高中物理“熱學(xué)”教學(xué)與數(shù)字技術(shù)的融合創(chuàng)新
——《分子動(dòng)理論的基本內(nèi)容》教學(xué)設(shè)計(jì)

鄧道平 天津市第二十五中學(xué)

●創(chuàng)新整合點(diǎn)

1.百度網(wǎng)盤的創(chuàng)新使用，探索數(shù)據(jù)互傳新模式

百度網(wǎng)盤的使用使視頻及圖像在不同客戶端實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)互傳與分享保存，學(xué)生可以實(shí)時(shí)看到教師錄制的炭粒運(yùn)動(dòng)視頻，并將小組作品即時(shí)上傳分享。在交流過程中，學(xué)生的評(píng)價(jià)反饋更具時(shí)效性，學(xué)生參與評(píng)價(jià)的積極性更高。

2.使用顯微鏡，促進(jìn)學(xué)科融合

基于跨學(xué)科意識(shí)，綜合運(yùn)用生物和物理學(xué)科觀念以及跨學(xué)科觀念，解決了物理學(xué)習(xí)中的真實(shí)問題，整合與拓展學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)不同學(xué)科間知識(shí)的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科意識(shí)、思維與能力。

3.電子目鏡將微觀現(xiàn)象實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，營(yíng)造公平學(xué)習(xí)的氛圍

通過技術(shù)手段使每個(gè)學(xué)生都實(shí)時(shí)觀察到現(xiàn)象，保證每個(gè)學(xué)生都有均等機(jī)會(huì)接觸和使用技術(shù)資源，營(yíng)造了在技術(shù)支持的環(huán)境中公平學(xué)習(xí)的氛圍，滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需要，讓每個(gè)學(xué)生都獲都充分發(fā)展。

4.利用Tracker軟件記錄并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高師生數(shù)字素養(yǎng)

使用Tracker軟件創(chuàng)設(shè)發(fā)現(xiàn)和解決問題的技術(shù)環(huán)境，幫助學(xué)生掌握用技術(shù)解決問題的策略。通過數(shù)據(jù)可視化方式能夠解釋提出的問題，并能對(duì)產(chǎn)生該結(jié)果的原因做深入分析，解決了教育教學(xué)中的真實(shí)問題，并考慮了如何利用數(shù)據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)教育教學(xué)。學(xué)生通過學(xué)習(xí)Tracker軟件的使用，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，自行處理數(shù)據(jù)并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論，培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，提高了分析并解決問題的能力。

●教材分析

本節(jié)課內(nèi)容選自人教版（2019）高中《物理》選擇性必修第3冊(cè)第一章《分子動(dòng)理論》第一節(jié)《分子動(dòng)理論的基本內(nèi)容》。通過本章的學(xué)習(xí)，學(xué)生認(rèn)識(shí)到自然界中普遍存在的一種運(yùn)動(dòng)形式—熱運(yùn)動(dòng)。熱學(xué)就是研究物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科，是物理學(xué)的一個(gè)重要組成部分，本節(jié)課作為熱學(xué)內(nèi)容第一章第一節(jié)，是整章內(nèi)容的核心和基礎(chǔ)。

●學(xué)情分析

知識(shí)分析：學(xué)生在初中已經(jīng)知道物體由大量分子構(gòu)成，了解墨汁在水中的擴(kuò)散，并且知道溫度越高，墨汁擴(kuò)散得越快，但不知道這些現(xiàn)象證明分子在做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。學(xué)習(xí)了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，為分析布朗運(yùn)動(dòng)的原因奠定了基礎(chǔ)。困難之處是分子做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)比較抽象，學(xué)生難以理解。本節(jié)課在教學(xué)設(shè)計(jì)部分，將抽象的概念形象化，讓學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)、分析討論，得出結(jié)論，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)的觀察能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維。

計(jì)算機(jī)技能分析：高二學(xué)生已經(jīng)掌握計(jì)算機(jī)基本應(yīng)用技巧，包括下載視頻、保存圖片、軟件操作等。本節(jié)課在學(xué)生用計(jì)算機(jī)操作的部分，需要通過課堂簡(jiǎn)單培訓(xùn)可以進(jìn)行。

●教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：知道分子動(dòng)理論的基本內(nèi)容；知道熱運(yùn)動(dòng)及決定熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的因素。

過程與方法目標(biāo)：通過演示實(shí)驗(yàn)了解擴(kuò)散現(xiàn)象，觀察并能解釋擴(kuò)散現(xiàn)象；通過布朗運(yùn)動(dòng)的觀察和實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)初步的探究問題的方法，理解布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因和影響因素。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：通過布朗運(yùn)動(dòng)的觀察和實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維；通過共同完成觀察及實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)和同伴的協(xié)作和配合。

●教學(xué)環(huán)境與準(zhǔn)備

教學(xué)環(huán)境：無線寬帶網(wǎng)絡(luò)、seewo觸控一體機(jī)、筆記本電腦（學(xué)生用）、無線投影儀。

教學(xué)準(zhǔn)備：seewo觸控一體機(jī)安裝好電子目鏡配套實(shí)驗(yàn)軟件及Tracker軟件；學(xué)生用筆記本電腦均安裝好Tracker軟件；百度網(wǎng)盤軟件（已提前登錄）；課前將Tracker軟件、百度網(wǎng)盤軟件使用教程提前發(fā)給學(xué)生預(yù)習(xí)，提前熟練使用。

●教學(xué)過程

1.導(dǎo)入新課—回憶海上絲綢之路，試問為何聞到檀香

師：我們知道，中國(guó)的絲綢之路是古代貿(mào)易與文化交流的重要通道，廣義上的絲綢之路分為陸上絲綢之路和海上絲綢之路，而海上絲綢之路又被稱為香料之路。檀香是中國(guó)四大名香之一，老師提前用檀香將印有天津著名地標(biāo)建筑的明信片進(jìn)行了處理，大家聞聞。余香繚繞，大家有沒有想過為什么能夠聞到檀香呢？

設(shè)計(jì)意圖：“海上絲綢之路—香料之路”引申出香味，積極挖掘其中可用的德育資源，既是對(duì)傳統(tǒng)文化的傳承與發(fā)揚(yáng)，也能讓學(xué)生在立足家鄉(xiāng)地標(biāo)建筑的基礎(chǔ)上樹立起正確的價(jià)值觀念。

2.課堂授課—四大活動(dòng)環(huán)環(huán)相扣，步步揭秘分子理論

活動(dòng)一：尋找分子

師：我們聞到明信片上的檀香，卻沒有看到一縷縷的檀香飄進(jìn)我們的鼻子里，這說明檀香分子是我們?nèi)庋劭床坏降模@個(gè)分子到底有多小呢？讓我們一起通過觀看視頻，探尋分子到底有多小。

設(shè)計(jì)意圖：由聞到香味卻沒有看到檀香分子引出分子很小：通過播放視頻，尋找分子，讓學(xué)生親身體驗(yàn)分子的小。

師：既然分子這么小，那么用什么儀器可以看到它呢？（掃描隧道顯微鏡）我國(guó)科學(xué)家在1993年首次利用超真空掃描隧道顯微鏡技術(shù)，在一塊晶體硅的表面直接移動(dòng)硅原子寫下了“中國(guó)”兩字（如圖1）。微觀世界的中國(guó)兩個(gè)字，像宏觀世界的中國(guó)夢(mèng)一樣蒼勁有力。

圖1

設(shè)計(jì)意圖：介紹觀察分子的儀器掃描隧道顯微鏡，由掃描隧道顯微鏡引出微觀中國(guó)及宏觀中國(guó)，由我國(guó)的微觀科學(xué)技術(shù)過渡到宏觀國(guó)粹書法，滲透學(xué)科德育，同時(shí)引出阿伏伽德羅常數(shù)。

師：微觀世界和宏觀世界是怎么聯(lián)系在一起的呢？它是通過一個(gè)橋梁聯(lián)系的，這個(gè)橋梁就是阿伏加德羅常數(shù)，我們把1摩爾（mol）任何物質(zhì)所含的粒子數(shù)叫做阿伏加德羅常數(shù)，用Na表示。Na=6.02×1023mol-1。一滴水中，含有多少水分子呢？

生：1摩爾水（mol）含有6.02×1023個(gè)水分子，1滴水約重0.05g，也就是0.00278mol，1.67×1021個(gè)水分子。

教師通過學(xué)生計(jì)算結(jié)論分析得出：物體是由大量分子組成的，并簡(jiǎn)要解釋在研究物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和物體的熱運(yùn)動(dòng)性質(zhì)、規(guī)律時(shí)，分子離子稱謂的不同。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過自己的計(jì)算得出一滴水中含有的水分子數(shù)，在熟悉運(yùn)用阿伏伽德羅常數(shù)的同時(shí)，對(duì)一滴水含有的分子數(shù)量有了直觀的認(rèn)識(shí)，這樣更有利于理解認(rèn)識(shí)物體是由大量分子組成的。

活動(dòng)二：觀察擴(kuò)散現(xiàn)象

師：既然物體是由大量分子組成的，那么這些分子怎樣運(yùn)動(dòng)的呢？

演示實(shí)驗(yàn)：教師演示液體擴(kuò)散（將黑墨水分別滴入熱水和冷水中，觀察液體的擴(kuò)散，用實(shí)物投影做大屏幕實(shí)時(shí)展示）。

師：通過剛才的實(shí)驗(yàn)，你觀察到了什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？

生：墨水在熱水和冷水中都發(fā)生了擴(kuò)散現(xiàn)象，而且熱水中擴(kuò)散得快。

師：同樣，在氣體和固體中都會(huì)發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象，擴(kuò)散現(xiàn)象在生活和科學(xué)技術(shù)中也有很多應(yīng)用，你能想到哪些擴(kuò)散現(xiàn)象的應(yīng)用？

生1：鮮花的香味。

生2：白酒的味道。

生3：炒菜的香味。

師（補(bǔ)充）：鹵蛋的制作方式是醬油的色素分子擴(kuò)散到了蛋清內(nèi)。同樣，在科學(xué)技術(shù)研究中，在高溫條件下可以通過分子的擴(kuò)散在純凈的半導(dǎo)體材料中摻入其他元素。這些都是擴(kuò)散現(xiàn)象在生活和科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析得出溫度對(duì)擴(kuò)散現(xiàn)象的影響，并舉出生活中的擴(kuò)散現(xiàn)象實(shí)例，對(duì)該現(xiàn)象理解更加深入。

活動(dòng)三：觀察并研究布朗運(yùn)動(dòng)

師：除了擴(kuò)散現(xiàn)象，分子的運(yùn)動(dòng)方式還有另外一種體現(xiàn)，就是布朗運(yùn)動(dòng)。在19世紀(jì)初，一些人觀察到，懸浮在液體中的小顆粒總在不停地運(yùn)動(dòng)。1827年，英國(guó)的植物學(xué)家布朗用顯微鏡研究了這種運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)是什么呢？現(xiàn)在我們就一起研究一下，如圖2所示。從科學(xué)的角度，我們的結(jié)論要有大量的數(shù)據(jù)支撐，所以，我來給大家示范一組數(shù)據(jù)，后面大量的數(shù)據(jù)支持由你們來完成。

圖2

教師實(shí)驗(yàn)活動(dòng)：介紹電子目鏡原理及使用、墨水標(biāo)本的制作方式、Tracker軟件的使用，并示范演示實(shí)驗(yàn)操作—利用電子目鏡觀察墨水標(biāo)本，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；利用Tracker軟件定位炭粒并記錄運(yùn)動(dòng)位置的連線；將炭粒運(yùn)動(dòng)的視頻上傳百度網(wǎng)盤供學(xué)生下載使用，并交代學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果上傳百度網(wǎng)盤分享。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)活動(dòng)：利用筆記本電腦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用百度網(wǎng)盤下載炭粒運(yùn)動(dòng)視頻，利用Tracker軟件定位炭粒并記錄運(yùn)動(dòng)位置的連線，反饋百度網(wǎng)盤分享。

師：哪個(gè)小組和大家分享一下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？

生：我們是“天津之眼”小組，我們小組一共挑選了8個(gè)炭粒，繪制了8幅運(yùn)動(dòng)圖像，從中挑選了4幅圖像與大家分享，如圖3所示。

圖3

師：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有了，哪個(gè)小組來和大家分享一下你們組的實(shí)驗(yàn)結(jié)論？。

生：通過觀察這些圖像，我們發(fā)現(xiàn)炭粒的運(yùn)動(dòng)是無規(guī)則的。

師：在擴(kuò)散現(xiàn)象中，我們發(fā)現(xiàn)溫度高，擴(kuò)散得快，那么在布朗運(yùn)動(dòng)中，有沒有這樣的現(xiàn)象呢？我們繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。改變懸濁液的溫度，再次實(shí)驗(yàn)。重復(fù)上述操作，我們得到不同溫度下的布朗運(yùn)動(dòng)。你觀察到了什么樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？

生：溫度高，懸濁液中小炭粒運(yùn)動(dòng)越劇烈。

師：你有沒有想過，炭粒在水里正常就是懸浮的狀態(tài)，炭粒為什么要做這樣的運(yùn)動(dòng)呢？

生：布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)際上研究的是微粒，但是由微粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，我們推導(dǎo)出水分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，也就是說，布朗運(yùn)動(dòng)間接反映了液體分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

師（補(bǔ)充）：通過不同溫度下的擴(kuò)散現(xiàn)象，我們發(fā)現(xiàn)溫度越高，擴(kuò)散越快，通過觀察不同溫度下的布朗運(yùn)動(dòng)，我們發(fā)現(xiàn)溫度越高，炭粒運(yùn)動(dòng)越劇烈，通過前后兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)特別容易受溫度的影響。因此，分子永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)叫作熱運(yùn)動(dòng)，而溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用電子目鏡將微觀現(xiàn)象實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，使每個(gè)學(xué)生都實(shí)時(shí)觀察到現(xiàn)象，營(yíng)造在技術(shù)支持的環(huán)境中公平學(xué)習(xí)的氛圍。通過探索炭粒運(yùn)動(dòng)位置的連線，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力；通過進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維；通過網(wǎng)盤分享成果，培養(yǎng)學(xué)生端正的學(xué)術(shù)態(tài)度、與同伴的協(xié)作和配合能力及表達(dá)能力。

活動(dòng)四：探究分子間作用力

師：既然分子永不停息地?zé)o規(guī)則運(yùn)動(dòng)，那為什么大量分子卻能聚集在一起呢？（演示鉛分子引力實(shí)驗(yàn)）為什么掛了這么多重物還沒有掉下來呢？

生：依靠鉛分子與鉛分子之間的分子引力作用。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過觀察、猜想、參與鉛分子引力實(shí)驗(yàn)，從駐足觀看到動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，親身體驗(yàn)到分子間真實(shí)存在的引力作用。

3.課堂小結(jié)—理論與實(shí)際互相聯(lián)系，總結(jié)收獲，學(xué)以致用

教師進(jìn)行課堂小結(jié)及布置隨堂練習(xí)，并提出實(shí)際問題。

師：本節(jié)課中應(yīng)用到的Tracker軟件還可以用來研究生活中的哪些運(yùn)動(dòng)呢？

生1：研究操場(chǎng)上跑步鍛煉的同學(xué)的運(yùn)動(dòng)，如測(cè)量運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)速度、路程等。

生2：研究物理學(xué)中的平拋運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)等。

師：靜謐的檀香依舊余香繚繞，分子在永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，如同絲路一般，至今依舊為我國(guó)與鄰邦的合作發(fā)展發(fā)揮著巨大的作用。

設(shè)計(jì)意圖：通過讓學(xué)生舉例，將理論與實(shí)際相聯(lián)系，擴(kuò)散思維，學(xué)以致用。將絲路比喻成分子，在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的同時(shí)，讓學(xué)生了解到中國(guó)古老的絲路文化博大精深，并心生敬畏，學(xué)習(xí)中滲透學(xué)科德育。

●教學(xué)反思

1.電子目鏡與手機(jī)支架的進(jìn)一步思考

本案例在教師演示實(shí)驗(yàn)部分，在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)時(shí)，在電子目鏡和手機(jī)支架兩個(gè)設(shè)備之間對(duì)比很久，最后考慮到穩(wěn)定性的因素，選擇了電子目鏡。然而手機(jī)支架設(shè)備在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中也有很多亮點(diǎn)，如手機(jī)在生活中的普遍性比電子目鏡強(qiáng)很多，手機(jī)支架價(jià)格相對(duì)較低，但性價(jià)比高。所以通過手機(jī)支架直接在手機(jī)中觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象還有很多需要思考的地方，日后將加以改進(jìn)并應(yīng)用到本實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)也應(yīng)用到物理和生物學(xué)科的相關(guān)方面。

2.Tracker軟件演示實(shí)驗(yàn)到學(xué)生實(shí)驗(yàn)的大膽嘗試

對(duì)于Tracker軟件的使用，本節(jié)課最開始僅僅是教師演示實(shí)驗(yàn)，偶然一次嘗試才發(fā)現(xiàn)，原來不僅教師對(duì)信息技術(shù)輔助教學(xué)充滿熱情，學(xué)生對(duì)此也充滿好奇與探究的欲望。在Tracker軟件使用的學(xué)生實(shí)驗(yàn)部分，學(xué)生們都從座位上站起來，每個(gè)人都想嘗試一下追蹤繪制的過程，并且真的做到了。學(xué)生的能力需要挖掘與培養(yǎng)，有時(shí)大膽放手，會(huì)帶來無限的驚喜。

3.反饋與評(píng)價(jià)需改進(jìn)

針對(duì)本節(jié)課最后的習(xí)題反饋部分，本想采取反饋器等形式進(jìn)行反饋，但因時(shí)間及設(shè)備的限制，沒有找到合適的方式。另外，開放式思考題正在探索學(xué)生的開放式答案如彈幕般呈現(xiàn)出來。以上兩部分教學(xué)設(shè)計(jì)還需要繼續(xù)改進(jìn)。