立足方法教育的生成性教學案例①——以“分子熱運動”為例

徐　展

(江蘇省常州市第二中學，江蘇　常州　213003)

①　本文為江蘇省教育科學十二五規劃課題“生成性教學研究”(課題編號D/2013/02/419)與“高中物理顯性科學方法教育課堂的構建研究”(課題編號B-b/2013/02/230)的研究成果之一.

立足方法教育的生成性教學案例①
——以“分子熱運動”為例

徐展

(江蘇省常州市第二中學，江蘇常州213003)

①本文為江蘇省教育科學十二五規劃課題“生成性教學研究”(課題編號D/2013/02/419)與“高中物理顯性科學方法教育課堂的構建研究”(課題編號B-b/2013/02/230)的研究成果之一.

摘要：本文以教學案例，介紹筆者立足教會學生科學方法的教育實踐，采用根據課堂中的互動狀態，及時調整教學思路和教學行為，踐行生成性教學.

關鍵詞：分子熱運動；教學案例；方法教育；生成

1引言

長期以來，物理課堂中的方法教育得不到應有的重視，教師們總傾向于按照知識內在的邏輯順序來設計教學活動.事實上，無論是在從現象中歸納得出物理知識這一知識獲取過程中，還是在由物理知識演繹解決新問題，或延伸得到新知識的應用過程中，科學方法才是核心，才是我們要學生逐步掌握的重點.

要教會學生方法，簡單采用“告訴”的方式顯然不會收到預期效果，教師采用互動對話型的教學方式，根據課堂中師生互動情況及時調整教學思路和教學行為，這種動態的教學方式將有利于學生體會、思考、運用方法，從而實現方法教育的目標.

2設計思路

從科學家看待自然現象的角度異于常人切入主題，讓學生觀察花粉顆粒的無規則運動，圍繞“看到現象，如何研究”這一中心，引導學生觀察、描述、深入研究現象，從而總結出研究自然現象的方法，最后以擴散現象為例進行方法教育.

3教學過程

3.1引入課題

第八屆江蘇省花博會在常州舉行，身為常州人，我很自豪！花在文人墨客眼中自有一番詩情畫意，而在科學家眼中卻另有一番含義.

課件展示：1827年，英國著名植物學家布朗在研究植物授粉過程中，用顯微鏡觀察懸浮于水中的花粉小微粒，看到了令他驚奇的現象，這里模擬一下當時的實驗.

3.2觀察現象、描述現象

實驗演示：紫薇花花粉微粒懸濁液切片觀察(使用數碼顯微鏡Motic BA210，物鏡40×).

師：請同學們描述現象.

生：有很多東西在動！

師：什么東西在動？

生：應該是花粉微粒.

師：在怎樣運動？

生1：往復運動.

師：仔細觀察，花粉微粒是在某一位置附近來來回回地運動嗎？

生：不是.

生2：做永不停息地無規則運動.

師：就觀察了這么一段時間，就能說永不停息嗎？僅靠肉眼觀察你怎么知道運動一定無規則呢？

生：……

師：這種運動是否永不停息，是否無規則，需要進一步研究，這里我們只能說“花粉微粒不停運動”.

師：除了“花粉微粒不停運動”，還有什么現象呢？

生：有的微粒運動得快.

師：什么微粒“快”？

生：小的微粒.

師：觀察大微粒、小微粒，誰的運動范圍大？

生：小的.

師：用怎樣一個詞描述小微粒運動的特點更確切而簡潔呢？

生：微粒越小，運動越明顯.

3.3實驗研究花粉微粒的運動

師：設想你就是1827年的布朗，當你觀察到這個現象，你準備怎樣研究這一現象？

生：分析花粉微粒的受力.

師：很好！牛頓定律沒有白學.這是從已有知識出發進行理論研究，但花粉微粒受力比以前我們研究的要復雜許多，你的知識儲備并不足以進行這種理論研究，就像1827年的布朗一樣.

師：理論研究不行，我們可以……

生：實驗研究.

師：你準備進行怎樣的實驗研究呢？

生：找個放大倍數更大些的顯微鏡來觀察.

師：好！

實驗演示：紫薇花花粉微粒懸濁液切片觀察(使用數碼顯微鏡Motic BA210，物鏡100×).

生1：看得更清晰了.

生2：的確不是往復運動.

生3：微粒越小，運動的確越明顯.

師：還能進行怎樣的實驗研究呢？猜猜這種運動與什么因素有關？

生：溫度.

師：猜想與溫度有什么關系？

生：溫度高，運動快.

師：如何驗證你的猜想？

生：加熱！

實驗演示：加熱懸濁液后再觀察.

生：溫度越高，微粒運動越快.

師：明顯這個詞更確切.

師：回顧剛才我們的這一段實驗研究的研究方法，是先怎樣，再怎樣？

生：先猜想，再驗證.

師：的確，實驗研究一類現象往往按先猜想后驗證，再猜想，再驗證的順序.

師：那么下面我們還可以作哪些猜想呢？

生：猜想這種運動與磁場、電場有關.

師：猜想后呢？

生：用磁鐵或者帶電體靠近，看花粉微粒的運動有什么變化.

師：這些實驗同學們可以課后到實驗室去完成.

師：最初讓同學們描述現象的時候，有同學說“無規則運動”，那也都是猜想，那么你可以設計怎樣的實驗來驗證呢？

生：用方格紙描軌跡.

師：你這個想法太棒了！一個世紀前的一次科學會議上，一個叫肖塞格的學生報告了一種觀測微粒運動的方法：用照相機映畫器將微粒的位置顯示在紙面上，跟蹤一個顆粒，每隔半分鐘標一次位置.我仿照這種方法在方格紙上繪制得到了三個微粒的這種圖像(如圖1).

圖1　顯微鏡下三顆大小不同微粒運動位置的連線(切片傾斜)

師：這是三個微粒的軌跡圖嗎？

生：不是.

師：應該是位置連線.從位置連線圖中我們能說微粒做無規則運動嗎？

生：不能，偏向一邊.

師：后來發現這是切片放置稍有傾斜所致，將切片水平放置得另一張圖(如圖2).

圖2　顯微鏡下三顆大小不同微粒運動位置的連線(切片水平)

師：恐怕據此圖說明微粒的運動無規則底氣更足.這里的三個位置連線圖是大中小三種微粒的，據圖說“微粒越小，運動越明顯”也更有說服力.

師：那么“永不停息”這一猜想如何驗證呢？

生：放置一段時間再觀察是否還有這種運動.

師：放置多久？

生：幾天，幾個月，更長……

師：很好！

師：有沒有思考過這種永不停息無規則運動的產生原因呢？

生：是不是因為花粉是活的？

師：在采集花粉的時候，我看到過混雜在花粉顆粒中極小的蟲子，由此很容易讓人產生“這種無規則運動是生命活動”的想法，進化論提出者達爾文也這么認為.那你設計一個實驗驗證一下.

生：殺死花粉，比如燒.

師：燒可能引起花粉微粒較大的變化，比如變成焦炭了，盡量不要用這種方法.但這種進行滅活處理的思路是正確的.當年布朗先生利用其植物學家的便利，用標本室里放置了上百年的花粉標本制作懸濁液切片觀察.

師：那么除了對花粉進行滅活處理外，你還能設計怎樣的實驗來驗證呢？花粉可能是活的，是否可以用其它肯定不是活的微粒制成懸濁液切片也能觀察到這種運動呢？

生1：用粉筆灰.

生2：用碾碎的石塊.

師：很好！

實驗演示：藤黃顏料配制的懸濁液切片觀察.

師：當年布朗先生用存放百年以上的花粉標本、碾碎的窗玻璃、無機礦物、雕像碎片等做成懸濁液切片觀察，結果都發現了這種運動.這樣自然會產生一個疑問：用什么樣的微粒能觀察到這種無規則運動？

生：不能太大，不能太小.

師：多大呢？

生1：(在顯微鏡觀察到的圖中)量一下微粒的大小.

生2：據放大倍率算一下.

師：先量后算.很好！由于時間關系我們不演示，而是做個直觀的對比實驗.

演示實驗：顆粒與頭發絲對比實驗(如圖3).

圖3　以頭發絲為背景的布朗粒子

師：頭發絲直徑大約是0.1毫米數量級的，據此估算微粒大小的數量級.

生：微粒的尺寸大約是頭發絲的百分之一，因此微粒大小的數量級大約是10-6米.

師：現在你認為用什么樣的微粒能觀察到這種無規則運動？

生：用大小為10-6米數量級的微粒能觀察到這種運動.

師：你覺得用10-6米數量級的鐵屑微粒也能觀察到這種運動嗎？

生：不可以.

生：用大小為10-6米數量級、能懸浮在液體中的微粒，能觀察到這種運動.

師：這也只是猜想，同學們可以發揮想象力，自己去尋找微粒，制作懸濁液切片進行更為廣泛的實驗驗證.

課件展示：布朗在1828年的兩篇論文中基本涵蓋了剛才討論的內容，后人把這種懸浮在液體中大小為10-6米數量級微粒的無規則運動稱為布朗運動.

3.4布朗運動產生的原因

師：既然這種運動與生命活動無關，那么產生原因到底是什么呢？布朗本人認為布朗運動就是分子運動，你認為呢？

生：不對.

師：這也是你的猜想，如何驗證？

生：用實驗.

師：只有用實驗才能驗證？換句話說，除了實驗研究外，還有其他研究方法嗎？

生：前一節學過分子直徑的數量級是10-10米，做布朗運動的微粒才10-6米數量級.

師：很好！看來，以同學們目前的知識儲備已經能夠從已有結論角度去分析，推斷得布朗運動不是分子運動了.的確，檢驗猜想可以從現有理論推斷、實驗驗證兩個角度進行.

課件展示：19世紀的一位物理學教授提出：布朗運動是液體從照明光線中吸熱，使液體流動而使微粒移動所致.這也是個猜想，你準備如何驗證？

生：在無光照條件下觀察.

師：沒有照明顯微鏡是不能工作的.當無法通過減小某因素的方法檢驗該因素是否影響實驗時，我們可以……

生：增大這一因素.

師：如何增大？

生：增大照明光線的光強，看布朗運動是否有變化！

師：這個設計很好！同學們可以課后到實驗室嘗試.

課件展示：1904年，法國著名物理學家彭加萊指出：1μm的微粒受液體分子各向撞擊不平衡是布朗運動的產生原因.

師：彭加萊的解釋也是猜想，有待驗證的猜想，這個驗證工作由著名理論物理學家愛因斯坦和實驗物理學家佩蘭共同完成.

課件展示：愛因斯坦、佩蘭對布朗運動的研究.

師：理論大師與實驗大師強強聯手，果真“無堅不摧”.

3.5擴散現象再研究

實驗演示：切開幾只在醬油中浸了幾小時、2天、4天的三個熟雞蛋.

師：這是什么現象？

生：擴散.

師：你準備怎樣研究擴散現象？

生：猜想、驗證.

師：如何驗證？

生：運用理論或者實驗.

師：猜想可以有哪些方面？

生：探究影響擴散運動的內部因素、外部因素，解釋產生原因等.

3.6小結

自然現象無處不在，以藝術的眼光去發掘能陶冶我們的情操，以生活的眼光看待能使我們享受平凡的生活，而你從科學的角度去探索則能提升我們的科學素養.

今天花博會的召開使身為常州人的我們倍感自豪，希望明天常州能因為具有你們這些高素養的市民而驕傲，更希望你們能象布朗、愛因斯坦等科學家一樣，因深入研究自然現象而名垂青史.

4課后反思

在本節課中，教師將課堂核心放在“看到現象，如何研究”這一問題上，力圖讓學生體會、思考，并運用探究自然現象的方法.在教學實施過程中努力與學生以平等關系、開放心態交流思想，讓學生在教師幫助下體驗研究自然現象的過程.對于筆者而言，這是一次全新的嘗試，經過若干次課堂實踐后，有兩點感受與大家分享.

4.1適度預設，才能有效推進課堂

生成性教學不能被學生“牽著鼻子走”！某次課堂上筆者讓學生“設計實驗證明布朗運動不是生命活動”，一位學生提出事先將花粉燒一下的方法，筆者沒有加以引導，結果學生都往如何殺死花粉方面去考慮，在這個問題上浪費了許多寶貴的課堂時間.反思后決定將預設的問題改為“是否只有花粉微粒才有這種現象呢？同學們設想如果你來做這個實驗，還會用什么東西制作切片來觀察？”這樣可以減少學生回答太過發散、課堂難以駕控的麻煩.

但最終筆者還是沒有修改問題，因為“布朗運動是不是生命活動”，是研究花粉微粒無規則運動這一自然現象過程中必然會產生的問題，“如何驗證該運動與生命活動無關”也是必定要經歷的思考.與其在課堂上回避不如課前多設想學生可能的回答，思考引導的具體方法.由此可見，設計教學時既不能預設過多，限定學生思維，又不能預設不足，使課堂難以駕控，預設要適度.

4.2形成常態，才能真正促進發展

無論是生成性教學還是方法教育，高中生都比較陌生.長期以來學生適應了立足“考點”的應試型課堂教學，適應了教師講、學生聽的教學方式，突然在某次課堂上教師將“學會如何研究自然現象”作為課堂核心目標，以師生對話作為主要教學手段，學生真有點不適應.

唯有常態化，把方法教育、生成性教學的理念融入每節課中，才能逐漸展現出傳統教學無法比擬的優勢，真正促進學生的發展.