基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的初高中物理實(shí)驗(yàn)銜接教學(xué)設(shè)計(jì)

人教版物理選擇性必修第三冊(cè)第一章第二節(jié)“實(shí)驗(yàn)：用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”是“分子動(dòng)理論”的重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也是高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。初中階段學(xué)生對(duì)分子的認(rèn)識(shí)僅停留在定性層面，缺乏定量測(cè)量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，科學(xué)設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)的銜接教學(xué)方案，對(duì)幫助學(xué)生建立完整的分子概念體系至關(guān)重要。

“用油膜法估測(cè)油酸分子的大小\"實(shí)驗(yàn)在高中物理實(shí)驗(yàn)板塊中相對(duì)獨(dú)立，與其他物理實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，因此該實(shí)驗(yàn)的銜接教學(xué)存在一定難度。該實(shí)驗(yàn)不僅要求學(xué)生掌握基本實(shí)驗(yàn)技能，更需要培養(yǎng)其元認(rèn)知能力，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中持續(xù)思考“這一步對(duì)實(shí)驗(yàn)有何作用\"\"為什么要這樣做\"\"怎么做才能夠使實(shí)驗(yàn)步驟更加簡(jiǎn)單”。若缺少這個(gè)過程，學(xué)生可能只會(huì)機(jī)械執(zhí)行實(shí)驗(yàn)步驟，思維未能深度參與。本研究基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，以初中階段學(xué)生的分子認(rèn)知水平為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑，著力提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中思維發(fā)展與實(shí)驗(yàn)操作的有機(jī)統(tǒng)一。

一、基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)模型

學(xué)習(xí)進(jìn)階是指學(xué)生在特定時(shí)間段內(nèi)，圍繞某一學(xué)習(xí)主題，通過有序的學(xué)習(xí)探索過程，形成連續(xù)發(fā)展的思維模式。實(shí)踐是推動(dòng)學(xué)生能力提升的關(guān)鍵。基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)，旨在科學(xué)規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑，確保學(xué)習(xí)過程系統(tǒng)高效，促進(jìn)學(xué)生深度理解與全面發(fā)展。基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)模型如圖1所示[1]。

“用油膜法估測(cè)油酸分子的大小\"實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)聚焦三大要點(diǎn)：其一，精準(zhǔn)分析學(xué)生的現(xiàn)有認(rèn)知狀態(tài)與期望認(rèn)知狀態(tài)，合理推測(cè)中間認(rèn)知狀態(tài)；其二，設(shè)計(jì)有效教學(xué)策略，如采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)、問題導(dǎo)向等方法，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展；其三，構(gòu)建完善的反饋體系，持續(xù)優(yōu)化學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑，同時(shí)細(xì)致分析各教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)意圖，確保教學(xué)目標(biāo)精準(zhǔn)達(dá)成。

二、基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的初高中物理實(shí)驗(yàn)銜接教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的學(xué)情分析

要實(shí)現(xiàn)最終的教學(xué)目標(biāo)，需具體分析各教學(xué)環(huán)

節(jié)中學(xué)生的現(xiàn)有認(rèn)知狀態(tài)和期望認(rèn)知狀態(tài)，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過程。基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的學(xué)情分析如表1所示。

（二）學(xué)習(xí)過程的設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)過程的設(shè)計(jì)應(yīng)參考學(xué)生的現(xiàn)有認(rèn)知狀態(tài)和期望認(rèn)知狀態(tài)來評(píng)估其中間認(rèn)知狀態(tài)。此環(huán)節(jié)在教學(xué)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，其目的是通過“設(shè)計(jì)一實(shí)踐一反思一再設(shè)計(jì)\"的循環(huán)過程，反復(fù)調(diào)整學(xué)生的中間認(rèn)知狀態(tài)，使其不斷接近學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)。“用油膜法估測(cè)油酸分子的大小\"實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)過程設(shè)計(jì)如圖2所示[2]

（三）教學(xué)開發(fā)

教學(xué)開發(fā)是指教師依據(jù)預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)過程，選擇恰當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)性問題，設(shè)計(jì)循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)任務(wù)和教學(xué)環(huán)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)課程主要包含環(huán)節(jié)：引入、實(shí)驗(yàn)思路分析、物理量測(cè)量、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、小組實(shí)驗(yàn)、結(jié)果展示、誤差分析、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和拓展、實(shí)驗(yàn)反思。

【環(huán)節(jié)一】引入

教師聯(lián)系初中物理知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生回顧分子的數(shù)量級(jí)、特性以及分子與物質(zhì)的關(guān)系。

問題1：什么叫分子？

問題2：分子的大小是多少？一瓶水大概有多少個(gè)分子？問題3：分子有哪些特性？問題4：分子與物質(zhì)的關(guān)系是什么？問題5：如何測(cè)量分子的大小？設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}1至問題4回顧初中物理中關(guān)于分子認(rèn)識(shí)的知識(shí)，幫助學(xué)生打開思路，避免實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的突兀引入，使教學(xué)過渡更自然，最終引出本實(shí)驗(yàn)的核心任務(wù) ——問題5[3]。

【環(huán)節(jié)二】實(shí)驗(yàn)思路分析

安排學(xué)生閱讀教科書5分鐘，熟悉實(shí)驗(yàn)整體思路，同時(shí)展示實(shí)驗(yàn)器材，為學(xué)生的思考提供參照，

問題6：本實(shí)驗(yàn)采用了哪種物理實(shí)驗(yàn)方法？

追問：如何運(yùn)用理想模型法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案？

學(xué)生回答：將油酸分子理想化處理，把滴在水面上的油酸層當(dāng)作單分子油膜層，認(rèn)為油酸分子一個(gè)個(gè)緊挨著整齊排列，且呈球形。

問題7：根據(jù)這樣的理想化模型，如何計(jì)算油酸分子直徑？

教師：請(qǐng)同學(xué)們觀察圖3，將體積為V的油滴滴在水面上形成單分子油膜。若將油膜視為高度為D 的扁平柱體，其體積是 V ，面積是 s ，利用體積公式可得到 V = S D 。由于 D 為油膜分子的直徑，故分子直徑計(jì)算公式為

問題8：計(jì)算出油酸分子的直徑后，應(yīng)如何進(jìn)一步計(jì)算油酸分子的大小？

板書：球體體積公式為 追問：用公式 ml可行嗎？

學(xué)生回答：不可行，因?yàn)榉肿又g是有間隙的，所以用此公式計(jì)算誤差較大。

板書：

分子體積和直徑的計(jì)算公式：

固體和液體： 為分子直徑；氣體： 是兩個(gè)分子間的距離。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用理想模型法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，深化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。通過板書實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)時(shí)指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用該方法思考，幫助學(xué)生聚焦實(shí)驗(yàn)操作，提高學(xué)習(xí)效率，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

【環(huán)節(jié)三】物理量測(cè)量

讓學(xué)生繼續(xù)閱讀教科書，并思考需測(cè)量哪些物理量，然后回答以下問題。

問題9：為什么要用酒精來混合油酸？如何計(jì)算較小體積的油酸？如果將 1 m L 油酸加入 1 9 9 m L 酒精中，用滴管測(cè)得該溶液有50滴，那么1滴中有多少純油酸？

問題10：為什么要撒痱子粉（或細(xì)石膏粉）？撒得太多可以嗎？會(huì)有什么影響？

問題11：如何測(cè)定油膜的面積？

問題12：該實(shí)驗(yàn)需要哪些器材？

問題13：測(cè)出的分子直徑數(shù)量級(jí)是多少？（一般分子直徑的數(shù)量級(jí)是 ，質(zhì)量的數(shù)量級(jí)是 （

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}9和問題10涉及較為生疏的實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。指導(dǎo)學(xué)生通過閱讀教科書自主探究問題答案，培養(yǎng)獨(dú)立完成任務(wù)的能力。問題11和問題12基于前文引入及已學(xué)的初中物理實(shí)驗(yàn)，便于學(xué)生展開聯(lián)想，比較不同方法的優(yōu)劣。問題13作為實(shí)驗(yàn)后的思考題，列出待測(cè)物理量供學(xué)生作答[4]

【環(huán)節(jié)四】實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

各小組依據(jù)分配的實(shí)驗(yàn)器材，合作設(shè)計(jì)并展示實(shí)驗(yàn)方案，方案需包含器材配置圖示及詳細(xì)操作步驟。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力，該成果既可作為學(xué)習(xí)評(píng)估依據(jù)，又能為后續(xù)實(shí)驗(yàn)操作提供保障。

【環(huán)節(jié)五】小組實(shí)驗(yàn)

小組實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師需巡視指導(dǎo)，適時(shí)提問：當(dāng)前實(shí)驗(yàn)進(jìn)展如何？此步驟在整體實(shí)驗(yàn)流程中的作用是什么？這一操作對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何影響？操作時(shí)需注意哪些細(xì)節(jié)？引導(dǎo)學(xué)生將思維融入實(shí)驗(yàn)操作，確保每一步都經(jīng)過深思熟慮，從而真正實(shí)現(xiàn)思維引導(dǎo)下的科學(xué)探究。

【環(huán)節(jié)六】結(jié)果展示

以小組為單位展示測(cè)得的油膜面積數(shù)據(jù)以及計(jì)算得出的油酸分子直徑。

問題14：你是如何計(jì)算油膜面積的？

追問：使用方格紙測(cè)量時(shí)，未填滿整格的部分應(yīng)如何計(jì)算？

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}14及追問引導(dǎo)學(xué)生理解方格紙?jiān)谟?jì)算油膜面積中的作用。通過比較不同計(jì)算方法，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識(shí)。最終由教師確定最優(yōu)方法，以提升學(xué)生思維的嚴(yán)謹(jǐn)性。

【環(huán)節(jié)七】誤差分析

問題15：我們已經(jīng)利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得了油酸分子的直徑，但各組測(cè)量的油酸分子直徑存在差異，說明實(shí)驗(yàn)存在誤差。那么，本實(shí)驗(yàn)存在哪些誤差呢？

問題16：這些誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有哪些影響？有哪些改進(jìn)措施？

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}15通過對(duì)比各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生分析可能的誤差來源，如溶液濃度偏差、滴液體積誤差、油膜形狀及分布對(duì)面積計(jì)算的影響、油酸擴(kuò)散不完全等。問題16首先具體分析誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，然后指出實(shí)驗(yàn)操作中的常見問題，最后提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。通過這一過程，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)誤差的能力，使其深刻認(rèn)識(shí)誤差分析在科學(xué)探究中的核心地位，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與較強(qiáng)的分析能力。

【環(huán)節(jié)八】實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和拓展

引導(dǎo)學(xué)生從誤差分析或?qū)嶋H操作實(shí)踐出發(fā)，提出實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案，并思考能否運(yùn)用此方法測(cè)量其他分子的大小，從而培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。

問題17：除了油酸分子，能否用此方法測(cè)量其他分子的大小？

追問：測(cè)量不同種類分子時(shí)，實(shí)驗(yàn)操作需進(jìn)行哪些具體調(diào)整？

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}17及追問旨在引導(dǎo)學(xué)生突破對(duì)本實(shí)驗(yàn)的固有認(rèn)知。通過思考能否用此方法測(cè)量其他分子大小，促使學(xué)生將本次實(shí)驗(yàn)的原理和方法進(jìn)行遷移拓展，培養(yǎng)其知識(shí)運(yùn)用能力與發(fā)散思維能力；探討測(cè)量不同分子時(shí)實(shí)驗(yàn)操作的具體調(diào)整，讓學(xué)生深入理解實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)和適用條件，提升對(duì)實(shí)驗(yàn)變量的控制和優(yōu)化能力，進(jìn)而全面提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力。

【環(huán)節(jié)九】實(shí)驗(yàn)反思

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)反思并填寫以下表格（見表2）。

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)反思幫助學(xué)生全面回顧實(shí)驗(yàn)流程，深化細(xì)節(jié)記憶，激發(fā)新思考。“注意事項(xiàng)”輔助復(fù)習(xí)步驟并促進(jìn)自我評(píng)估與反思；“改進(jìn)方法”引導(dǎo)學(xué)生突破思維定式，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)批判性分析實(shí)驗(yàn)局限，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。實(shí)驗(yàn)反思過程不僅可以幫助學(xué)生鞏固知識(shí)，還能提升學(xué)生的思維能力與創(chuàng)新能力。

（四）教學(xué)反饋

基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的初高中物理實(shí)驗(yàn)銜接教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)把握以下四個(gè)要點(diǎn)：（1）以初中物理知識(shí)為基礎(chǔ)創(chuàng)設(shè)問題情境，幫助學(xué)生基于現(xiàn)有認(rèn)知基礎(chǔ)展開學(xué)習(xí)；（2）根據(jù)學(xué)習(xí)關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的“階”，并在學(xué)生“進(jìn)階\"后給予反饋；（3）分層設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)情境，優(yōu)化學(xué)習(xí)路徑，降低實(shí)驗(yàn)操作難度；（4）預(yù)設(shè)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可能提出的問題，并準(zhǔn)備解答方案，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)[5]

[參考文獻(xiàn)]

[1][2］戴耀東.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)：以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例[J].物理教師，2023，44（9）：13-16.

[3」丁松，鄭宏偉.巧用“瓶瓶罐罐”做教具讓深度學(xué)習(xí)真實(shí)發(fā)生：以“實(shí)驗(yàn)：用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”教學(xué)設(shè)計(jì)為例[J].中學(xué)物理，2022，40（9）：36-39.

[4]喬蒙蒙，耿宜宏.“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐：以“實(shí)驗(yàn)：用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”教學(xué)為例[J].物理之友，2024（1）：6-8.

[5」蔡千斌.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的高中物理“學(xué)生實(shí)驗(yàn)”教學(xué)設(shè)計(jì)：以“測(cè)定玻璃的折射率”為例[J].物理教師，2020，41（11）：16-19.

（責(zé)任編輯 黃春香）