高中物理教學中提升科學思維的探索

摘 要：《普通高中物理課程標準（2017年版）》要求在教學過程中注重對學生學科核心素養的培養，在物理學科核心素養中，“科學思維”對學生的理科學習和未來的科學研究意義深遠。高中物理課堂是科學思維品質培養的主陣地，如何設計好課堂，使之發揮最大的育人價值就很值得教育工作者研究。

關鍵詞：高中物理教學；核心素養；科學思維

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）10-0015-3

收稿日期：2024-07-25

基金項目：江蘇省中小學教學研究第十四期課題“系列微視頻模式下新教材高中物理實驗的開發和研究”（2021JY14-L10）；江蘇省十四五教育科學規劃課題“文化意蘊視角下的高中物理教學與評價研究”（SJMJ/2021/04）。

作者簡介：陶夢雨（1995-），女，中學一級教師，主要從事高中物理教學工作。

“科學思維”是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用，是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格。其中，證據意識、推理論證、歸納反思、模型建構等對學生的各科學習甚至是未來發展都必不可少。本文以“分子動理論的基本內容”（第一課時）為例，通過對教學環節的設計，旨在提升學生的科學思維品質，探索高中物理教學的育人價值。

1 從生活引入對微觀世界的探索

1.1 教學環節一：得到微觀世界研究對象“分子”

請學生深吸一口氣。

教師提問：吸進去的是什么？（生：氣體）氣體是由什么組成的？（生：氣體分子）

教師提問：物體都是由分子組成的嗎？（生：分子、原子、離子）

教師總結：這是從化學變化中的不同作用作出的區分，我們研究物體熱學基本性質和規律的時候，把組成物質的微粒統稱為分子。

這是根據研究問題對研究對象的分類，在此之前學生接觸過的典型例子就是“質點”。什么情況下研究對象可以簡化為質點來處理，取決于研究的問題是否需要考慮其大小、形狀帶來的影響。同樣的，在這里我們把分子、原子、離子統稱為分子，也是為學生突出了在接下來的“熱學”研究當中描述的是它們的共性特征，是微觀世界的一般規律。

1.2 教學環節二：用數據說明組成物質的分子之“大量”

請學生估測：吸一口氣大約有多少分子？

已知人深吸一口氣的氣體體積大約為0.45 L，為方便大家計算，我們取現在教室環境下氣體的摩爾體積為22.5 L/mol，根據阿伏伽德羅常數為6×1023個/mol，你能否估算出吸一口氣大約有多少分子？

教師引導：如果讓你每秒數一顆分子，人的壽命以秒來計一生也就109秒。你數不數得完？數不完；全班同學一起數也數不完；全地球70多億人一起數也數不完。由此看來，物體由分子組成，且數量巨大。

教師提問：這一個空礦泉水瓶能裝500 mL 空氣，看起來體積不大，但裝的分子數多到我們數不完，說明單顆分子的尺寸如何？（生：很小）

猜一猜：分子有多小？你眼睛能直接看到嗎？光學顯微鏡能看到嗎？

教師：隨著顯微鏡技術的發展，1982年掃描隧道顯微鏡問世，它可以通過觀察定位單個微觀粒子，并且在低溫條件下對它進行排列組合。伴隨著科技的進步發展，現在已經能夠測算出分子的尺寸非常小，大約是10-10 m。

作為本節教學的主要內容之一，“物體是由大量分子組成的”，如何突出“大量”？我們可以從兩個角度來分析：首先是宏觀與微觀的橋梁——阿伏伽德羅常數，讓學生動手計算出深吸一口氣會吸入多少粒子，培養學生學會用數據說話，養成“證據意識”。其次，宏觀體積不大而其組成的微觀粒子數量龐大，那必然要求微觀粒子本身尺寸極小，從而間接說明了要想呈現出宏觀可見的形狀體積，所需的微觀粒子必須“大量”。

2 尋找“分子運動”的證據

2.1 教學環節三：調用熟悉的“擴散現象”

思考：分子是運動的還是靜止的？（生：運動的）

教師：你有什么證據可以證明“分子是運動的”？（生：擴散現象）

教師：人的裸眼分辨率最小可觀察到10-4 m的微小物體，能看到分子嗎？（生：看不到）

教師：那你為什么能由宏觀可見的擴散現象說明分子在運動？（生：因為擴散是物質彼此進入，那組成物質的分子也必然進入，所以說分子運動了）

教師演示實驗：紅墨水滴入冷熱水中——請學生解釋為什么擴散快慢不同？

學生猜想溫度不同，并上臺觸摸驗證猜想。

教師引導：如果我們用擴散現象說明分子在運動，那么剛剛的實驗又為我們表明，溫度越高，分子運動越—— （生：越劇烈）

教師介紹：科學的發現必將應用于發展，我們在生產半導體器件的時候需要在純凈的半導體材料中滲入其他元素，這一過程就可以在高溫條件下通過分子的擴散來完成。

教師：你還有沒有擴散的生活應用例子？（學生舉例鹵蛋等）

“分子在運動”這個結論的得出不難，但觀點的提出需要有證據的支持，這也是對學生“證據意識”的培養。擴散現象是宏觀的，如何由宏觀現象得到微觀粒子運動的結論，就需要學生進行邏輯推理。關于擴散現象與溫度的關系，讓學生從現象開始作假設，再實踐驗證猜想，這就是一次完整的科學探究過程。而通過實驗探究歸納總結出觀點則是“科學思維”中歸納推理的應用。科學結論的得出要服務于社會發展，讓學生在生活中找尋“溫度越高擴散現象越劇烈”的應用實例，也是科學價值的呈現，有助于培養學生的科學態度。

2.2 教學環節四：“布朗運動”實驗

2.2.1 實驗觀察

思考：你還有什么辦法可以說明分子在運動？（生：用顯微鏡直接觀察）

教師介紹：大約在200年前，英國植物學家布朗就是通過光學顯微鏡發現了一個令他無法解釋的實驗現象，轟動一時。接下來，老師為大家重現一下當時布朗的研究。

教師邊操作邊介紹實驗器材。

請學生觀察現象：你看到了什么？（PPT提示：誰？在干嘛？有什么特點？）

教師引導：看到了？

生：分子在動。

教師提問：我們使用的光學顯微鏡放大倍數為1000倍，用它能觀察到分子嗎？

生：不能。

師：為什么不能？

生：尺寸不一樣，用光學顯微鏡我們看到的是10-7 m大小的微小顆粒，分子的尺寸是10-10 m。

師：所以我們觀察到的是不是分子在動？（生：不是）

教師引導：它在怎么動？

生：無規則地動。

師：你怎么證明它們在無規則運動？（請學生在黑板上描幾個點，投影放大看）

教師進一步引導：你和科學家們想的一樣，他們也追蹤了一些顆粒，畫了這些圖樣。這些是不是顆粒的運動軌跡？（生：不是，因為中間的時刻點對應位置不一定在折線上）你能不能預測下一刻在哪？（生：不能）

生總結：微小顆粒在做無規則運動。

對于“運動”，學生在剛步入高中階段就學習了對運動的描述，所以由“觀察”直接得到分子運動，是對前期學習的簡單遷移。高中物理的學習離不開實驗，觀察能力是實驗的基礎，讓學生學會簡明扼要地描述實驗中觀察到的現象，對學生觀察能力的培養至關重要。由數據分析得到尺寸不對進而證明微小顆粒不是分子，這也是對學生證據意識、推理能力的鍛煉。而最終讓學生總結出“微小顆粒在做無規則的運動”也是實驗環節的重要步驟——歸納，從大量實驗現象中歸納總結出一般性規律是我們物理學發展的重要途徑。抓住每一次機會讓學生學會總結與反思，對學生未來發展意義深遠。

2.2.2 建模推理解釋現象

再觀察：同學們描點反映出來的顆粒的運動劇烈程度好像也不一樣？（生：小的運動更劇烈）

分析觀察結果產生的原因。

教師提問：顆粒為什么動？（外界因素排除，發現不影響）

教師提問：那你能不能解釋一下顆粒運動的無規則性？

教師提問：那你能不能解釋一下為什么大小顆粒的運動情況不同呢？

學生分組討論。

總結：通過顆粒的運動間接推理出了周圍水分子的運動。

教師提問：類比一下擴散現象，你有沒有辦法讓顆粒運動得更劇烈？（生：加熱）

教師演示：冷熱對比實驗驗證猜想。（先錄屏保留微粒未加熱前的運動情況，再和加熱后的同屏播放對比）

請學生總結：溫度越高，顆粒運動越劇烈。

這個環節的設計主要是鍛煉學生“科學推理”的能力，去找尋微小顆粒運動的本質原因。并且通過模型建構解釋“為什么越小的微粒運動越劇烈”“為什么溫度越高運動越劇烈”等由他們自己觀察發現的現象，引導學生形成建構物理模型抽象概括和推理論證的科學思維品質。讓學生通過類比遷移提出“升溫讓顆粒運動更劇烈”的辦法，也是對前面知識的調用和對“溫度影響”的進一步強化。

2.2.3 物理學史教育

教師介紹：剛剛我們的實驗其實就是重現1827年布朗的研究，他通過顯微鏡發現花粉顆粒在水中總是會發生無規則的運動，這個現象在當時無法被解釋。布朗一開始認為可能是植物花粉有生命產生的運動，于是他換成了上百年的植物標本，換成了無機物粉末，但發現即使是用沒有生命的無機物粉末，也可以看到相似的情況。布朗發現并提出這個微觀世界運動的問題在當時激起了很多科學家的探索熱情，紛紛提出了自己的猜想，建模并嘗試通過實驗佐證自己的觀點，推動了微觀世界的探索進程。包括我們所熟悉的愛因斯坦也做過定量研究，發表過相關論文，而法國物理學家佩蘭也因為定量實驗驗證了布朗運動理論而獲得諾貝爾獎。

為了紀念布朗，我們將“懸浮在液體（或氣體）中的微小顆粒永不停息地做無規則運動”稱為布朗運動。

科學推動社會發展，布朗運動現在廣泛應用于核磁共振成像、金融股票建模等領域。

這里是對物理學史的回顧，讓學生發現自己的探究路徑和科學家不謀而合，進而產生自豪感；前人因此獲得諾貝爾獎，更是激發了學生對物理學習的熱情。布朗的探究過程，也體現出了科學家鍥而不舍、嚴謹認真的科學態度。而如今，布朗運動模型在各個領域廣泛應用更是推動了社會發展，培養學生為科學進步而努力的責任意識。

3 抓住課堂總結，提升歸納能力

教師引導：圍繞著“分子運動的證據”，我們研究了擴散和布朗運動，你能否總結一下它們有哪些聯系？

生：無規則，永不停息，和溫度有關。

教師總結：這些其實就是分子運動的特點，因為和溫度有關，所以我們把分子永不停息地做無規則運動叫作熱運動。

這部分是對本堂課的總結，讓學生歸納能夠幫助他們回顧知識點和提煉重點，在過程中體會歸納對物理學習的重要性。

一節物理課可容納的核心素養提升點很多（歸納、推理、建模等），把細節設計好，讓學生在教師引導下把問題有理有據地講明白，才能真正實現物理核心素養指引下高中物理課堂中對知識教學、能力提升、素養培育的教育教學目標。

參考文獻：

［1］沈正杰.基于學科情境凸顯高中物理科學思維的問題設計——以“牛頓第二定律”教學為例［J］.物理通報，2023（8）：102-105.

［2］覃揮光.以科學思維整合高中重點物理知識的教學研究［J］.物理教學探討，2023，41（6）：7-11.

［3］趙娟娟，王慧慧.基于科學思維的高中物理教學設計——以“液體的表面張力”為例［J］.中學物理教學參考，2023，52（14）：33-35.

（欄目編輯 趙保鋼）