子間距處于平衡距離，即r0≈10-10 m。在壓縮水的時候，分子間距小于r0，分子間體現出斥力的效果。

學生對分子間作用力規律的理解還需要在解釋這類宏觀現象中提升。教師直接利用課堂生成的資源，引導應用規律解釋現象，培養學生科學論證的能力。

最后，本節課呼應引入時的問題：固體、液體分子間距離較小，如果分子距離太近，分子間表現出斥力;分子間距太大，分子間又會表現出引力，因此分子力可以讓固體保持一定的形狀，可以讓液體保持一定的體積。氣體分子間距一般都大于10r0，故而氣體沒有固定的體積和形狀。

像這樣，科學思維的培養是貫穿在像建立概念和探索規律這樣每一個知識點和細節的過程中。教師利用情境教學引導學生參與物理模型構建，參與概念建立，參與規律探索，參與科學推理，參與科學論證。學生在參與的過程中，發展科學思維，落實核心素養的發展[ 3 ]。

鑒于高中階段還未深入到量子領域，該問題并未過分深入探討，僅止步于中學教學。望能為同仁提供有價值的教學參考。

參考文獻：

[1]林明華.物理教學的“慢悟理”[J].中國教師，2020（1）：41-43.

[2]黃巧曦.以情境啟迪思維 促核心素養發展[J].中學理科園地，2019，15（1）：7-8，11.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-5.