基于滲透科學(xué)探究素養(yǎng)的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)
——以人教版選修3-3“液體”為例

王永強(qiáng) 王娟娟

(甘肅省舟曲縣第一中學(xué) 甘肅 甘南 746300)

高中物理核心素養(yǎng)由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個要素構(gòu)成．科學(xué)探究是基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估和反思的能力．本文根據(jù)上述6個環(huán)節(jié)，結(jié)合筆者的教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)撰寫了“液體”的教學(xué)設(shè)計(jì)．

1 教材分析

“液體”是高中物理人教版選修 3-3 第九章第二節(jié)的內(nèi)容．本節(jié)內(nèi)容是“分子動理論”的具體應(yīng)用．從生活現(xiàn)象葉面上的露珠、水銀滴切入，然后通過實(shí)驗(yàn)觀察液體表面的收縮現(xiàn)象，從而引發(fā)學(xué)生的思考，再從分子動理論的觀點(diǎn)來分析液體的微觀結(jié)構(gòu)，解釋液體表面張力產(chǎn)生的原因．同樣，從觀察浸潤與不浸潤現(xiàn)象，認(rèn)識附著層分子之間的微觀特性及產(chǎn)生的原因．毛細(xì)現(xiàn)象正是對浸潤和不浸潤的應(yīng)用．近年來液晶在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用，讓學(xué)生了解液晶的特點(diǎn)和應(yīng)用，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣．

2 學(xué)情分析

高二理科學(xué)生已經(jīng)具備了一定的分子動理論知識，具有觀察和基本的綜合分析能力．但學(xué)生對生活中的物理現(xiàn)象缺乏深入的思考，不了解現(xiàn)象背后的本質(zhì)，學(xué)生需要教師幫助分析表面層和附著層的微觀結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)．

3 教學(xué)目標(biāo)

3.1 物理觀念

(1)了解液體的微觀結(jié)構(gòu)及特點(diǎn).

(2)知道液體的表面有張力，了解毛細(xì)現(xiàn)象.

3.2 科學(xué)思維

用對比的方法理解液體的微觀結(jié)構(gòu).

3.3 科學(xué)探究

(1)通過探究實(shí)驗(yàn)，觀察液體的表面張力現(xiàn)象，交流討論生活中表面張力現(xiàn)象的實(shí)例.

(2)通過探究實(shí)驗(yàn)，觀察浸潤和不浸潤現(xiàn)象，交流浸潤和不浸潤現(xiàn)象的實(shí)例.

3.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

(1)通過閱讀教材、查閱資料，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、自主學(xué)習(xí)的能力.

(2)認(rèn)識生活中一些有趣的現(xiàn)象，在嘗試解釋這些現(xiàn)象的過程中培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，用物理知識解釋生活的觀念．

4 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

重點(diǎn)：液體表面張力現(xiàn)象．

難點(diǎn)：液體表面張力形成的原因、浸潤和不浸潤的微觀分析．

5 教學(xué)方法

觀察法、閱讀法、實(shí)驗(yàn)法、討論法和講解法．

6 教學(xué)過程

演示實(shí)驗(yàn)引入：將一塊實(shí)心鋁片放入水中，大家想一想鋁片會沉入水底還是會漂浮在水面上？斜放進(jìn)去沉底了，說明這塊鋁片的密度確實(shí)比水大．但是今天老師要借助一種神秘的力量讓它漂浮在水面上，請大家仔細(xì)觀察(水平輕輕靠近水面后放開，鋁片漂浮在了水面上)．

這種神秘的力量到底是什么呢？帶著這個疑問我們來學(xué)習(xí)今天的內(nèi)容．

設(shè)計(jì)意圖：激發(fā)學(xué)生的好奇心和興趣．

板書：9.2 液體

師：前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了固體和氣體的一些特點(diǎn)，相比固體和氣體，液體又有什么特點(diǎn)呢？請同學(xué)們仔細(xì)閱讀課本37頁前3段的內(nèi)容，完成導(dǎo)學(xué)案的任務(wù)一.

(1)液體有一定的體積，和氣體相比______(不易、易)被壓縮；

(2)液體分子間距比氣體分子間距______(大、小)很多；

(3)液體具有______性，擴(kuò)散速度比固體______．

板書：液體的微觀結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

設(shè)計(jì)意圖：通過閱讀教材，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、自主學(xué)習(xí)的能力．

師：在知道了這些特點(diǎn)后，我們現(xiàn)場做一個關(guān)于液體的游戲，吹泡泡．吹的同時(shí)觀察它的形狀.

科學(xué)探究的第一環(huán)節(jié)：基于觀察提出物理問題

為什么泡泡總是呈球形的呢？請你們小組內(nèi)討論一下．

啟示：用扎頭發(fā)的收縮圈從任意形狀收縮到圓形做類比．

第二環(huán)節(jié)：猜想和假設(shè)

液體薄膜可能有收縮趨勢．

是不是收縮趨勢呢？請你們按照導(dǎo)學(xué)案上任務(wù)二的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．

第三環(huán)節(jié)：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案

驗(yàn)證液體薄膜是否具有收縮趨勢．

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)一：

(1)把系有棉線的鐵環(huán)浸入肥皂水后取出；

(2)用打火機(jī)將針燒熱后，刺破棉線某一側(cè)的薄膜，觀察薄膜面積的變化，如圖1所示．

圖1 鐵環(huán)內(nèi)的薄膜

第四環(huán)節(jié)：獲取和處理信息

面積變小，說明液體薄膜確實(shí)有收縮的趨勢．

液體薄膜的收縮與液體表面的結(jié)構(gòu)是有密切關(guān)系的．

第五環(huán)節(jié)：基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋

在液體內(nèi)部，分子間的距離約等于平衡距離r0．如圖2所示，當(dāng)液體和氣體接觸時(shí)，會形成一個薄薄的表面層，表面層由于蒸發(fā)分子比較稀疏，分子間距離r>r0,分子間作用表現(xiàn)為引力，使液面具有收縮、繃緊的趨勢(用拉伸的橡皮條做類比)，把液體表面的這種力叫做表面張力．

圖2 液體表面微觀圖

知道了表面張力后，我們來看兩個有趣的現(xiàn)象．

觀看圖片和視頻：你們能解釋葉面上的露珠和水銀滴呈球形的原因嗎？

啟示：液滴表面張力的作用使液面有收縮趨勢．在體積相同的各種形狀中，球體表面積最小，故表面張力要使液滴收縮成球形．(露珠和水銀滴在重力和表面張力的共同作用下接近于球形．)

聯(lián)系生活：一種學(xué)名叫水黽的昆蟲可以在水面上自由行走，但不會沉入水中，這又是為什么呢？

分組討論：學(xué)生代表分享討論結(jié)果．

啟示：水面由于表面張力的作用會繃緊，對水黽的腳提供向上的支持力．所以水黽不會沉入水中．

揭開謎底：揭開課前演示實(shí)驗(yàn)中神秘力量的面紗，對所學(xué)知識遷移運(yùn)用．

上課前的實(shí)驗(yàn)中鋁片能漂浮在水面上，現(xiàn)在知道原因了嗎？

第六環(huán)節(jié)：對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估和反思

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：任務(wù)三，親自感受液體的表面張力(神秘力量情境再現(xiàn))．

(1)把一分錢硬幣水平拿著靠近水面，當(dāng)下表面剛剛和水面接觸時(shí)小心地放開；

(2)再放一個試試．(如果硬幣不小心掉水里了，取出后擦掉水，再次實(shí)驗(yàn))

你們感受到這種神秘的力量了嗎？

過渡：通過剛才的學(xué)習(xí)我們知道了液體跟氣體接觸時(shí)，表面層有收縮的趨勢，那么在液體和固體接觸時(shí)，又會出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？我們來試試看．

演示實(shí)驗(yàn)：請兩名學(xué)生上來協(xié)助演示．(投屏或拍照展示給所有學(xué)生觀察)

將水分別滴在玻璃和石蠟上，傾斜后觀察現(xiàn)象．

總結(jié)：水滴在玻璃上有擴(kuò)展、漫延的趨勢；滴在石蠟上有收縮、滾動的趨勢．

講解：液體會潤濕固體并附著在固體表面上，這種現(xiàn)象叫做浸潤．

液體不潤濕固體，也就不會附著在固體表面上的現(xiàn)象叫做不浸潤．

板書：浸潤、不浸潤

科學(xué)探究的第一環(huán)節(jié)：基于觀察提出物理問題

將水分別滴在玻璃和石蠟上，傾斜后觀察現(xiàn)象，水對玻璃是浸潤的，水對石蠟是不浸潤的．浸潤和不浸潤與什么有關(guān)？

第二環(huán)節(jié)：猜想和假設(shè)

浸潤和不浸潤可能跟液體、固體都有關(guān)系．

第三環(huán)節(jié)：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案

實(shí)驗(yàn)：將水分別滴在玻璃和石蠟上，傾斜后觀察現(xiàn)象．

展示：量筒中的水面、血壓計(jì)中的水銀柱面．

第四環(huán)節(jié)：獲取和處理信息

水對玻璃是浸潤的，水對石蠟是不浸潤的．

水對玻璃是浸潤的，水銀對玻璃是不浸潤的．

結(jié)論：浸潤和不浸潤跟液體、固體都有關(guān)．

那么是什么原因使固液接觸時(shí)產(chǎn)生浸潤和不浸潤現(xiàn)象的呢？

第五環(huán)節(jié)：基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋

如圖3所示，當(dāng)液體和固體接觸時(shí)存在一個附著層(板書)，附著層內(nèi)的分子既受固體的作用，又受液體的作用．

圖3 固液接觸示意圖

若固體分子對附著層內(nèi)的分子吸引力比液體A大，則附著層內(nèi)的分子比較密集，r

若固體對附著層內(nèi)的分子吸引力比液體B小，則附著層內(nèi)的分子比較稀疏r>r0，表現(xiàn)為引力，有收縮趨勢，這樣的液體和固體之間表現(xiàn)為不浸潤．

第六環(huán)節(jié)：對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估和反思

浸潤：純棉毛巾易吸水，醫(yī)用脫脂棉可以蘸取碘伏消毒．

不浸潤：游禽用嘴把油脂涂到羽毛上，使水不能浸潤羽毛．

例題：(多選)把玻璃細(xì)管插入水或水銀中,下列圖像正確的是( )

總結(jié)：像這樣，浸潤液體在細(xì)管中上升的現(xiàn)象和不浸潤液體在細(xì)管中下降的現(xiàn)象叫毛細(xì)現(xiàn)象．

板書：毛細(xì)現(xiàn)象

演示實(shí)驗(yàn)：我們現(xiàn)場來看一下毛細(xì)現(xiàn)象．在毛細(xì)現(xiàn)象演示儀中加入紅墨水(投屏或拍照展示).讓學(xué)生觀察液面的上升情況及特點(diǎn).

學(xué)生觀察后總結(jié)：毛細(xì)管內(nèi)徑越小，高度差越大．

設(shè)計(jì)意圖：展示酒精燈和松土的圖片，讓學(xué)生嘗試用理論解釋生活中的實(shí)際現(xiàn)象．

過渡：還有一些化合物，像液體一樣具有流動性，而光學(xué)性質(zhì)又像晶體一樣具有各向異性，這樣的化合物叫做液晶．從微觀結(jié)構(gòu)來看，液晶分子沒有固定的平衡位置，像液體．但分子排列有序，像晶體．利用電壓對液晶的影響，可以制作顯示元件．所以，液晶的特性決定了它在顯示技術(shù)、電子工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等多方面都有廣泛的應(yīng)用．

7 課堂小結(jié)

按板書上的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行小結(jié)．

8 課后作業(yè)設(shè)計(jì)

任務(wù)四：查閱有關(guān)液晶的資料，學(xué)生之間相互交流液晶顯示器是如何工作的？

設(shè)計(jì)意圖：通過查閱資料，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、自主學(xué)習(xí)以及交流能力．

9 板書設(shè)計(jì)

板書設(shè)計(jì)如圖4所示.

圖4 板書設(shè)計(jì)

10 課后反思

本節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容是探究表面張力現(xiàn)象和浸潤、不浸潤現(xiàn)象，故在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)占用的篇幅較大．在授課時(shí)，要緊緊圍繞科學(xué)探究的6個環(huán)節(jié)讓學(xué)生對兩類現(xiàn)象進(jìn)行小組自主探究，雖然個別組由于種種原因，實(shí)驗(yàn)效果不太理想，教師在巡視時(shí)要及時(shí)指導(dǎo)并指出原因，盡可能地讓各小組通過合作、討論得到基本的結(jié)論，并對表面張力形成的原因嘗試解釋．對于“液體的微觀結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)”這部分內(nèi)容，讓學(xué)生自主閱讀是非常有效的，以后可以更多地嘗試運(yùn)用閱讀法．在最后的毛細(xì)現(xiàn)象中，對于毛細(xì)現(xiàn)象的特點(diǎn)只做了定性的描述，由于難度較大，沒有分析液面上升或下降的原因．