太空授课背景下“液体表面张力”教学的问题与设计

刘锐+张婷玉+陆星琳

摘 要：液体的表面张力是高中物理知识的选修内容，学生对该物理概念的学习和认识有可能影响其它知识的学习，而本概念教学自身也存在诸多有待完善的方面。针对这些问题，结合太空授课，我们提出了液体表面张力教学的新授课，并得出三点教学反思。

关键词：液体的表面张力；太空授课；概念教学；认识规律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）9（S）-0047-3

2013年6月20日，我国首次太空授课在我国首个目标飞行器天宫一号上成功举行。在这次长达四十分钟的太空授课过程中，航天员王亚平先后演示了质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球四个实验，分别涉及牛顿运动定律、角动量守恒、液体的表面张力等物理知识。其中，水膜和水球的演示时长达8分多钟，讲授清晰连贯，水的表面张力特性也呈现得淋漓尽致。

太空授课是具有历史性的重要时事，液体的表面张力作为高中物理的知识内容也同时被赋予了特别的意义。以此为契机，重新审视中学物理液体表面张力的教学，研究探讨其存在的问题并予以正确合理的解决，就具有重要的教学价值。

1 尴尬地位与重要意义

“液体的表面张力”一节位于普通高中课程标准实验教科书《物理》（选修3-3），因此在高中物理的实际教学中，液体的表面张力因其“选修”身份，长期被教师搁置于可选可不选的地位，这进而也导致了教师对于该物理概念的教学相对其他一些知识而言未有深入全面的研究。而事实上，液体表面张力的教学具有十分重要的意义与价值。

在中学阶段建立的物理模型中，液体表面张力一直是被忽略掉的因素，譬如浮力、液体压力等知识。但现实中的学生对表面张力却有大量顽固的前概念（Preconception），使得这些模型的建立面临着特殊的困难。例如，有学生在学习浮力时始终无法忽略表面张力这一因素。在一次分组实验中，绝大多数学生都试图通过将橡皮泥擀成“薄饼”而使其漂浮。在学习大气压强一节时，有的学生将教师演示的覆杯实验的原因归结为纸片受到了水的“粘性”，而不是大气压强。这些都是液体表面张力因素无法忽略而对物理学习产生的障碍。而学生对液体的认识学习过程，从初中的物态变化、液体压强和浮力到高中的表面张力，再到大学的流体力学，是逐步深化、细化的过程，每个阶段都是学生形成液体的认识中不可或缺的一部分。因此，必须正视并且重视液体表面张力的教学。

当前，现行的各版本高中物理教材，以人教版为代表的讲法对于液体表面张力的讲解均仅限于表面张力的方向和形成的原因，绝大多数教学研究也都拘泥于实验的改进与完善，而忽视了对表面张力全面认识的形成。虽然实验是本节教学的重要环节，成败直接影响着结论的得出以及学生对液体表面张力方向认识的正确性，但倘若无视教学的整体过程，也容易导致学生对于液体表面张力的认识只见树木不见森林，甚至造成知识的负迁移，影响其他物理知识的学习。针对这些问题，结合物理概念教学的一般原则，我们做出如下教学设计。

2 符合认识规律的新授课

液体的表面张力是微观分子间相互作用力的宏观表现，具有较强的抽象性。要形成正确的概念，学生的学习一般要以感性认识为基础，再上升为理性认识，最后经过更多方面的认识和理解才能形成全面正确的认识。基于此，我们可将液体表面张力的教学分为四个主要部分。

2.1 感性认识——“水膜”

从学生已有的生活观念和朴素认识入手是概念教学的一般方法。液体表面张力体现在生活中的各种现象是让学生形成初步认识的有效途径。许多教材也都以“露珠呈球形”、“水黾可以停在水面上”等图片展示水的表面张力。但在让学生观察的同时，教师必须注意给予合理的引导。太空授课作为重要的课程资源为液体表面张力的教学提供了新的思路。我们认为，对于表面张力的感性认识需要从“水膜”这一形象的直观感受入手，即教师在让学生观察图片的基础上，要引导学生形成水的表面好像有一层“水膜”的初步认识。

一方面，“水膜”是学生可以通过观察直接得到的正确的感性认识，能够激发学生思考，也是形成理性认识的基础。另一方面，“水膜”仅是液体表面张力的一种外观的视觉表现，而并非其本质。理解这一直观现象产生的内在原因能够进一步拓展和深化学生对表面张力的认识，这点本文将在后面详细叙述。这里，我们不主张在教学伊始就向学生呈现太空授课的内容，原因是考虑到学生本就不容易忽略表面张力，若再以凸显表面张力的太空授课为开端，有强化学生此类错误前概念的可能。

2.2 理性认识——分子间的作用力

形成一定感性认识以后，通过实验，观察铁丝环上肥皂膜与棉线的变化，学生对表面张力的方向也具有了初步的认识，接下来就进入引导学生的认识从感性走向理性的阶段。

在这个过程中，教师要引导学生通过科学的思维，也即运用比较、分析、综合、判断、推理、想象等方法来抓住事物的本质特征以及事物间的联系和制约关系。液体表面张力的实质较为深奥，而教材对其原因的解释利用了分子动理论，通过比较液体内部和表层分子间距的大小，分析得到液体表层分子的间距大，从而判断液体表层分子间的作用力为吸引力。在教学中，教师要引导学生通过想象液体表层的大量分子之间具有相互吸引的作用力，进而抓住液体表面张力的本质，认识到表面张力的作用可以使液体表面“紧绷”。

我们认为这不失为一种“权宜”解释。在高中阶段，物理教学不能弃学生的需求于不顾，但亦不可苛求准确无误；只能采取适当方式，在学生的知识水平可以接受的范围内，让学生形成较为深刻的认识。分子动理论就是中学物理教学中被广泛使用的一种“权宜”解释，水的蒸发和沸腾、电阻发热等问题都可以从分子动理论的角度给予相对科学合理的说明。

2.3 全面认识——太空授课

现行的所有教材在“液体的表面张力”一节里都包含了以上两个部分，但也都只是仅仅包含这两部分。然而，学生的认识过程在变得理性之后并不能完结，还需要结合更多方面的认识去理解，才能达到对事物全面的、具体的认识。因此，我们认为本节教学的继续展开具有重要意义。

在实际教学中，研究液体的表面张力需要配置肥皂水，而在太空授课中，演示实验所用的是可饮用的纯水。水的表面张力在失重状态下得到完美呈现，这是学生在日常生活中从未接触过的，也是学生凭借想象力难以预料的，在认识了表面张力的本质以后，通过观看太空授课，从一颗水珠到一张水膜，再到一个大水球，学生的认识也随之逐步加深。视频中航天员王亚平的一句话值得注意：“在失重状态下，普通水也可以形成这么大的水膜，这在地面上可是很难做到的”。生活中，水的表面张力远没有在太空中显得那么有“威力”，这是教师教学时必须向学生强调的一点。正如前文所述，学生对于液体表面张力大小的认识有可能会直接影响浮力以及大气压强的学习，甚至有些教师都坚持认为覆杯实验中的液体表面张力是无法忽略的，而事实上，表面张力提供的向上的力对覆杯实验的作用非常之小，几乎可以忽略不计。

2.4 拓展认识——原始物理问题

在物理教学中运用原始物理问题，契合学生的直接经验和间接经验，能够培养学生的创造性思维，因此，选取合适的原始物理问题进行教学具有重要的教育价值。太空授课之所以会给人震撼的感受，与选择失重状态下现象明显的演示实验作为授课内容分不开，这也恰恰给了我们重要的启示。

原始物理问题即自然界及社会生活、生产中客观存在且未被加工的物理问题。 针对本节液体表面张力的教学，我们认为，“缝衣针为什么能够漂在在水面上”就是一道很好的原始物理问题。曾有人提出，缝衣针能够被水托住是受到了“水膜”的支持力。相信在学习了液体的表面张力以后，对于一开始看到的水黾能够停在水面上的现象，许多学生也很容易产生这样的错误认识，而事实上，“水膜”并不真实存在，同时也为了向学生澄清这一点，本节课的教学从“水膜”入手，最后还要再回到“水膜”上来。该问题的解释涉及浸润与不浸润，手拿过以后，缝衣针表面会有一层油脂膜，水是不浸润的，缝衣针放在水面上，水表面成“凹”状，缝衣针受到水面的表面张力（如图1）的合力向上，与重力平衡。因此，是液体的表面张力托住了缝衣针，而不是“水膜”。

3 教学反思

液体的表面张力是中学物理知识众多概念中的一个，是学生建立“物理大厦”的一块砖瓦，教学所存在的问题必然会对学生的物理学习产生影响，本概念教学亦然。反思我们提出的新授课，有以下三点启示。

3.1 符合概念教学的一般规律

概念教学在中学物理教学中具有十分重要的地位，学生能否较好的掌握物理概念知识很大程度上取决于概念教学过程是否科学合理。一般情况下，概念教学要经过“认识”、“完善”、“拓展”三个阶段，而不能毕其功于一役。“认识”即让学生对物理概念形成正确的感性认识和理性认识；“完善”即让学生从不同侧面去理解概念，形成全面的认识；“拓展”则是指学生对概念活化、巩固的过程，是培养学生能力的良好时机。本节液体表面张力的新授课在原教学基础上完善了概念教学的后两个阶段，并巧妙地将“水膜”贯穿于教学始终，使教学过程的三个阶段形成连贯的整体，达到了物理概念教学的基本要求。

3.2 注重学生的认识规律

学习过程一般是从生动的直观开始的，通过观察、实验等过程，学生对学习内容的认识是感性的、具体的。而当学生了解了事物的本质以后，认识就变得理性并抽象。但此时学生的认识并不是终结，还需要结合更多方面的认识去理解，才能达到对事物全面的、具体的认识。液体表面张力的新授课以“水膜”为开端，让学生有了感性而具体的认识，而后通过分子间作用力的本质原因的阐述又使学生的认识变得理性而抽象，最后结合太空授课，使学生达到对表面张力全面而具体的认识。这样，最终使学生获得对液体表面张力的真正认识。

3.3 注意前概念对教学的影响

前概念是影响和制约物理概念教学的一个重要因素，有的前概念与科学概念相一致，有的却与科学概念存在偏差或失真，因此，教学不能忽视学生的前概念。清楚了解学生的前概念，教师的教学才能做到有的放矢。学生脑海中液体表面张力前概念的存在可能给浮力和大气压强的学习制造障碍，而想要转化错误的前概念，除了要让学生正确认识浮力和大气压强的概念以外，还要从问题的源头入手，让学生形成液体表面张力概念的正确认识，只有这样，才能根除学生的错误认识，建立正确的物理概念。

参考文献：

[1]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心. 物理（选修3-3）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]乔际平.乔际平教育思想文集[M].北京：首都师范大学出版社，2011.

[3]王绍符.覆杯实验的科学解释[J].物理通报，2003，（5）：26.

[4]高嵩，廖伯琴.覆杯实验的若干问题分析[J].物理教学探讨，2011，（1）：31.

[5]邢红军，陈清梅.论原始物理问题的教育价值及其启示 [J].课程.教材.教法，2005，（1）：56.

[6]季永青.关于液体表面张力的错误认识[J].物理教师，2000，（12）：121.

（栏目编辑 陈 洁）

在实际教学中，研究液体的表面张力需要配置肥皂水，而在太空授课中，演示实验所用的是可饮用的纯水。水的表面张力在失重状态下得到完美呈现，这是学生在日常生活中从未接触过的，也是学生凭借想象力难以预料的，在认识了表面张力的本质以后，通过观看太空授课，从一颗水珠到一张水膜，再到一个大水球，学生的认识也随之逐步加深。视频中航天员王亚平的一句话值得注意：“在失重状态下，普通水也可以形成这么大的水膜，这在地面上可是很难做到的”。生活中，水的表面张力远没有在太空中显得那么有“威力”，这是教师教学时必须向学生强调的一点。正如前文所述，学生对于液体表面张力大小的认识有可能会直接影响浮力以及大气压强的学习，甚至有些教师都坚持认为覆杯实验中的液体表面张力是无法忽略的，而事实上，表面张力提供的向上的力对覆杯实验的作用非常之小，几乎可以忽略不计。

2.4 拓展认识——原始物理问题

在物理教学中运用原始物理问题，契合学生的直接经验和间接经验，能够培养学生的创造性思维，因此，选取合适的原始物理问题进行教学具有重要的教育价值。太空授课之所以会给人震撼的感受，与选择失重状态下现象明显的演示实验作为授课内容分不开，这也恰恰给了我们重要的启示。

原始物理问题即自然界及社会生活、生产中客观存在且未被加工的物理问题。 针对本节液体表面张力的教学，我们认为，“缝衣针为什么能够漂在在水面上”就是一道很好的原始物理问题。曾有人提出，缝衣针能够被水托住是受到了“水膜”的支持力。相信在学习了液体的表面张力以后，对于一开始看到的水黾能够停在水面上的现象，许多学生也很容易产生这样的错误认识，而事实上，“水膜”并不真实存在，同时也为了向学生澄清这一点，本节课的教学从“水膜”入手，最后还要再回到“水膜”上来。该问题的解释涉及浸润与不浸润，手拿过以后，缝衣针表面会有一层油脂膜，水是不浸润的，缝衣针放在水面上，水表面成“凹”状，缝衣针受到水面的表面张力（如图1）的合力向上，与重力平衡。因此，是液体的表面张力托住了缝衣针，而不是“水膜”。

3 教学反思

液体的表面张力是中学物理知识众多概念中的一个，是学生建立“物理大厦”的一块砖瓦，教学所存在的问题必然会对学生的物理学习产生影响，本概念教学亦然。反思我们提出的新授课，有以下三点启示。

3.1 符合概念教学的一般规律

概念教学在中学物理教学中具有十分重要的地位，学生能否较好的掌握物理概念知识很大程度上取决于概念教学过程是否科学合理。一般情况下，概念教学要经过“认识”、“完善”、“拓展”三个阶段，而不能毕其功于一役。“认识”即让学生对物理概念形成正确的感性认识和理性认识；“完善”即让学生从不同侧面去理解概念，形成全面的认识；“拓展”则是指学生对概念活化、巩固的过程，是培养学生能力的良好时机。本节液体表面张力的新授课在原教学基础上完善了概念教学的后两个阶段，并巧妙地将“水膜”贯穿于教学始终，使教学过程的三个阶段形成连贯的整体，达到了物理概念教学的基本要求。

3.2 注重学生的认识规律

学习过程一般是从生动的直观开始的，通过观察、实验等过程，学生对学习内容的认识是感性的、具体的。而当学生了解了事物的本质以后，认识就变得理性并抽象。但此时学生的认识并不是终结，还需要结合更多方面的认识去理解，才能达到对事物全面的、具体的认识。液体表面张力的新授课以“水膜”为开端，让学生有了感性而具体的认识，而后通过分子间作用力的本质原因的阐述又使学生的认识变得理性而抽象，最后结合太空授课，使学生达到对表面张力全面而具体的认识。这样，最终使学生获得对液体表面张力的真正认识。

3.3 注意前概念对教学的影响

前概念是影响和制约物理概念教学的一个重要因素，有的前概念与科学概念相一致，有的却与科学概念存在偏差或失真，因此，教学不能忽视学生的前概念。清楚了解学生的前概念，教师的教学才能做到有的放矢。学生脑海中液体表面张力前概念的存在可能给浮力和大气压强的学习制造障碍，而想要转化错误的前概念，除了要让学生正确认识浮力和大气压强的概念以外，还要从问题的源头入手，让学生形成液体表面张力概念的正确认识，只有这样，才能根除学生的错误认识，建立正确的物理概念。

参考文献：

[1]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心. 物理（选修3-3）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]乔际平.乔际平教育思想文集[M].北京：首都师范大学出版社，2011.

[3]王绍符.覆杯实验的科学解释[J].物理通报，2003，（5）：26.

[4]高嵩，廖伯琴.覆杯实验的若干问题分析[J].物理教学探讨，2011，（1）：31.

[5]邢红军，陈清梅.论原始物理问题的教育价值及其启示 [J].课程.教材.教法，2005，（1）：56.

[6]季永青.关于液体表面张力的错误认识[J].物理教师，2000，（12）：121.

（栏目编辑 陈 洁）

在实际教学中，研究液体的表面张力需要配置肥皂水，而在太空授课中，演示实验所用的是可饮用的纯水。水的表面张力在失重状态下得到完美呈现，这是学生在日常生活中从未接触过的，也是学生凭借想象力难以预料的，在认识了表面张力的本质以后，通过观看太空授课，从一颗水珠到一张水膜，再到一个大水球，学生的认识也随之逐步加深。视频中航天员王亚平的一句话值得注意：“在失重状态下，普通水也可以形成这么大的水膜，这在地面上可是很难做到的”。生活中，水的表面张力远没有在太空中显得那么有“威力”，这是教师教学时必须向学生强调的一点。正如前文所述，学生对于液体表面张力大小的认识有可能会直接影响浮力以及大气压强的学习，甚至有些教师都坚持认为覆杯实验中的液体表面张力是无法忽略的，而事实上，表面张力提供的向上的力对覆杯实验的作用非常之小，几乎可以忽略不计。

2.4 拓展认识——原始物理问题

在物理教学中运用原始物理问题，契合学生的直接经验和间接经验，能够培养学生的创造性思维，因此，选取合适的原始物理问题进行教学具有重要的教育价值。太空授课之所以会给人震撼的感受，与选择失重状态下现象明显的演示实验作为授课内容分不开，这也恰恰给了我们重要的启示。

原始物理问题即自然界及社会生活、生产中客观存在且未被加工的物理问题。 针对本节液体表面张力的教学，我们认为，“缝衣针为什么能够漂在在水面上”就是一道很好的原始物理问题。曾有人提出，缝衣针能够被水托住是受到了“水膜”的支持力。相信在学习了液体的表面张力以后，对于一开始看到的水黾能够停在水面上的现象，许多学生也很容易产生这样的错误认识，而事实上，“水膜”并不真实存在，同时也为了向学生澄清这一点，本节课的教学从“水膜”入手，最后还要再回到“水膜”上来。该问题的解释涉及浸润与不浸润，手拿过以后，缝衣针表面会有一层油脂膜，水是不浸润的，缝衣针放在水面上，水表面成“凹”状，缝衣针受到水面的表面张力（如图1）的合力向上，与重力平衡。因此，是液体的表面张力托住了缝衣针，而不是“水膜”。

3 教学反思

液体的表面张力是中学物理知识众多概念中的一个，是学生建立“物理大厦”的一块砖瓦，教学所存在的问题必然会对学生的物理学习产生影响，本概念教学亦然。反思我们提出的新授课，有以下三点启示。

3.1 符合概念教学的一般规律

概念教学在中学物理教学中具有十分重要的地位，学生能否较好的掌握物理概念知识很大程度上取决于概念教学过程是否科学合理。一般情况下，概念教学要经过“认识”、“完善”、“拓展”三个阶段，而不能毕其功于一役。“认识”即让学生对物理概念形成正确的感性认识和理性认识；“完善”即让学生从不同侧面去理解概念，形成全面的认识；“拓展”则是指学生对概念活化、巩固的过程，是培养学生能力的良好时机。本节液体表面张力的新授课在原教学基础上完善了概念教学的后两个阶段，并巧妙地将“水膜”贯穿于教学始终，使教学过程的三个阶段形成连贯的整体，达到了物理概念教学的基本要求。

3.2 注重学生的认识规律

学习过程一般是从生动的直观开始的，通过观察、实验等过程，学生对学习内容的认识是感性的、具体的。而当学生了解了事物的本质以后，认识就变得理性并抽象。但此时学生的认识并不是终结，还需要结合更多方面的认识去理解，才能达到对事物全面的、具体的认识。液体表面张力的新授课以“水膜”为开端，让学生有了感性而具体的认识，而后通过分子间作用力的本质原因的阐述又使学生的认识变得理性而抽象，最后结合太空授课，使学生达到对表面张力全面而具体的认识。这样，最终使学生获得对液体表面张力的真正认识。

3.3 注意前概念对教学的影响

前概念是影响和制约物理概念教学的一个重要因素，有的前概念与科学概念相一致，有的却与科学概念存在偏差或失真，因此，教学不能忽视学生的前概念。清楚了解学生的前概念，教师的教学才能做到有的放矢。学生脑海中液体表面张力前概念的存在可能给浮力和大气压强的学习制造障碍，而想要转化错误的前概念，除了要让学生正确认识浮力和大气压强的概念以外，还要从问题的源头入手，让学生形成液体表面张力概念的正确认识，只有这样，才能根除学生的错误认识，建立正确的物理概念。

参考文献：

[1]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心. 物理（选修3-3）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]乔际平.乔际平教育思想文集[M].北京：首都师范大学出版社，2011.

[3]王绍符.覆杯实验的科学解释[J].物理通报，2003，（5）：26.

[4]高嵩，廖伯琴.覆杯实验的若干问题分析[J].物理教学探讨，2011，（1）：31.

[5]邢红军，陈清梅.论原始物理问题的教育价值及其启示 [J].课程.教材.教法，2005，（1）：56.

[6]季永青.关于液体表面张力的错误认识[J].物理教师，2000，（12）：121.

（栏目编辑 陈 洁）