基于PBL教學(xué)法的醫(yī)用物理學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)初探
——以液體的表面現(xiàn)象為例

黃少峰

（廈門(mén)醫(yī)學(xué)院，福建 廈門(mén)361023）

0 引言

液體的表面現(xiàn)象是醫(yī)用物理學(xué)課程中較為重要的一課，其中涉及表面張力這一概念可以用來(lái)分析彎曲液面的附加壓強(qiáng)、毛細(xì)現(xiàn)象以及醫(yī)學(xué)上的氣體栓塞和肺泡結(jié)構(gòu)和肺生理的關(guān)系等現(xiàn)象。在以往的教學(xué)中，學(xué)生普遍反映液體表面張力這一概念抽象難懂。因此，筆者嘗試使用PBL教學(xué)法對(duì)本節(jié)課的內(nèi)容進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和編排，并取得了一定的教學(xué)效果。

1 PBL教學(xué)法課堂教學(xué)設(shè)計(jì)思路

PBL教學(xué)法是指以問(wèn)題為基礎(chǔ)，以學(xué)生為中心，以教師為主導(dǎo)的小組討論及自學(xué)的教學(xué)方式。在教學(xué)過(guò)程中以問(wèn)題為載體，使學(xué)生在設(shè)問(wèn)和釋問(wèn)過(guò)程中萌生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)和欲望，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，逐漸養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高自主學(xué)習(xí)能力的一種教學(xué)方法[1]。采用PBL教學(xué)法通過(guò)一系列預(yù)設(shè)的層層遞進(jìn)的問(wèn)題將某一教學(xué)難點(diǎn)立體地展現(xiàn)在學(xué)生面前，勢(shì)必有助于學(xué)生理解掌握相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。

2 基于PBL教學(xué)法的液體的表面現(xiàn)象[2]課堂教學(xué)實(shí)踐

2.1 創(chuàng)設(shè)情境，生成問(wèn)題

課件展示“若干個(gè)球形的泡泡”和“荷葉上近似球形的露珠”兩個(gè)圖片，通過(guò)學(xué)生熟悉的生活現(xiàn)象引入，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)課內(nèi)容的興趣。教師分別用圓形、六邊形、愛(ài)心桃形狀的工具吹泡，學(xué)生觀察到泡泡的形狀仍然為球狀，從而得出泡泡呈現(xiàn)球形并非是由于工具的形狀造成的這一結(jié)論。大部分學(xué)生由于存在“前概念”的影響，會(huì)誤認(rèn)為是由于吹泡泡的工具形狀是圓形導(dǎo)致泡泡的形狀呈現(xiàn)為球狀。而這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象跟學(xué)生之前的認(rèn)識(shí)不同，從而產(chǎn)生認(rèn)知沖突，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考。

2.2 層次遞進(jìn)設(shè)計(jì)系列問(wèn)題

本環(huán)節(jié)是PBL教學(xué)法中最重要的部分：教師通過(guò)設(shè)計(jì)由淺到深、環(huán)環(huán)相扣的問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行逐漸深入的思考，讓學(xué)生在不斷地分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程中深刻理解表面張力的特點(diǎn)。將“表面張力”的內(nèi)容分為以下幾個(gè)部分并結(jié)合設(shè)計(jì)相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行教學(xué)：

2.2.1 感性認(rèn)識(shí)表面張力的存在

通過(guò)演示“用針刺破肥皂液薄膜”實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解液體表面具有收縮的趨勢(shì)。教師可以設(shè)問(wèn)“是什么原因?qū)е铝艘后w表面會(huì)有收縮的趨勢(shì)呢?”學(xué)生在前面的學(xué)習(xí)中已經(jīng)知道力的一個(gè)作用效果是使物體的形狀發(fā)生變化。故此，他們會(huì)較容易地聯(lián)想到在液體表面存在某種使液體表面發(fā)生收縮的力。這樣就自然而然地引出了表面張力的概念。

2．2．2 分析表面張力的方向和大小的特點(diǎn)

學(xué)生對(duì)力是矢量有較深刻的認(rèn)識(shí)，因此，教師只要稍加引導(dǎo)下：“要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)液體表面張力的話(huà)，應(yīng)該知道它的哪些特點(diǎn)呢?”學(xué)生就會(huì)將這一潛在的認(rèn)識(shí)應(yīng)用到較為陌生的液體表面張力上。教師再結(jié)合剛才的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生一起分析得出表面張力的方向“沿液體表面切線(xiàn)方向”的特點(diǎn)，同時(shí)定量給出表面張力大小的表達(dá)式：f=αl。

2．2．3 討論產(chǎn)生表面張力的原因

大部分學(xué)生認(rèn)為只要了解表面張力的方向和大小就等同于掌握了這種力的規(guī)律。此時(shí)，教師可以通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生回顧“之前在學(xué)習(xí)重力、彈力和摩擦力的時(shí)候，除了要知道各種力的方向和大小之外，還要了解跟力有關(guān)的哪個(gè)方面特點(diǎn)呢?”。學(xué)生就會(huì)馬上意識(shí)到分析這種力的產(chǎn)生原因，才能從本源上全方面深刻地認(rèn)識(shí)這種力。

學(xué)生有了探究表面張力產(chǎn)生原因的意識(shí)以后，往往接下來(lái)并不知道要從何處下手進(jìn)行分析。教師可以在課件上給出液體各個(gè)區(qū)域的分子分布示意圖，以便學(xué)生能夠調(diào)用出之前學(xué)過(guò)的“分子動(dòng)理論”相關(guān)知識(shí)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行討論，得出“由于液體表面層的分子比較稀疏[3]，分子間的距離大于r0=10-10m，所以分子間的作用力是引力，這些引力宏觀上表現(xiàn)出來(lái)的就是表面張力。”這就是產(chǎn)生表面張力的微觀本質(zhì)。

2．2．4 理解液體表面層的分子比較稀疏的深層次原因

“液體表面層的分子比較稀疏”這一規(guī)律從定性層面來(lái)看是符合常理的。但是，如果繼續(xù)深究下去，讓學(xué)生說(shuō)說(shuō)為何有此規(guī)律時(shí)，學(xué)生卻講不出所以然來(lái)。此時(shí)，教師可以通過(guò)做“把內(nèi)部系有棉線(xiàn)圈里的鐵環(huán)沾滿(mǎn)肥皂水，然后刺破棉線(xiàn)圈里的肥皂膜”的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。學(xué)生觀察到棉線(xiàn)圈形狀變?yōu)閳A形之后，教師請(qǐng)學(xué)生思考其中的原因。學(xué)生會(huì)條件反射以為該實(shí)驗(yàn)與之前那個(gè)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是一樣的：即液體表面張力使液體表面發(fā)生收縮。他們暫時(shí)分析不出兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的不同之處。這種情況下，教師可以設(shè)問(wèn)：“棉線(xiàn)圈變成圓形時(shí)，棉線(xiàn)圈所圍面積大小有什么特點(diǎn)?這可以進(jìn)一步說(shuō)明液體表面有什么特點(diǎn)?”學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)幾何的知識(shí)不難得出棉線(xiàn)圈面積最大，液體表面有收縮到表面積最小的趨勢(shì)。

接下來(lái)，教師順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生思考“液體的表面為什么具有收縮至表面積最小的趨勢(shì)這種特點(diǎn)呢?表面積最小從微觀層面可以怎么進(jìn)行解釋?”學(xué)生結(jié)合液體各個(gè)區(qū)域的分子分布示意圖，分析得出主要原因應(yīng)該是由于表面層內(nèi)的分子有盡量擠入液體內(nèi)部的趨勢(shì)，宏觀上表現(xiàn)出來(lái)的就是液面有收縮至表面積最小的趨勢(shì)。

那為什么表面層內(nèi)的分子會(huì)有盡量擠入液體內(nèi)部的趨勢(shì)？學(xué)生猜想到原因應(yīng)該是表面層內(nèi)的分子受到指向液體內(nèi)部的力的作用。表面層內(nèi)的分子受到指向液體內(nèi)部的力的作用意味著液體中其他分子對(duì)其作用力的合力方向是指向液體內(nèi)部，那要怎么去分析這個(gè)特點(diǎn)?

學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)分析該問(wèn)題的困難之處——液體中某一分子周邊有大量分子的存在，無(wú)法用常規(guī)方法分析該分子受到其他分子對(duì)其作用力的合力方向。教師緊接著介紹分子作用球的模型，學(xué)生在應(yīng)用該模型解決這個(gè)問(wèn)題時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)：根據(jù)分子作用球中分子分布是否具有球?qū)ΨQ(chēng)性，可以分析出處于球心的分子受力的方向特點(diǎn)。對(duì)于液體表面層分子而言，分子作用球內(nèi)分子的分布是不對(duì)稱(chēng)的；從統(tǒng)計(jì)上講，其受力情況也是不對(duì)稱(chēng)的，液體表面層分子受到的分子作用力的合力不為零且合力的方向指向液體內(nèi)部。

最后，教師和學(xué)生一起來(lái)解決課前遺留的那兩個(gè)問(wèn)題：導(dǎo)致“若干個(gè)球形的泡泡”和“荷葉上近似球形的露珠”現(xiàn)象的原因是什么?學(xué)生較易分析出導(dǎo)致以上兩個(gè)現(xiàn)象的原因都是由于液體表面張力的作用。

2.3 采用PBL教學(xué)法的課后評(píng)估反饋

以往液體的表面現(xiàn)象這節(jié)課的難點(diǎn)之一在于對(duì)表面張力概念的理解。學(xué)生往往誤以為表面張力的方向是指向液體內(nèi)部，或者哪怕學(xué)生認(rèn)識(shí)到表面張力的方向與液體表面相切，但他們對(duì)這一方向產(chǎn)生的原因也講不出個(gè)所以然來(lái)。采用PBL教學(xué)法后，在一系列環(huán)環(huán)相扣的問(wèn)題串的引導(dǎo)下，學(xué)生通過(guò)思考解決一個(gè)又一個(gè)層層遞進(jìn)的問(wèn)題理出一條清晰的脈絡(luò)，最終可以較好地理解表面張力這一概念，取得較好的教學(xué)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

醫(yī)用物理學(xué)課程內(nèi)容的特點(diǎn)是在介紹一些物理基本知識(shí)原理之后，會(huì)進(jìn)一步要求學(xué)生將其應(yīng)用到相關(guān)的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中解決更為復(fù)雜的問(wèn)題。因此，如果能夠有效地將PBL教學(xué)法推廣到醫(yī)用物理學(xué)更多章節(jié)具體的教學(xué)設(shè)計(jì)當(dāng)中，就能更有利于幫助學(xué)生全面掌握該課程的基礎(chǔ)知識(shí)、提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為他們?nèi)蘸筮M(jìn)行相關(guān)的專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)或繼續(xù)深造奠定更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。