指向科學思維的高中物理教學設計

張銀碩 于海波 李亞培

【摘 要】科學思維是我國中學物理課程目標的重要組成部分，也是物理學科核心素養(yǎng)的核心。本研究以“液體的表面張力”為例，針對教學目標的確定、教學過程的設計等問題，通過創(chuàng)設情境、實驗探究、模型建構(gòu)、類比推理、解釋交流、任務驅(qū)動等環(huán)節(jié)，對“液體的表面張力”這一主題進行指向科學思維的教學設計。

【關(guān)鍵詞】科學思維;教學設計;液體的表面張力

【中圖分類號】G633.7 ?【文獻標識碼】A ?【文章編號】1671-8437（2021）10-0252-03

1 ? 問題的提出

《普通高中物理課程標準（2017年版）》提出物理學科核心素養(yǎng)是“學生通過物理學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，主要包括物理觀念、科學探究、科學態(tài)度與責任四個方面[1]”。其中，物理觀念的形成、科學探究活動的進行、科學態(tài)度與責任的養(yǎng)成都離不開科學思維的參與。因此，科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的核心[2]。物理教學的實施要以培養(yǎng)和發(fā)展學生的科學思維為基礎。

許多研究指出，科學思維的教學要求教師在問題的設計以及活動的安排上要有啟發(fā)性，為學生創(chuàng)設真實的問題情境，注重探究式、合作式等多樣化學習方式的滲透，引導學生在發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的過程中得到科學思維的提升[3]。然而，由于科學思維活動的過程內(nèi)隱性、類型多樣性等原因，目前關(guān)于科學思維的教學普遍缺乏真實的思維引導過程，教學內(nèi)容、活動安排平鋪直敘，不具有啟發(fā)性，不能緊密聯(lián)系學生的生活實際，不能激發(fā)學生的內(nèi)在學習動機[4]。

“液體的表面張力”選自人民教育出版社普通高中物理教科書（2019年版）選擇性必修三第二章第五節(jié)“液體”一節(jié)，這一主題很好地反映了“理論和實際”“宏觀和微觀”的結(jié)合，能夠幫助學生建立抽象思維、體驗科學探究過程、運用統(tǒng)計思想解釋生活現(xiàn)象并處理相關(guān)問題，是培養(yǎng)學生科學思維的重要教學內(nèi)容。因此，本文以“液體的表面張力”為例，針對教學目標的確定、教學過程的設計等問題，進行指向科學思維的高中物理教學設計。

2 ? 確定教學目標

“液體的表面張力”基本內(nèi)容要求是“觀察液體的表面張力現(xiàn)象，了解表面張力產(chǎn)生的原因，知道毛細現(xiàn)象”。學業(yè)要求是“能用分子動理論解釋液體的微觀結(jié)構(gòu)及特點”。

人教版教材對“液體的表面張力”這一部分內(nèi)容的編寫思路是，先通過探究實驗讓學生觀察并歸納液體表面的性質(zhì)，然后以液體表面研究為主線，分別從宏觀現(xiàn)象和微觀分析的角度認識液體的表面張力，幫助學生構(gòu)建抽象思維，運用統(tǒng)計思想解釋生活現(xiàn)象、處理問題。

學生在學習本節(jié)課內(nèi)容之前已具備分子運動理論的相關(guān)知識，對物體的微觀構(gòu)成機制有初步了解。除此之外，通過生活經(jīng)驗的累積，學生對生活中的液體表面張力現(xiàn)象也有一定的了解，但僅處于感性認識階段，還沒有上升到理性認識的高度，難以從微觀角度理解液體表面張力、浸潤和不浸潤現(xiàn)象以及毛細現(xiàn)象的產(chǎn)生原因。

基于以上對課標、教材以及學情的分析，結(jié)合《普通高中物理課程標準（2017年版）》中物理學科核心素養(yǎng)的水平劃分，本研究制定了指向科學思維的教學目標，如表1所示。

3 ? 設計教學過程

基于以上分析，本研究以“液體的表面張力”為載體，圍繞如何培養(yǎng)學生的科學思維能力設計了如圖1所示的教學思路。

3.1 ?創(chuàng)設情境，啟發(fā)思維

【教學環(huán)節(jié)1】教師進行“魔力球”表演，將一根棉布條浸入裝有肥皂水的水槽中，然后用夾子夾起干冰放入圓形玻璃容器內(nèi)，再向容器內(nèi)倒些熱水，使干冰產(chǎn)生大量的白霧，最后將剛剛浸有肥皂水的棉布條取出，迅速在容器口抹出一層薄膜，學生會看到剛剛一層薄薄的水膜居然變成了一個神奇的“魔力球”（如圖2所示）。接下來，教師提出問題：“白霧為什么沒有發(fā)散出來？”引出本節(jié)課的主題——液體的表面張力。

【設計意圖】學生科學思維的養(yǎng)成，不是直接由教師教出來的，而是在問題情境中借助問題解決的實踐培育起來的[5]。教師通過有趣的“魔力球”現(xiàn)象，巧設問題情境，激發(fā)學生的興趣和好奇心，調(diào)動學生學習的內(nèi)驅(qū)力，引導學生對問題情境進行分析推理，進而提出合理猜想，為學生搭建“觀察—思考—猜想”的思維橋梁。

3.2 ?實驗探究，形成思維

【教學環(huán)節(jié)2】教師帶領(lǐng)學生共同進行趣味實驗——

會移動的吸管，一起探究液體表面張力的成因及特性。將自制教具——帶有自由移動吸管的矩形線圈（如圖3所示），放入浸滿肥皂液的容器中，靜止片刻后取出，上面會附著一層薄膜，相當于提取出一層液體的表面層。刺破一側(cè)薄膜時，吸管瞬間向有薄膜一側(cè)運動，并且無論如何移動吸管，它都會被再次拉回去。將吸管拉到中間，將另一側(cè)薄膜也戳破，吸管才能恢復到原來的靜止狀態(tài)。通過以上現(xiàn)象引導學生發(fā)現(xiàn)吸管受到了力的作用，并且這個力總會使液體表面具有收縮趨勢，使學生建立液體表面張力的概念：液體的表面張力宏觀上表現(xiàn)為使液體表面收縮的力。

【設計意圖】科學思維體現(xiàn)在物理學科的科學活動，并在活動中得到發(fā)展[6]。讓學生自主進行實驗探究活動，經(jīng)歷“觀察—實驗—假設—推理”的思維過程，切身感受物理概念建立過程中科學思維的作用。

3.3 ?模型建構(gòu)，呈現(xiàn)思維

【教學環(huán)節(jié)3】借助實物模型，從微觀角度分析液體表面張力產(chǎn)生的原因。先通過分析液體表面分子的受力特點，明確液體表面的分子間距離介于r0和10r0之間;然后通過對比分子間作用力與距離的關(guān)系，明確液體表面分子力表現(xiàn)為引力;最后通過自制教具——液體表面微觀模型（如圖4所示），還原教學環(huán)節(jié)2的液膜拉動吸管收縮現(xiàn)象，由此得出液體表面張力的微觀解釋：液體表面層分子間距較大，分子力表現(xiàn)為引力。

【設計意圖】物理模型可以劃分為兩類，一類是模擬式物理模型，另一類是理想化物理模型[7]。通過模型建構(gòu)過程引導學生經(jīng)歷物理概念和規(guī)律的形成過程，是發(fā)展學生的科學思維的重要途徑[8]。為突破本節(jié)課的教學難點：從微觀視角理解液體表面張力的產(chǎn)生原因，筆者隨手取材，借助生活中的乒乓球、細線、塑料管等材料，模擬微觀的液體表面分子間作用，以直觀的視覺效果，解釋之前肥皂膜收縮的原因，實現(xiàn)了抽象思維“可視化”，加深了學生對液體表面張力概念的理解。