基于學習進階理論的智慧課堂建構
——以“物體是由大量分子組成的”課堂教學為例

2021-01-13 00:48:14吳必龍

物理教師 2020年12期

吳必龍

(江蘇省蘇州第一中學校，江蘇蘇州 215006)

“物體是由大量分子組成的”一節是學生用微觀的方法研究物質世界的開始,是分子動理論的基礎.學生對分子的認識,是學習分子熱運動知識的基礎.油膜法估測分子的大小,通過動手實驗,利用宏觀量的測定,求出微觀量的大小.

這節課體現了重要的物理思想和方法,在物理課中是頗具代表性的,其物理思想是豐富的.在“學習進階理論”指導下建構智慧課堂,加強物理實驗和科學探究,把物和理緊密結合起來,關注科學概念和內涵的理解,關注學生的理解,尊重學生的感受,關注學生的自主活動和交流.

1 感受分子,啟迪智慧

學生在學習這部分知識之前,對分子缺少感性認識,教師先展示空間尺度比較的圖片,讓學生感知分子的大小.從浩瀚的宇宙到微觀的粒子,世界由物質構成,物質具有無限可分性.物理學的研究對象從宏觀到微觀,大到宇宙天體,小到原子核、質子、中子和夸克等,這些都充分證明了世界的物質性.

課本是先估測大小,再討論物質是由大量分子組成的,邏輯性強,但是,先做實驗,由于操作比較難,在困難的情況下得到數據,再討論物質是由大量分子組成的,感覺有點頭重腳輕.

我們不是從教材或從教師的假想問題出發,而是從學生的實際出發,從學生的原有的知識基礎、認識水平和思維能力找到教學的原始起點,所以,根據學習進階理論,把握“最近發展區”,加速學生的發展.學習進階圖示(如圖1).

(1) 觀看圖片,感受分子的“實”,即物質性.教師先展示空間尺度比較的圖片,讓學生感知分子的大小,從浩瀚的宇宙到微觀的粒子,世界由物質構成,物質具有無限可分性.物理學的研究對象從宏觀到微觀,大到宇宙天體,小到原子核、質子、中子和夸克等,這些都充分證明了世界的物質性.

圖1

(2) 模型類比,感受分子的“小”.用這種方法,讓學生感受分子很小.分子放大至網球這么大,相當于將網球放大至地球大小.充分說明了分子的空間尺度,為學生感知分子鋪設了道路.

(3) 數量計算,感受分子的“多”.分子究竟有多小呢?可以從分子數量來感受,依據學生學過的化學知識——阿伏加德羅常數,提出問題:喝一口水喝掉了多少分子?再算全世界每人每秒鐘數一個分子,要數多少時間?一滴水卻含有如此之大數量的分子,可以想象分子有多小.通過這個實例使學生初步了解我們現在研究的是極小的分子.

2 認識分子,生長智慧

適度對接科技前沿,激發求知欲,讓學生“認識”分子的大小.

人們長久以來一直沒有停下對微觀世界的探索,對于分子大小的研究也可以用直接測量的方法,如果能把分子放大到幾千萬倍甚至幾億倍就能看得到了.這就要求科學家們不斷地改進測量工具,掃描隧道顯微鏡的問世(如圖2),使人類第一次觀察到原子的排列.

通過投影葉子在放大不同倍數情況下的圖片(如圖3),讓學生體會組成物質的分子是很小的,不但用肉眼不能直接看到它們,就是用光學顯微鏡也看不到它們.

圖3

掃描隧道顯微鏡不僅可以觀察物體表面原子,還可以進行操作,把原子進行重新排列(如圖4、5).

圖4 溴原子圍成一圈

通過儀器直觀地“看”到分子,讓學生進一步感覺到分子的真實存在,這是探索微觀世界的一種直接方法,但是,對于工具的要求是非常高的.

3 研究分子,生成智慧

用高科技手段當然很方便,但是,今天我們不用這些“洋辦法”,只用“土辦法”來研究分子的大小,沿著前人的足跡,來了解和感知微觀世界.

在沒有先進儀器的情況下,我們該如何去估測它的大小呢?學習進階如圖6.

圖6

(1) 轉變測量思路.

通過轉變思維,尋找方法,解決問題.

初中時,用什么方法測量一個較小的物理量呢?例如,如何用實驗室的彈簧秤測出一顆小螺帽的重力,如何用刻度尺來測量一張紙的厚度?

通過測較大量求較小量,我們也可以通過測宏觀量求得微觀量.

(2) 尋找測量方法.

現有一堆綠豆如圖7,要求粗略測出一顆綠豆的直徑.提供的器材有:透明帶方格塑料板(每方格的邊長為1 cm)、記號筆;試簡要給出測量原理和計算公式.

圖7

圖8

圖9

(3) 構建理想模型.

做測綠豆的直徑實驗,有利于深化學生對微觀世界的認識,提高學生的實驗技能、技巧,可以充分利用這一教學資源,引導學生大膽設想,提出各種實驗方案,篩選出最佳方案,理清實驗的設計思想,把握住關鍵步驟進行實驗探究,收集實驗數據,得出實驗結論.讓學生在學習物理知識與技能的同時,提高科學探究的能力.實際上,分子(原子)并不是一個個的小球,可以通過照片來說明,這里,把分子看做小球,是對分子建立的一種簡化模型,是人們根據研究的問題建立的.

4 測量分子,碰撞智慧

用單分子油膜法測定分子大小的原理,理解和學會用單分子油膜法估算分子大小(直徑)的方法是本節的重點與難點.有利于激發學生愛科學、講科學、用科學的熱情,讓學生在活動中體驗學習、創造、動手、動腦的樂趣,從而培養學生的創新精神和實踐能力.

測油酸分子直徑中,學生會遇到的3個問題: (1) 怎樣去測量它的直徑?(2) 為什么用油酸這一材料?(3) 怎樣更好地去測量它的直徑?

實驗中,更重要的是如何把握它的物理思想,讓學生實驗得出結果,用宏觀量測微觀量,讓學生在實驗中不僅知道怎樣做,還讓學生知道為什么這樣做,學生在交流過程中積極性很高,盡管結果實驗誤差較大,但是,更重要的是方法.

油膜法測分子直徑是早期測定分子大小的方法,是高中階段學生第一次利用對宏觀量的測定求出微觀量大小的實驗.選擇油酸是由于其特性決定的,氣體的流動性太大,固體的分子結合得太緊,想控制它們的行為實在很難,用液體來研究是一個不錯的選擇,油酸分子的特性為用油膜法測分子直徑奠定了基礎.油酸在常溫下為液態,它的分子是長形的,一端是具有親水性的羧基,另一端是具有憎水性的烴基.當油酸在水面上形成有自由邊界的油膜時,每個分子都是直立的,烴基在油膜表面,成為一個單分子層.

實際操作中,學生對扉子粉的擴散現象、面積的計算方法等方面產生了懷疑,我們對實驗進行了創新,并作為一個演示實驗,成為本節課的一大亮點.

(1) 材料創新.將原有的扉子粉改為碳粉,由于碳粉不溶于水且比水輕,能較好地浮在水面上且均勻散開,是較為理想的實驗材料.

(2) 方法創新.我們采用了“像素法”求面積,快捷方便精確,效率很高.數碼照片中最小的影像單元就是一個像素,所描面積與整個面積之比,恰好是所描部分像素與整個圖片像素之比.只要掌握該方法.對實驗中遇到的求不規則圖形面積的問題均可處理.

(3) 操作創新.在電腦中打開Adobe phtoshop,外接高清攝像頭,只需經過拍照、選取、記錄、比較等幾個簡單步驟就能輕松搞定.

5 計算分子,呵護智慧

通過對油膜法估測實驗,培養學生良好的科學研究態度和科學的思想與方法.通過阿伏加德羅常數進行的有關計算,理解它是聯系微觀世界和宏觀世界的橋梁.

1 mol的任何物質中都含有阿伏伽德羅常數個微粒,用NA表示.科學工作者不斷用各種方法測量它,以期得到它精確的數值.如果已經知道分子的大小,能否估算出阿伏伽德羅常數.學生得出的數據與精確值是比較接近的,學習成就感油然而生.

阿伏伽德羅常數是聯系微觀世界和宏觀世界的橋梁,它把摩爾質量、摩爾體積等這些宏觀量與分子質量、分子體積等這些微觀量聯系起來.阿伏加德羅常數是聯系微觀量和宏觀量的橋梁,是一個重要的常數.通過用阿伏加德羅常數計算每個分子的大小和質量,可以使學生對一個分子大小和質量的數量級有大概的認識,同時也使學生進一步理解這個常數的意義.用阿伏加德羅常數進行有關計算或估算的方法也是本節教學的重點.

在利用阿伏加德羅常數進行有關計算或估算時,常常用到“數量級”的概念.記住一些特殊的數量級對考慮問題或粗略檢查自己估算是否出現了錯誤有一定的幫助,其中,分子直徑的數量級10-10m,主要是指無機物分子,有些有機物分子比10-10m大得多.

本節課運用學習進階理論,通過由感性到理性、由定性到定量的知識呈現讓學生感到“親切”,使學生對分子的感受逐步加深,激發了學生的探究欲望,再通過學生動手、合作、討論等方式,讓學生自主設計實驗方案,增強了學生的主體活動,達到提升探究問題能力和實驗動手能力的目的.從教學內容、教師活動、學生活動3個方面，將進階流程可視化，如圖10所示.

圖10

在課堂教學過程中,將學生始終置于探索者的位置,學習過程成為“發現”或“再發現”的過程,教師設計一個個小的臺階,充分發揮學生學習的積極性、主動性,讓學生在進階的過程中,體驗探索的快樂,強化學習的樂趣.

圖11