面向物理觀念和科學思維整合發展的教學探索——以高中“液體的表面張力”為例

張 雪 張 靜 李雅蘭

（長江大學物理與光電工程學院物理教育研究所，湖北 荊州 434023）

物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的完整認識，支持學生從多角度、深層次看待物理現象，解決物理問題；［1］科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，引導學生從符號學習走向學科思想和意義系統建構的理解與掌握.［2］作為物理學科核心素養重要構成的物理觀念和科學思維是相互依存的，從概念和意義來看，科學思維的發展立足于物理觀念，物理觀念的建構依賴于科學思維，在物理教學中探索二者的整合發展，具有一定的現實意義和教育價值.

1 物理觀念和科學思維的整合發展過程

在物理觀念建構的層級發展中，蘊含著物理知識的提煉、內化和升華，［3］包括從物理現象和事實經驗中提取事物本質特征的知識提煉過程、主動建構個人知識體系并能隨時調用的知識內化過程、以及深度掌握知識內涵并能夠完成真實問題解決的知識升華過程.為了明確各個階段學生應達到的思維水平，并有效促進學生的科學思維發展，本文在促進物理觀念建構的基礎上，結合科學思維從感性—理性—創造性的遞進，設計了“物理觀念和科學思維的整合發展過程”（見圖1）.

圖1 物理觀念和科學思維的整合發展過程

感性認識是啟迪思維的重要依托，教師可借助實驗、視頻等資源為學生提供形象直觀的感官沖擊，引導學生認識事物的表象特征.理性思維建立在感性材料和邏輯推理的基礎上，是經過抽象概括、分析推理和關聯整合后形成正確反映客觀世界的本質和規律的認識過程，［4］從這個方面來看，從感性到理性的遞進，也是透過表象深入本質的跨越，對于學生初步建立物理觀念發揮著關鍵作用.激勵學生學會質疑、超越常規、捕捉靈感擺脫思維傳統的束縛，有助于推動創造性思維的形成.［5］教師可設置新情景讓學生針對爭議性問題展開質疑、論辯和修正，完成有創意的發明設計等，同時促進物理觀念在遷移應用中進行論證鞏固，乃至更深層次地融會貫通和推進升華.

2 “液體的表面張力”教學案例

“液體的表面張力”在電磁相互作用中占有重要地位，是幫助學生建構電磁相互作用觀的良好素材.且生活中豐富的表面張力現象及其微觀結構的抽象性有助于引發學生以疑導思，以思求知的思維積極性，從而發展學生思維.本文開發了“液體的表面張力”的教學案例，為促進學生物理觀念和科學思維的整合發展提供參考.

2.1 滲透基本概念，啟發抽象思維

情境創設：教師展示“紗網盛水”的現象（見圖2），在學生體驗“水流進不流出”的感性認識后，啟發學生對“液面”的思考，并提出問題“在充滿小孔的紗網上，這層液面為何不會散落成無數小液滴？”

圖2 紗網盛水

學生討論：形成液面的小液滴間可能因為受到力的作用，相互制衡不易滴落.正如獨立的小竹片堆放在一起很容易散亂，但利用針線將竹片連在一起制成竹席的形態，小竹片就會相對穩定，不易掉落.液面上的小液滴受力可能和竹席上的小竹片類似.

概念滲透：教師引入基本概念“張力”，即為“受到拉力作用時，物體內部任意截面兩側存在的相互牽引力”.引導學生得知，竹席面上的“張力”是使小竹片保持穩定的原因，推動學生思考液面上可能存在“張力”.

初步建模：教師指導學生用科學建模的手段——畫圖法，將液體的結構表征出來，并抽象出學生理解的小液滴（或液體分子）受力和液面受力情況（見圖3）.

圖3 液面結構的初始模型

設計意圖：通過“紗網盛水”現象帶來的感性認識，激發認知沖突，引導學生將疑惑和所熟悉的事物聯系起來，認識“張力”的概念.建模環節旨在幫助學生忽略次要因素，抓住液面的主要特征，同時讓學生在抽象思維的訓練中，實現思維從感性到理性的轉變.

2.2 探討宏觀表象，分析微觀本質

合作實驗：學生分小組進行合作實驗以驗證“液面中是否有張力存在”.一位學生將帶有吸管的矩形框（見圖4）放入肥皂水中，取一層液膜，另一位學生戳破吸管左側的液膜，并記錄吸管的狀態變化.接著，在右側液體未破裂的情況下，將吸管輕輕左移至最初位置，還原右側液膜的初始狀態，固定吸管不會右移后，戳破右側的液膜，并記錄吸管的狀態.改變吸管最初位置、使用其他形狀的鐵框如半圓框等多次重復實驗.

圖4 矩形框

分析歸納：教師引導學生猜想第1次戳破左側液膜時，吸管向右運動的兩個可能原因：或是右側液膜提供的張力、或是左側液膜破裂時產生的沖力.第2次戳破右側液膜時，吸管運動狀態不變的現象則否定了第2種原因，證實液面中張力的存在.

微觀剖析：教師帶領學生回顧“液體由大量液體分子組成，且液體分子間存在相互作用力”的相關知識.安排學生自主分析表面層分子D和內部分子C的受力情況［見圖5（甲）］，明晰表面層分子所受的合力指向液體內部.

圖5 液體內部微觀分析

仿真模擬：教師運用仿真軟件先模擬一滴立方體形的液體［見圖6（甲）］，不受外力影響.再根據微觀剖析結果設置液體分子受力，并加上重力場和地面環境，模擬液滴的動態變化過程和最終形態［見圖6（乙）］，引導學生觀察表面層分子間距離大于內部分子間距離.

圖6 仿真模擬

概念講解：根據“分子動理論”知識啟發學生知道表面層分子間作用力表現為引力，宏觀表現為液面上任意直線兩側存在一對與分界線垂直、大小相等，方向相反的力［見圖5（乙）］，這種力使液體表面繃緊，稱為“液體的表面張力”.

設計意圖：實驗的宏觀表象能夠提供有力證據，支持學生分析出液面上張力的存在.由表及里的微觀剖析結合形象的仿真模擬，能促進學生感性思維和理性思維的相互碰撞，讓學生不僅掌握表面張力這一重要概念，更能深入理解表面張力產生的本質原因是分子間的作用力，具體為表面層分子稀疏導致的引力表現.

2.3 強調知識關聯，引導觀念初建

本質深究：教師解析分子間作用力的產生原因“分子是由原子組成，原子內部有帶正電的原子核和帶負電的電子，分子間作用力就是由這些帶電粒子相互作用產生的”，借此闡述表面張力屬于電磁相互作用的緣由.

教師提問：物體相互擠壓會產生彈力，從表面來看，彈力似乎與電磁無關，但彈力卻是眾所周知的電磁相互作用，為什么？彈力和表面張力的作用來源又有何不同？

學生解釋：當物體受到擠壓后，物體內部分子間距離會變小，致使分子間作用力表現為斥力，彈力就是斥力作用的宏觀表現.彈力源于外部擠壓，而表面張力源于內部作用.

知識關聯：教師引導學生從宏觀的“表面張力”、“彈力”進行微觀解釋再深入電磁本質，建立知識關聯圖（見圖7）.

圖7 彈力與表面張力關聯圖

設計意圖：彈力作為生活中最常見的一種作用力，對彈力和表面張力進行分析推導，可以達到抽絲剝繭的效果，幫助學生建立宏觀和微觀的本質聯系，領會電磁相互作用的統攝性.這是對電磁相互作用認識的一次質的飛躍.

2.4 激勵質疑論辯，加強觀念鞏固

開展論辯：教師選擇與教學主題相關的爭議性問題，開展論辯活動（見表1），鼓勵學生踴躍通過口頭論辯來闡述自己的主張和捍衛自己的觀點.

表1 論辯活動內容

分析總結：安排學生歸納出浮力和液體的表面張力的異同（見表2），排除繡針受到浮力和表面張力的可能.根據液面凹陷源于繡針的外部擠壓，并非內部作用，證實液面和繡針間彈力的存在，肯定學生3的分析解釋.隨后，教師 總結紛繁現象背后的統一規律“除引力相互作用外，在分子、原子構成的宏觀物體中的一切相互作用都可歸結為電磁相互作用”，再以自然界中液體為代表，列舉浮力和表面張力產生原因和作用效果的不同，滲透電磁相互作用的形式多樣性.

表2 液體的表面張力與浮力的異同

設計意圖：“針行水面”的問題能夠激勵學生敢于質疑、善于釋疑的思維習慣，引導學生通過推理論證修正對表面張力和浮力的錯誤認知，明晰液體中電磁相互作用的異同，進而領會自然界中電磁相互作用的多樣統一，在活學活用中達到物理觀念的鞏固效果.

2.5 創新拓展延伸，促進觀念升華

拓展活動：表面張力在水質監控、液面清污等機械裝置的創造生產中都有體現.鼓勵學生搜集資料，嘗試設計一個仿生水黽裝置，實現水面行走的功能.

任務引導：（1）信息檢索水黽的相關資料，了解水黽能在水面自由行走的原因；（2）根據水黽的腿部結構特征，選擇制作驅動腿的材料（如涂敷疏水劑的鐵絲）；（3）設計驅動腿的前行方式（如旋轉劃動，設置多條支撐腿保證穩定移動）；（4）安裝承重板和驅動裝置，實踐檢測效果.

設計意圖：仿生科技作為人類創造力的智慧結晶，為學生思維突破常規、構筑新意提供了空間.另外，仿生水黽裝置是“針行水面”的驅動化升級，可以讓學生親身體驗液體中各種電磁作用可能對裝置產生的影響，思考如何減小水面擾動、保證水面完整，落實電磁相互作用觀在問題解決中的意義性升華.

3 結束語

物理核心素養的各個要素是相互聯系、共同發展的.物理觀念和科學思維分別作為其他物理核心素養發展的基礎和途徑，具有特別重要的教學意義.在教學實踐中，一方面教師需把握物理知識的提煉、內化和升華過程，引導學生在深入理解概念或規律后，正確看待物理現象，多維思考問題解決，促進物理觀念的逐步建構.另一方面教師可給予學生充足的時間與空間去體驗感知、動手思考、論辯交流、質疑創新，將學生的思維逐漸引向深入，促進物理學科核心素養的整合發展.