共磨“落地型”物理課堂教學，促實驗素養形成
——以“物質是由大量分子組成的”為例

福建省晉江市第一中學 朱瑞珠

物理是一門以實驗為基礎的自然科學，由此可見實驗素養在物理教學中的重要性。物理實驗教學中有很多實驗屬于驗證性實驗，即科學家已經做好的實驗，學生通過學習相應知識重新體驗其過程，還有些實驗是探究性實驗，學生可以發揮頭腦風暴自己尋求實驗的方法進行設計，最終動手操作達到實驗的目的。此外，還有一些實驗處于二者之間，學生以現有的知識沒有辦法完全自己探究，但如果教師在教學中直接給出實驗方案讓學生進行驗證又顯得太呆板無趣。“物體是由大量分子組成的”教學中就遇到這個問題，本節課堂教學有一個非常好的實驗——“油膜法估測分子的直徑”，以學生的學習經驗沒有能力創造實驗條件，讓實驗的設計思想貼近學生生活，引導學生領會其巧妙的設計技巧，對學生的實驗能力及非智力因素的開發有著非常重要的作用。本文以這一案例的研磨過程為例，闡述物理實驗教學的處理技巧，讓物理實驗思想更加符合學生學習背景，讓核心素養培養落到實處。

一、立足教材重難點，專攻教學價值所在

人類對自然界的認識是從宏觀到微觀，如何打開它們之間的大門，這其間充分體現了科學家的智慧和創造能力。他們根據對宏觀世界的認識，對微觀世界建立起與宏觀世界相似的物理模型，利用所測得的宏觀量推算出微觀值，在物理研究中是非常重要的突破。教師要重視讓學生體會這種研究方法的優點，對培養學生的科學思想、科學方法和科學態度有十分重要的意義。分析宏觀現象中所隱藏的微觀本質，這在“油膜法估測分子的直徑”實驗中得到了充分體現，做好這個實驗有助于打開學生探索微觀世界的思路，對他們今后學習物理非常重要。

二、聚焦重點內容，設計引人思考的實驗方案

（一）教師同體異構，磨課研課力求做到最合適

第一位教師的課堂處理：首先提出三個方面證明物體是由大量分子組成的，一是阿伏伽德羅常數，利用化學課講過的一些數據讓學生當堂計算分子的大小。物體分為固體、液體、氣體，其中固體和液體的分子模型為球形，而氣體分子由于空隙比較大不能忽略，所以只能求出分子占據的空間體積，為立方體模型。學生在高一接觸過這些內容，基本印象還算深刻，教師和學生一起把結果算出來，發現固體和液體分子的直徑數量級是10-10m，氣體分子平均占據的空間體積是10-9m。由此得出分子直徑的數量級，也明確了氣體分子之間的距離確實比較大，超過了分子力作用的范圍，然后計算了分子的質量，得出分子質量也很小。接下來教師提出：“這么小的分子直徑如何用實驗的方法把它測出來？”教師開始介紹實驗——“油膜法粗測分子大小”，這個實驗的思想非常巧妙，在教師的引導下學生領會了實驗的精髓。結束了第一個理論“物體是由大量分子組成的”講課之后，又講了第二個理論“分子永不停息地做無規則的熱運動”，第二個理論有很多有趣的演示實驗，學生聽得非常開心。

磨課心得：教學一環扣一環，沒有一句廢話，對優生比較合適。不足之處是節奏偏快，可以改講一個理論觀點，把觀點講清楚，把實驗思想理解透徹，同時讓學生有更多的思考時間。

第二位教師的教學順序完全相反，該教師建議把后面的“油膜法估測分子大小”的實驗調到前面講，再講阿伏伽德羅常數的應用。相對于第一位教師的教學，實驗講得更加詳細，常數的應用也更加具體。后面的第二個理論“分子永不停息地做無規則的熱運動”則沒時間進行講解，該教師一節課只講一個理論。

實驗先講還是后講？實驗要怎么講才能讓學生順利地從宏觀世界進入微觀世界？教無定法，每個人的理解各有千秋。教學不能東施效顰，要有自己的理解和靈魂。在教學順序處理上，其實隱含一朵“烏云”：無論是實驗還是阿伏伽德羅常數的提出都顯得過于刻意，學生被動接受較多，缺少思考的氛圍。

（二）注入思考的維度，讓思維活躍起來

1.新課引入

教師介紹相關物理學史：“自古以來，人們不斷研究物質的組成。2500年前，古希臘德謨克利特認為，物質是由不可再分的原子構成。從本章開始學習熱學，研究與熱現象有關的事物，研究熱現象的規律，從宏觀的內能和微觀的分子運動論兩個方面討論熱現象，兩種方法相輔相成，使人們對熱現象的研究越來越深入。科學技術發展到現在，這種猜想已被證實，構成物質的單元多種多樣，如原子、離子和分子等，熱學中統稱為分子。”

設計意圖：從古代研究到現在技術發展，人類智慧已經攻克很多謎團，這個過程聚集了許多科學家共同的汗水，激發學生的榮譽感。

2.新課教學

教師解釋什么是熱學中的分子：“因為熱學中由于原子、離子或分子做熱運動時遵從相同的規律，所以統稱為分子。物體都是由大量分子組成的。”教師提醒：“‘物體都是由大量分子組成的’這句話有什么字眼需要我們注意？”（學生發現：大量）師生共同分析得出：“大量”說明分子很小。那么到底有多小呢？我們如何得出這么小的分子的尺寸呢？引發學生學習興趣。教師讓學生感受分子有多小：“分子是看不見的，用光學顯微鏡也看不到。但是隨著科學發展，科學家發明了電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡，通過它們我們能間接看到某些分子的大小。”教師用幻燈片給出放大的碳原子圖片以及利用納米技術把鐵原子排成“師”字引起學生的興趣，提出疑問：“我們如何得出這么小的分子的尺寸呢？”

設計意圖：教師先從比較大的肉眼可見的物體測量開始，由大到小的物體測量方法各不相同，以宏觀現象為引子，打開微觀世界的大門，層層推進激發學生的思考。

（1）引入大物體“乒乓球”的直徑測量。利用刻度尺測量，誤差較小，也有的學生回答用游標卡尺，其實也可以，但稍顯大材小用。

設計意圖：從最簡單的測量大物體開始，讓學生從熟悉的事物開始，比較容易接受新的知識，同時引起學生思考，避免形而上學的思維習慣。

（2）引入小物體“小米”的直徑測量。

方法一：由于小米尺寸較小，所以用刻度尺誤差太大，可以用游標卡尺，由卡尺可以讀出小米的直徑大約是1.2mm。

設計意圖：從大物體測量慢慢進入小物體測量，物體從大到小，從小到微小，慢慢地引起學生學習興趣。

方法二：這種方法學生一般無法自己想出來，所以教師要適當地進行提醒，啟發學生思考，感受這種方法的巧妙之處。教師給出3張圖片，分別是盛有小米的量筒、鋪成方形的一層一顆緊挨一顆的小米、刻度尺一把，讓學生根據圖片猜測其用途。學生通過圖片的提醒，得出如下估算方法：①量體積V：用注射器量出1mL小米；②平鋪測面積S（小米一顆緊挨一顆）：把1mL小米攤在方格本上，單層排列，測出邊長，計算小米的面積；③計算：d=V/S。

設計意圖：人們眼里首先是看見肉眼可見的物體，測量物體大小也是先從可見物體出發。教師設計由比較大的物體慢慢過渡到比較小的物體，由此引出估測法。

學生存在的困惑：擔心小米之間的空隙影響計算結果。教師進行解釋：“首先，間隙確實會影響測量的準確性，所以排列時小米要一顆緊挨一顆。其次，顆粒越小的物體空隙越小，測量越準確。”再看小米的估算結果，和游標卡尺讀出來差不多。教師強調測量的注意事項：“小米必須是單層且一顆緊挨一顆。”

設計意圖：抓住主要因素，忽略次要因素。由于小物體之間間隙很小，所以可以忽略小顆粒間隙帶來的影響。

提出問題：“目前測量分子大小面臨的困難—常用測量工具太大，分子太小，無法直接測量，能否利用上面的估算方法去估算分子的大小呢？”在解決這個問題之前，我們得思考一件事：“分子到底長什么樣？”由于肉眼看不見分子的大小，所以我們要先建立分子模型，根據問題需要可以有不同的模型。一般熱學里是這樣想象物體分子模型的：固體、液體分子間距很小，一般認為它們是一個緊挨一個排列且每個分子是球形。氣體分子間距很大，氣體分子間的間隙不能忽略，將每個氣體分子平均占有的空間設想成一個小立方體。根據這一微觀模型，氣體分子間的距離就等于小立方體的邊長d（d并非分子的直徑）。

設計意圖：教師提出模型，同時指出固體、液體與氣體分子間距的區別，讓學生構成完整的物質結構概念，避免想當然的定式思維。

教師介紹一種求不規則面積的方法——互補法，即以坐標紙上方格數目來計算，不足半個的舍去，多于半個的算1個。教師總結：“用宏觀量來測量微觀量的實驗方法是科學研究的重要方法之一。”

設計意圖：教師直接給出用油酸酒精溶液做實驗，因為學生這方面經驗有限，教師重點引導學生思考為什么實驗要這樣做，以及實驗過程中遇到的細節處理問題。之后教師播放實驗錄像，讓學生再次感受實驗的精心設計及操作難度，體會科學實驗的奇妙之處。

三、鼓勵動手實驗，享受實驗過程

由于上課時間有限，本節課實驗操作首先解決細節問題，有條件的學校應安排學生分組實驗。師生動手做演示實驗也很精彩，能讓學生再次感受實驗的精心設計及操作難度，體會科學實驗的奇妙之處。本實驗最可貴的精神是通過測量宏觀物理量進而求出微觀物理量，把宏觀與微觀巧妙地聯系在一起，這種思想方法具有劃時代的意義，非常值得學習與分享。同時，動手實驗過程中遇到很多細節處理問題，細節往往決定成敗，一個實驗的成功是由無數個細節共同鑄就的，對培養學生的科學思維及動手能力有很大的幫助。比如在動手實驗過程中經常會遇到一個現象：痱子粉灑得不夠均勻，以致油酸酒精溶液推開時呈現鋸齒形，不容易計算面積。筆者經過多次實驗，一直難以克服這個問題。看似簡單的過程，動手操作才知道需要足夠的耐心和細心。本節課一個問題接一個問題的提出，讓學生掌握為什么要這樣做以及解決問題的方法。油膜法的理解與實驗過程是本節課教學的難點與重點，細節之處讓人驚訝，其巧妙的設計又讓人感嘆。同時利用化學課學過的一些數值引出阿伏伽德羅常數的用處，讓學生明白物理與化學之間的聯系與區別，即化學課上研究的方向與物理方向不同。

物理教學的載體是實驗，教學過程中的實驗不僅承擔著再現物理現象、揭示物理學概念和規律的作用，更重要的是在實驗教學過程中可以有效培養學生的科學探究能力和科學探究精神。高中物理教學過程中，如何有效把教書育人具體到培養學生良好的生活習慣中，應作為教學思想和教學方法重點進行的新探究。運用物理教學自身的教育功能培養學生的道德品質，這是新時期賦予教師的使命，教師在教學中應該結合教材實際，有目的、有針對性地進行培養和引導。

經過幾位教師的磨課，這節課的設計思路落了地。這節課在傳統教法的基礎上跳出了新意，避免了枯燥單一給出物理量的教學，讓整個知識傳授流暢自然，學生的求知欲強烈，感受用常規方式認識微觀世界的實驗設計的美妙。一堂課的教學效果沒有絕對的評價標準，物理學是一門時刻發人深省的學科，教師在教學過程中要充分發掘各種素材，以調動學生的思維為主要任務，化被動為主動，避免“滿堂灌”的看似高效卻無實效的模式。在教學設計上，教師之間的磨課無疑是提高教學能力、優化教學模式的高效方式。