重視實驗探究強化理解能力逐步培養核心素養
——以布朗運動教學片段為例

徐 慧 周遠宏

(南京師范大學附屬中學 江蘇 南京 210003)

1 高考對布朗運動這部分知識內容的考查要求

高考物理學科考查的能力主要包括理解能力、推理能力、分析綜合能力、應用數學處理問題的能力和實驗與探究能力5種能力，它們之間不是孤立的，是相互聯系、相互滲透的．對“布朗運動”這部分知識內容要求的掌握程度為Ⅰ，即基本要求：對所列知識要理解其內容及含義，并能在有關問題中識別和直接使用．重在考查學生的理解能力，理解能力是指理解物理概念、物理規律的確切含義，能清楚地認識概念和規律的表達形式，能夠鑒別關于概念和規律的似是而非的說法，理解相關知識的區別和聯系．理解物理規律的適用條件，并能應用于簡單的實際物理問題的解決中．

2 物理學科核心素養

“核心素養”是指學生在接受教育的過程中，逐步形成的適應個人終身發展的必備品格，也是適應社會發展需要的關鍵能力．物理學科核心素養要素包括基本物理觀念、基本物理思維、實驗探究能力和科學精神與態度．這就要求在物理教學實踐中，不僅重視學生知識的掌握，更應該重視學生的思維過程、探究過程．教師通過適當的手段或途徑引出問題，使學生自己探索、通過觀察想象、尋求證據，進行合理的分析和推理，思考并解決問題，使學生可以通過交流合作完成科學探究．在探究中完成模型構建，科學推理，并進行科學論證，培養學生的科學思維．使學生樹立正確的科學態度，了解科學的本質，具備基本的實驗探究能力，逐漸形成良好的物理思維能力．本文以“布朗運動”部分教學為例，以學生自主探究為主，既達到了教學目的，又提高了學生的實驗探究能力和邏輯推理能力，與物理核心素養的培養目標不期而合．

3 布朗運動部分的教學

人們的認知總是從簡單到復雜，從現象到本質，因此我們設計思路是首先觀察到布朗運動的實驗現象，激起學生的疑問．

3.1 介紹布朗的實驗

1827年，英國植物學家布朗研究植物授粉行為時，用顯微鏡觀察懸浮在水中的花粉微粒，驚奇地發現一些“小微粒”在不停地做運動．布朗開始以為是有生命的物體在動，他嘗試了各種微粒，把花粉煮熟后晾干，再制成溶液；用上百年以上的植物標本制成溶液；用無機物碳粉制成溶液等，都發現了有一些“小微粒”在運動．由此引起了世界物理學家的關注．

3.2 還原布朗的實驗

為了便于觀察，學生分組實驗采用了帶顯示屏的光學顯微鏡，如圖1所示．上面帶有數字目鏡，可以直接從屏幕上看到顯微鏡目鏡觀察到的實驗現象，清晰直觀．教師同步演示實驗，也采用帶有數字目鏡的光學顯微鏡，不過這個數字目鏡直接將目鏡觀察到的實驗現象顯示到電腦屏幕，可以通過投影儀投到大屏幕．通過生物顯微圖像分析軟件Motic Images Plus 2.0(圖2)，還可以以圖片或者視頻的形式，直接記錄數字目鏡觀察到的實驗現象．

圖1 帶顯示屏的光學顯微鏡

圖2 生物顯微鏡圖像分析軟件

實驗1：制備無機物顏料和水的懸濁液，滴一滴到載玻片上，通過顯微鏡觀察實驗．有什么疑問？

學生討論，總結學生的疑問，主要為以下幾類：

(1)是什么在運動？

(2)在做什么樣的運動？

(3)為什么做這樣的運動？

(4)這種運動與哪些因素有關？

……

依次解決上述問題．

探究1:是什么在運動？

人眼的分辨率是10-4m，而光學顯微鏡放大倍數18×40=720倍，因此我們通過顯微鏡觀察到的運動小微粒的數量級是10-6m，而分子的數量級是10-10m．顯然運動微粒是由大量分子組成的分子團，而溶液中除了水分子就是懸浮的顏料微粒，因此運動的微粒是“懸浮的固體微粒”．

探究2:在做什么樣的運動？

為了尋找小顆粒的運動規律，現場用生物顯微圖像分析軟件Motic Images Plus 2.0錄制一段顯微鏡觀察到的實驗現象，用物理追蹤軟件Tracker(圖3)打開錄制的視頻，如圖4所示．物理追蹤軟件Tracker是美國物理專業學生和教師專用研究軟件，可以直接記錄物體運動狀況，也可以研究運動規律．為了便于觀察記錄，對局部區域可以放大，如圖5所示．Tracker軟件能夠實時準確記錄物體不同時刻的位置，也可以分析物體的位置、速度、加速度的變化情況．

圖3 物理追蹤軟件Tracker

圖4 用Tracker打開視頻

圖5 視頻局部放大

選擇其中任意一個小顆粒進行研究，選擇創建質點或者質心(圖6)，會出現圖7所示的對話框.

圖6 創建質點或質心

圖7 對所選對象進行設置

在圖7所示的對話框中可以自行選擇每隔多少幀記錄一次所選對象的位置，也可以選擇自動記錄還是手動記錄，一般由于運動比較劇烈，手動搜索比較準確．可以以折線形式標記位置，也可以對記錄的位置進行序號標記，還可以記錄研究對象的位移-時間圖像、速度-時間圖像，以及加速度變化情況，功能較多，不詳細贅述．

記錄下不同時刻小微粒的位置，每隔10幀記錄一次，如圖8所示

圖8 記錄不同時刻小微粒的位置

記錄任意不同的小顆粒的運動情況，分別如圖9所示.

圖9 3種不同小顆粒的運動情況

引導學生思考：

(1)折線是“小微粒”的軌跡嗎？

學生交流得出結論：不是軌跡，是不同時刻的位置，因為每隔10幀記錄一次．

(2)小顆粒在做什么樣的運動？

學生觀察得出結論：看起來雜亂無章、無規則的運動．

觀察實驗現象，發現小顆粒一直在運動，布朗一直觀察一個多月，花粉顆粒并沒有停下來，直到溶液干涸．

實驗2：將無機物顏料和水的懸濁液滴入載玻片，晾曬一個星期以上，通過顯微鏡觀察顏料溶液干涸后的載玻片，觀察實驗現象．

可以看到只要溶液不干涸，這種運動就不會停止，溶液干涸后所有小微粒靜止不動．為了紀念布朗，把這種懸浮微粒永不停息的無規則運動叫做布朗運動．

探究3:為什么做這樣的運動？

實驗3：在顏料溶液干涸后的載玻片上，滴入蒸餾水，蓋上蓋玻片，再次通過顯微鏡觀察實驗現象．

觀察到少數微粒開始繼續做無規則的運動，隨著時間的推移，無規則運動的微粒越來越多．由此得出液體分子是運動的關鍵．讓學生嘗試分析具體原因．

師生共同討論，得出布朗運動的本質原因：液體分子永不停息地做無規則運動，懸浮微粒受到周圍液體分子的撞擊作用，顆粒足夠小時，撞擊作用的不平衡性明顯，引起了顆粒的無規則運動．因此布朗運動間接反映了液體分子的無規則運動．

探究4:這種運動與哪些因素有關？

實驗4：通過顯微鏡觀察，不同溫度下的顏料溶液，有什么實驗現象．繼續觀察同一溫度下，不同顆粒的運動情況．

實驗現象：溫度越高，運動越劇烈；顆粒越小，運動越劇烈．

學生嘗試分析原因：顆粒小, 瞬間與微粒撞擊的分子數越少, 撞擊作用的不平衡性越明顯, 布朗運動越明顯．溫度高，液體分子運動越激烈，對布朗微粒撞擊頻率和強度越高，布朗運動越明顯．

思考：由布朗運動的原因拓展開去，在液體中可以觀察到布朗運動，在固體或者氣體能否觀察到布朗運動？

布朗運動不僅能在液體中發生，在氣體中也能發生，在固體中不能發生！

3.3 物理學史回顧布朗運動的研究歷程

(1)1827年，英國植物學家布朗(圖12)觀察到懸浮在水中的花粉微粒在做無規則運動．

圖12 布朗

(2)1905年，愛因斯坦(圖13)發表論文《熱分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動》，從能量均分定理出發，得出了布朗運動的完整理論．

圖13 愛因斯坦

(3)1908年，佩蘭(圖14)和斯維德伯格(圖15)完成了布朗運動的定量實驗，從布朗運動實驗現象的發現，到布朗運動嚴格的理論論證和實驗上的驗證，歷時近100年．

圖14 佩蘭

圖15 斯維德伯格

擴散現象和布朗運動都表明：溫度越高，分子的無規則運動越激烈．我們把分子永不停息的無規則運動稱為分子的熱運動．

拓展思考：能否設計一個實驗，觀察到氣體中的布朗運動，并設計具體方案．(利用光的衍射，觀察氣體中的布朗運動)

通過人類認識事物的特點，由表及里、深入淺出地通過4個實驗全面深刻地了解布朗運動．放棄以往用動畫演示布朗運動的無規則性，直接用物理追蹤軟件追蹤軌跡，直接實事求是，用實證支持觀點，體現物理的科學態度．在教學中也將核心素養的教育滲透其中，達到潤物無聲的效果．