“研學物理課堂”模式下的高中物理教學實踐*
——以人教版“液晶”教學設計為例

周家盛 韋葉平

(江蘇省武進高級中學 江蘇 常州 213149)

陸建隆

(南京師范大學教師教育學院 江蘇 南京 210046)

“研學物理課堂”是一種以“問題→研究→展示→評價”為主線的教學模式.研,即研究——以研究的方法;學,即學力——提升學習能力,研學物理課堂即是構建培養學生以研究的方法,提升學習能力的物理課堂[1].“液晶”部分內容在常規教學模式下,主要是教師進行講授,知識灌輸現象嚴重,學生對液晶的特性一知半解.筆者認為有必要優化“液晶”部分的教學,讓學生進行真研究、得到真結論、形成真觀念.

1 教學目標的確定

1.1 課標分析

“液晶”是新課標選擇性必修3模塊第一主題“固體、液體和氣體”的內容,課程標準將“液晶”放在“固體的微觀結構”條目中,其基本內容要求是“通過實例,了解液晶的主要性質及其在顯示技術中的應用”[2].可見,液晶相關的實例和應用是本堂課教學過程中不可或缺的內容.

1.2 教材及學情分析

“液晶”的教學內容來自人教版《普通高中教科書 物理(選擇性必修第三冊)》第二章第5節“液體”的一個小節,這與課程標準的內容安排不一致.教材在研究固體、液體的基礎上,簡單地對液晶的結構和物理特性進行了介紹.在這一基礎上,教材中的“科學漫步”欄目以“液晶顯示”為題,對液晶最基本的顯示原理進行了介紹,使學生能對日常生活中的液晶顯示設備有所認識,為有興趣的學生打開一扇窗戶,鼓勵他們了解其他顯示技術.

本小節位于本章“氣體、固體和液體”的最后一節,學生已基本掌握固體與液體的特性,可通過“液晶”的學習來鞏固并加深學生對晶體的理解.另外,由于新教材將“光的干涉、偏振”等內容置于選擇性必修第一冊,學生在學習“液晶”的光學各向異性、液晶顯示的基本原理時即可運用已學知識來解釋現象,達到復習提升的目的.

根據教師用書,“液體”這節課建議安排2課時,“液晶”與本節“液體的表面張力”“浸潤和不浸潤”關系不大,故筆者將“液晶”這小節內容單獨安排1課時進行教學設計,使學生擁有更多時間來對液晶的結構和物理特性展開研究.

1.3 教學目標

(1)完善對物質觀的認識,知道物質除了有基本的三態外,還有液晶等其他聚集狀態(物理觀念).

(2)構建液晶的微觀物理模型,知道液晶材料具有結晶態、液晶態和液態等物質狀態(科學思維).

(3)通過牙簽實驗類比,模擬液晶分子的外形特征,感受溫度對液晶分子排列的影響(科學探究).

(4)了解液晶顯示和生物膜等應用,體會液晶在光學和生命科學中的重要作用(科學態度與責任).

2 教學過程的設計

2.1 問題:創設問題情境 建構物理觀念

教學環節1：教師播放科普視頻《探究液晶的奧秘》,視頻主要內容:液晶是一種既能像液體一樣流動,又能像晶體一樣與光發生相互作用的獨特物態.它們通常由較長的有機分子構成.由于液晶兼有晶體改變光的能力與液體的流動性,它們可以用于制作超柔韌、對顏色敏感的棱鏡和偏振片,這使得它們在顯示器制造方面極為有用.更神奇的是,液晶還是生命的核心……觀看視頻后,教師引導學生對不太能理解的內容或特別感興趣的方面進行提問和交流.學生可能會提出以下問題.

問題1:液晶為什么大多為棒狀?

問題2:哪些因素會影響液晶分子定向排列?

問題3:液晶是如何應用在顯示領域的?

設計意圖:播放科普視頻充分展現液晶的奧秘,激發學生探究欲望;由“教師問學生”轉變為“學生提問題”,調動學生的積極性,激發學生學習的內驅力;教師將從學生提出的若干個問題出發,正式步入研學物理課堂,指導學生進行一系列的實驗研究,逐步形成液晶的微觀物理模型,建構物質觀念,提升學生的學習能力.

2.2 研究:引導科學探究 激活科學思維

教學環節3(對應問題2):教材指出,隨著溫度的升高,液晶分子的有序程度會逐漸下降,溫度是液晶材料在結晶態、液晶態、液態之間轉變的一個影響因素.我們能不能也用牙簽來研究溫度對定向排列的影響呢?我們可以用改變釋放高度的方法模擬溫度的變化.正如添加熱量會增加液晶分子無序度一樣,較大的重力勢能使牙簽落地時速度較大,偏轉大角度的概率增加,從而降低系統的有序度[3].交流討論后確定實驗方案:各組分別從10cm、20cm、30cm高度處自由釋放原始長度的牙簽30枚(實驗要求同上),得到不同高度釋放的牙簽排列圖,用平板電腦拍照留存.

設計意圖:把研究“還”給學生,教師要從“演員”變成“導演”,在學生最需要的時刻,提供適度的支持.在上述兩個學生實驗環節,教師引導學生經歷“設計方案—討論優化—嘗試執行—歸納反思”科學探究過程,在此過程中貫穿著類比法、控制變量法等思想方法,強調高中物理方法的重要性.這兩個“牙簽實驗”環節的安排看似天馬行空,但其實驗目的都緊扣教材,讓學生在發展思維的同時掌握學科必備知識.

2.3 展示:追求多維互動 強化探究活力

教學環節4：完成兩個牙簽模擬液晶分子排列的實驗后,各小組將各自拍下的牙簽排列圖進行共享,小組間進行充分的交流和討論,每個小組推選1人進行簡短的匯報,以圖片(圖1)、語言、幻燈片等形式進行展示,分享通過觀察對比初步得到的實驗結論:牙簽越短,排列的無序度越高;釋放高度越高,排列的無序度越高.這個結論在一定程度上也能類比到液晶的分子排列特性:液晶分子之所以大多為棒狀分子,是因為這種形狀更利于液晶材料呈現液晶態;溫度升高,液晶分子重心位置和分子取向的有序性會逐漸消失.

圖1 各小組拍攝的牙簽排列圖

設計意圖:改變教師總結提煉這種傳統教學方法,研學物理課堂模式提倡學生進行總結展示.在實驗探究后設置展示環節,一方面能讓學生體驗研究的完整過程,另一方面通過交流展示,能形成組員間、小組間、師生間的多維互動,不僅能迅速暴露出過程中的不足,還能在互動中形成生成性資源,進一步強化學生的科學探究活力.

2.4 評價:多元發展評價 形成科學態度與責任

教學環節5(對應問題3):還有哪些因素會影響液晶的結構和物理特性?我們繼續研究.教師指導學生閱讀教材中“科學漫步——液晶顯示”欄目,請學生根據自己的理解對液晶顯示原理圖(圖2)進行理論分析.外界的自然光通過偏振片1后,成為偏振光,如果兩極板間沒有電壓,光的偏振方向會被液晶旋轉90°(這種性質叫做液晶的旋光性),于是它能通過偏振片2,屏幕上就是亮的,如圖2(a)所示;但在兩極板間加上一定大小的電壓時,液晶的旋光性消失,于是光線通不過偏振片2,屏幕上此區域就變暗了,如圖2(b)所示[4].教師讓其他學生對該生的回答作出評價,并引申出電磁場也會影響液晶的排列和特性的結論.感興趣的同學課后可以查閱液晶顯示和生物膜中的液晶結構相關資料,加深對液晶特性的理解,感受物理學在日常生活和醫學領域的應用.

圖2 液晶顯示原理圖

設計意圖:經過上面幾個環節的研究,學生已經初步建立起液晶的微觀結構,基本掌握液晶的物理特性,此時教師設計閱讀并回答問題的環節可起到評估學生接受情況、檢驗課堂教學效果的目的.對于學生的回答,教師應將教師評價、生生互評、學生自評等多元化、發展性評價有機結合起來,既能幫助學生暴露錯誤,又能保護學生的自尊心,也能在教師指導、同伴幫助下糾正錯誤,從而形成科學態度與責任等核心素養的協同發展.

3 總結與反思

在“問題→研究→展示→評價”這一研學物理課堂模式下,學生主動發問、親歷研究、打磨展示、互相評價,在“研”的路上不斷學習必備知識、發展核心素養、涵育科學精神,達到提升學力的總目標,提升學力可促進學生向更高層次、更深維度的“研學”之路進發,從“研學物理課堂”走向“研學·物理·社會”,切實培養能力強、思維新、肯吃苦的社會主義建設者和接班人.在嘗試研學物理課堂教學模式的過程中難免遇到阻力,如課時較緊張、備課強度大、學生不適應等問題,但我們不能因噎廢食,教師可以利用每本人教版高中物理教材最后的“課題研究”等教學資源,將“研學”的思想播撒給更多的學生,讓研學物理課堂教學模式在高中物理教育領域生根發芽.