指向學生科學思維發展的教學設計

摘" 要：分子動理論的相關概念較容易理解，學生要識記相關內容也并不困難，但分子動理論三條規律的知識建構過程對學生來說是科學思維發展的重要過程，教師不可錯失這個教學機會。本文以人教版物理九年級“分子熱運動”的教學為例，說明如何在課堂教學中發展學生科學思維。

關鍵詞：分子熱運動；物理科學思維；物理核心素養

基金項目：

本文系江蘇省2021年度第十四期教學研究課題“基于課堂實驗培養初中生物理思維能力的實踐研究”（課題編號：2021JY14-XK-L05）的研究成果。

1" 初中學生物理科學思維發展現狀

《義務教育物理課程標準（2022年版）》把“科學思維”列為初中學生的四大物理核心素養之一，它不僅是一個建立物理觀念的方法，更是學生科學素養的一個重要組成部分。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；是建構物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同信息、觀點和結論進行質疑和批判，予以檢驗和修正，進而提出創造性見解的品格與能力。［1］

然而，申亞琴在《初中生的物理科學思維能力現狀調查》中明確提出，初中生往往更關注表面、程序、結果的討論行為，而科學推理能力和科學論證能力相對較弱。課堂上很少有學生會對同學的表述質疑或者產生疑問，這顯示出初中生

缺乏質疑創新能力，對相關信息和方案不能提出自己的見解。［2］因此，在初中物理課堂上，教師應當有意識地培養學生的科學思維。

2" “分子熱運動”學習內容分析

“分子熱運動”是人教版《義務教育教科書" 物理" 九年級" 全一冊》第十三章第1節的內容，這是學生第一次將研究的視角轉移到物體的內部。由于肉眼無法直接觀察到物質的內部結構，教師必須通過各種物理方法來建構學生對分子熱運動的認識。在本節課的教學中，教師應當引導學生嘗試模仿科學家探索微觀世界的方式，根據現象選擇合適的物質結構模型，并運用類比的方法來理解分子之間存在空隙這一事實；通過設計實驗和收集生活經驗中的證據，歸納得出分子在做永不停息的無規則運動的結論，并根據擴散現象選擇分子無規則運動的模型；同時，學生需要通過設計實驗和收集生活經驗中的證據，歸納得出分子間存在引力和斥力的結論，并用類比的方法理解分子間引力和斥力的表現。通過本節內容的學習，學生不僅要收獲物理知識，還要提升科學思維能力。

3" 教學實施

科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。思維鏈可概括為：物理現象—頭腦中的物理圖景—物理模型—邏輯推理—數學處理—結論分析—規律應用。教師在教學過程中，應讓學生通過對實例的分析來學習正確的思維程序，以此培養學生良好的思維習慣。

3.1" 在模型建構過程中培養學生的科學思維

學生實驗1：請用炭筆在素描紙上輕輕畫一條線，然后用放大鏡觀察所畫的筆跡，你觀察到什么現象？

學生實驗2：玻璃管中已有一半體積的水，用注射器向其中注入酒精直至總液體體積到達指定刻度線所在位置。隨后封閉管口，并將玻璃管反復翻轉，使水和酒精充分混合后將玻璃管

管口朝上靜置，觀察液面的位置，你有什么發現？

師：以下是關于物質微觀結構的三種模型。你認為哪種模型能夠解釋上述活動中看到的現象？請選擇一種模型，并嘗試解釋上述現象。

模型一：物質是由微粒組成的，各個微粒緊靠在一起。

模型二：固體是由微粒組成的，液體是連成一片的。

模型三：物質是由微粒組成的，微粒之間有空隙。

演示實驗：乒乓球和米粒混合。

師：老師剛剛演示的現象與你們做的實驗2有什么相似之處？同學們利用模型和類比的方法初步了解了物質的內部構成，直至今天，科學家們仍然在使用這些科學方法。科學家們認為，常見物質都是由極其微小的微粒——分子、原子構成，微粒之間有空隙。隨著科學技術的發展，科學家們已經可以通過電子顯微鏡親眼看到物質內部的分子結構了。這是電子顯微鏡下水分子的分布樣態圖（見圖1）。

師：科學家們所說的極其微小是有多小呢？讓我們來認識一下。分子的直徑大約只有10－10m。如果把一個分子跟一個乒乓球作比較的話，他們大小的比例關系相當于把一個乒乓球與地球作比較。一滴水中大約含有1021個水分子，假如一個人一秒鐘可以數出1萬個（104個）水分子，那么一個人要把一滴水中的分子數完，需要多長時間？（約30億年）

設計意圖：借用科學家的“觀察—建模—驗證”的邏輯來認識物質內部結構，是一種非常貼近學生認知發展區的方法。關于分子之間是連續的還是有空隙的問題，學生已經通過水和酒精的混合實驗，有了初步的感知和猜想，再利用乒乓球和米粒的混合現象與水和酒精的混合現象之間的相似性，幫助學生進行類比遷移。事物之間的相似性為類比方法提供了邏輯推理的客觀依據，人腦的生理結構和功能又為類比方法提供了生理條件，二者共同作用，可以幫助學生很好地理解肉眼無法觀察到的現象。例如，分子之間存在著空隙。學生通過這部分內容的學習，可以促進自身模型建構能力的發展。

3.2" 在實驗探究中培養學生的科學思維

師：物體內部有如此多的分子，它們是處于運動狀態，還是靜止狀態呢？要研究這個問題，我們得有轉換的思想，通過能直接感知的現象，來推測無法直接感知的事實。讓我們一起來進行這項探索。

演示實驗：下方的瓶子中裝有密度較大的紅棕色二氧化氮氣體，而上方的瓶子中裝有密度較小的無色空氣。抽取隔板，你有什么發現？

師：我們把不同的物質在互相接觸時彼此進入對方的現象，叫作擴散。你覺得這一擴散現象說明了什么？

師：你還能想到哪些證據表明分子在運動？這種運動是有規律的，還是無規則的？依據是什么？

師：你能用生活實例或者所給實驗器材設計實驗證明擴散也可以發生在液體（固體）之間嗎？

師：你覺得他的設計方案怎么樣？

演示實驗：向水中滴紅墨水，這一實驗真能證明液體發生了擴散嗎？說說你的想法。如何改進實驗？

師：請將紅墨水分別滴入不同溫度的水中（見圖2），觀察是否發生了擴散現象？兩者現象有何不同？說明什么？

師：我們把分子的無規則運動叫作分子的熱運動。你覺得哪一個模型（見圖3）更接近分子的無規則運動？

師：我們再一次運用模型法來解決下面的問題。

例" 下列現象屬于擴散現象嗎？說說你的想法。

A. 花香四溢B. 塵土飛揚

C. 炊煙四起D. 糖溶于水

設計意圖：這部分教學設計運用了比較法和轉換法。運用科學的物理方法可以幫助學生更好地建立物理圖景，提升科學思維能力。這些方法在學生將來的學習中會發揮重要作用，授之以魚，不如授之以漁。科學方法的習得，是科學思維能力真正提升的開始。

3.3" 在觀察類比中培養學生的科學思維

師：既然組成物質的分子在不停地做無規則運動，那么物體為什么沒有因此而解體，始終能夠保持一個完整的形態呢？你的猜想是什么？（例如分子之間有引力）

演示實驗：用刨刀將兩個鉛柱的底面削平并清理干凈，然后將它們緊緊擰壓在一起，說說你觀察到的現象。

師：這一實驗一定能證明分子間有引力嗎？還記得我們在八年級時做過的一個實驗嗎？我們將兩個吸盤壓在一起后再松手，發現兩個吸盤也會緊緊地吸在一起，這是因為什么呢？對于這個鉛柱實驗，我們應該如何改進，才能排除大氣壓的干擾呢？

圖4（a） 在空氣中相互吸引在一起的兩鉛柱能吊起重物，無法判定是由于分子間引力還是大氣壓的作用。

圖4（b） 在真空罩中相互吸引在一起的兩鉛柱仍然能吊起重物，排除了大氣壓的作用，可以判定該現象

是由于分子間存在吸引力。

圖4（c） 在真空罩中相互吸引在一起的兩吸盤會自然脫落，是由于真空中大氣壓強為零。

（a）

（b）

（c）

師：我們用鉛柱實驗證明了固體分子之間有吸引力，那么你能設計一個實驗來證明液體分子或氣體分子間有吸引力嗎？（例如肥皂膜實驗、液橋實驗）

師：分子之間有斥力嗎？你能列舉出哪些證據？（例如固體和液體很難被壓縮）

師：分子間既有相互作用的引力，又有相互作用的斥力。那么，在什么情況下它們會表現為引力，又在什么情況下會表現為斥力呢？我們不妨利用“彈簧＋小球”的模型來加深理解。

學生演示：當把小球向外拉開時，彈簧的作用表現為向內的引力。當把小球向內擠壓時，彈簧的作用表現為向外的斥力。

分子之間的作用力也可以類比為這樣的模型。當分子處于平衡位置時，分子之間引力等于斥力；當分子間距離變小時，分子間作用力表現為斥力；當分子間距離變大時，分子間作用力表現為引力；當分子相距很遠時，分子間幾乎無作用力。

師：為什么手機屏裂了之后無法自動復原？

設計意圖：這部分教學運用到觀察法、模型法、類比法、轉換法、歸納法等多種教學方法，既能讓學生更好地建立關于分子動理論的物理觀念，又能提升他們的科學思維能力。一些教師會將高中課本上的分子間作用力與分子間距的關系圖引入本節課的教學，試圖幫助學生理解分子間的作用力。然而，這張關系圖需要學生從力的合成的角度去認識分子間作用力，這實際上并沒有降低理解難度，反而增加了學生的認知障礙，因此不建議采用這種方法。

4" 結語

在物理教學中，物理知識的學習通常表現為顯性的收獲，這種收獲更容易引起師生雙方的關注。然而，物理思維的發展也屬于教學內容，但這是一個隱性的成長過程。教師在教學中要處理好顯性與隱性的關系，循序漸進地開展教學，幫助學生提升科學素養。教師要注重挖掘教學中的有利契機，一般來說，在物理知識點的建立、引申和擴展中，在知識點之間的連接處，以及在應用知識解決實際問題中，均有物理科學思維發展的機會。在日常教學中，教師還應當加深對科學方法教育的認識與理解，這樣才能更好地在教學中促進學生物理科學思維的發展。

參考文獻

［1］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022：4-5.

［2］ 申亞琴.初中生的物理科學思維能力現狀調查［J］.中學物理，2023，41（6）：23-25.