学生课堂自主体验活动在物理教学中的应用——以“分子阿伏加德罗常数”一课为例

李沐东

(上海市杨浦区教师进修学院 上海 200092)

学生课堂自主体验活动在物理教学中的应用
——以“分子阿伏加德罗常数”一课为例

李沐东

(上海市杨浦区教师进修学院 上海 200092)

1 教学背景

教学内容：上海科学技术出版社出版的《物理》高中一年级第二学期第六章“气体和气体定律A分子 阿伏加德罗常数”.

本节主要包含两部分内容：分子动理论、分子速率的统计规律.具体包含分子概念的引入、分子直径的测量实验、阿伏加德罗常数、分子热运动、分子间作用力、分子速率的统计规律等.

课时划分如下：第一课时包含分子概念的引入、分子直径的测量实验、阿伏加德罗常数；第二课时包含分子热运动、分子间作用力、分子速率的统计规律.本案例主要讨论第二课时的教学.

对本节课进行教学设计，安排的教学内容如图1所示.

图1 教学内容安排

相比较教材，教学设计增加了“物态的微观解释”，是为了使学生更好地理解分子动理论的内容，通过分子动理论的实际应用，体现其蕴含的思维方法和理论价值.

本课时要落实的重点是“分子动理论”中的分子热运动、分子间作用力；要突破的难点是“分子速率统计规律”.这是因为，“分子动理论”是热学的重要内容，起到基本公理的作用，后续气体参量的学习和解释都需要用到它.虽然学生在初中已经初步学习过分子动理论的内容，但这部分内容较为抽象，对学生的想象能力有较高的要求，对学生的理解提出挑战.并且统计方法是学生在物理学科首次认识的一种新的研究方法，会成为学习的一个难点.

大量的教学实践证明，若仅是教师讲解，学生对本节课的学习内容很难理解，记忆得也不深刻.那么如何解决这个问题，达到良好的教学效果呢？

问题的关键在于学生若仅是被动接受，从抽象到抽象，缺乏认知基础，缺乏直观体验，无法在头脑中有效地建构起正确的物理模型，从而无法理解和掌握所学的知识.因此，本课教学设计时，强调以“观察、实验”为基础，以“假设、推理”为纽带，以“活动、体验”为策略，应用“学生课堂自主体验活动”来增强学生的主动参与、直观体验.

所谓的“学生课堂自主体验活动”是指课堂上，根据教学目标与内容、学生的认知规律与心理特点而设置的学习活动，学生可以动手、动口、动脑，调动多感官亲身参与其中，从而加强体验，促进知识建构.

应用该活动是为了贯彻课程理念，遵循学科特点、学生的认知规律和心理特点，在教学中提供丰富的物理表象，把抽象的东西形象化，把一般的东西具体化；同时学生由被动接受变为主动参与，从而激发学生的学习热情和学习兴趣，促使学生意义建构.

根据教学内容，本节课具体安排了以下4个体验活动：

(1)绘画布朗运动微观解释图；

(2)表演3种物态分子的状态；

(3)揭示统计规律的体验活动(掷硬币、伽耳顿板)；

(4)绘制分子速率分布直方图.

教学实践下来，这4个活动将本来抽象的物理知识，变得形象直观，触手可及，很好地促进了学生的知识构建，从而落实重点、突破难点，达成教学目标与任务.

2 教学过程

下面通过具体的教学过程，展示和说明这4个活动是如何应用的.

2.1 绘画布朗运动微观解释图

演示实验：观察布朗运动

在载玻片上滴少量的颜料悬浊液，盖上盖玻片，制成临时装片.放在显微镜下用高倍镜观察，用显微摄像头，将观察到的景象投到电脑上.

师：有没有看到有东西在运动？

生：看到了.

师：这就是布朗运动，大家先仔细观察一下，一会儿请同学说说你观察到了什么现象？有什么疑问？

学生观察，并回答问题.基本上学生会有以下观察及问题：

(1)许多小黑点(颗粒)在动.它们是什么？为什么会动？

(2)小的颗粒运动得剧烈.为什么？

(3)有的颗粒不动.为什么？

(4)颗粒的运动情况相似又不尽相同.它们做什么运动？

师：这些小黑点是什么有没有同学可以尝试回答？

生甲：液体分子.

师：有不同意见吗？

生乙：这些黑点应该是颜料颗粒.

师：你判断的依据是什么？

生：光学显微镜的放大倍率不可能使我们直接看到分子的.

师：非常好.黑点的确是颜料颗粒，我们看到的运动是颜料颗粒的运动，而不是液体分子的运动.对于其他问题，人类经过了近一个世纪的探索才最终找到答案.今天我们不可能一一经历和重复前人的工作，不过我们可以阅读前人的成果，通过自己的努力找到答案.请打开书本第67页，并阅读“历史回眸——布朗运动”部分，寻找答案，并完成工作单上第一个任务——把你找到的解释用简图描绘一下.

学生活动：阅读教材，找出颗粒运动的原因；绘制颗粒运动的微观解释图.

部分学生的作品如图2所示.

图2 部分学生绘制的作品

交流展示：教师展示学生的典型作品，并进行分析.

师：你所绘制的图中，各个符号分别代表什么？

生丙：……

师：根据你所画的图，如何解释小颗粒会动？

生丙：周围液体分子撞击小颗粒，但撞击不平衡.哪边力量大，颗粒就会反方向运动.

师：为什么大的颗粒没有小的动得剧烈？

生丙：因为大颗粒质量大，惯性也就大.

师：为什么颗粒再大就不动了呢?

生丙：质量更大，撞不动了.

师：但如果所有液体分子往一个方向撞击的话，一定的时间后运动也会显现出来的呀.

生丙：……

生乙：颗粒大，表面积就大，各个方向撞击的几率就近似相等了，颗粒受到的合力为零，所以不动.

师：解释得非常好.现在就剩下这个问题了，这些颗粒做什么运动呢？

……

总结：布朗运动.

定义：悬浮在液体或气体中的固体小颗粒杂乱无章的运动叫布朗运动.

产生原因：悬浮在液体中的小颗粒受到液体各个方向液体分子撞击作用不平衡造成的.

意义：间接反映了“组成物质的分子在做永不停息的无规则运动”.

2．2 表演3种物态分子的状态

在学习了完整分子动理论后，通过对宏观物态现象的微观解释，体现它的应用.

师：热运动和分子间的相互作用力构成了一对矛盾，分子间的相互作用力要使分子形成一系列规则排列(称为有序结构)，另一方面，热运动又要破坏这种有序结构，正是这样相互对立矛盾的辩证统一形成各种各样的物质形态.对于同一种物质，有如下3种表现形态：

(1)较低温度下，无规则运动不够剧烈，分子在相互作用力的影响下被束缚在各自的平衡位置附近做微小的振动，这时表现为固体.

(2)当温度升高，无规则运动剧烈到某一限度时，分子作用力已不能束缚分子在平衡位置做微小振动，但也不能使分子远离，这样表现为液态.

(3)当温度再高时，无规则运动更加强烈，分子间也不能再维持一定距离，从而分子互相分散远离，分子的运动近似自由，这样表现为气态.

这3种状态可以相互转化.不知大家对物态微观解释是否已经有了清晰、正确的认识，下面请几位同学表演一下3种物态下分子的运动状态.

学生活动：分子运动状态的表演.

让6名左右的学生，到讲台前一个指定的区域，分别表演固态、液态、气态时分子的运动状态，如图3所示.

图3 学生表演时的情景

其他学生可以作为观众评委，如果表演正确给他们掌声鼓励，如果有问题要及时指出.课堂气氛顿时活跃.这个活动把抽象的东西形象化了.

2.3 揭示统计规律的体验活动

课前活动：掷硬币.

每位学生扔100次硬币，记录正面向上的次数，来说明统计规律性，同时对我们熟知的事情也进行一次实证.由于这项活动耗时较长，所以作为课前活动.在课上进行统计汇总，表1是学生活动的记录.

表1 学生掷硬币结果的汇总表

学生活动：我丢你猜.

用3D打印机打印小型的伽耳顿板，一名学生一次丢一个小球，在丢之前另一名学生猜测小球会落到哪个狭槽，如图4所示.通过活动发现任一个小球的下落是随机的.在学生活动之后，教师利用大的伽耳顿板进行演示，经过多次实验后发现每次小球的分布形状都是相同的，从而说明大量的小球下落后的统计规律性.

图4 学生在进行“我丢你猜”的活动

2.4 绘制分子速率分布直方图

师：通过上面两个活动，我们知道大量偶然事件蕴含着必然规律.物体内部分子的运动是无规则，可以想象必定有快有慢，分子数量又是巨大的，分子的速率是不是也存在着统计规律呢？回答是肯定的，那么分子速率的统计规律是怎样的呢？

师：表2是0 ℃时氧气分子速率的分布情况，把这些数据绘制成为直方图,并将每个直方图的顶部中点用光滑的曲线连接起来.

表2 在0 ℃时氧气分子速率的分布情况

学生活动：绘制在0 ℃时氧气分子速率分布的直方图(图5).

图5 学生在绘制直方图

交流展示：教师展示学生绘制的图像，如图6所示.

图6 学生绘制的作品

师：通过大家的工作，我发现，分子速率分布呈现图7所示的一个曲线，某一速度附近，分子数量最多，而速度变快或变慢，分子的数量都减小.

图7 分子速率分布图

3 结束语

这4个活动的应用丰富了表象，突破了教学难点，取得了较好的效果.

其中第1和第2个活动，形象、生动，加深了学生对微观世界的认知.抽象的知识虽然通过学生阅读、教师讲解等教学活动进行了教学，但是学生在头脑中到底建构得如何？有必要将它以一定的形式反映出来，这两个活动就起到这样的作用.同时，活动还将抽象的知识形象化，促进了学生的认知.对于认知有偏差的学生，是一次修正的机会，对认知有困难的学生，是一次帮助的机会.这一过程师生、生生思想交流碰撞，会产生大量、丰富的教学资源，比如画一画过程，展现出了学生头脑中丰富的微观结构模型，演一演过程体现出了学生对分子运动状态的理解，从而使整个教学的参与者思想同频共振，达到最大振幅，取得较好的教学效果.

第3和第4个活动使学生明白分子速率分布规律的来龙去脉.分子速率分布统计规律如果仅仅教师介绍的话，可能2～3 min即可，但对学生来说难以理解，仅仅是记住结论，那么自然也就容易遗忘.著名教育家布鲁纳强调“知识结构”，他认为懂得基本原理使得学科更容易理解.因此，这两个活动正是为学生展示要学习知识的原理.第3个活动使学生从实践中理解了统计规律，且很容易类比到分子运动的研究上来，理解分子运动的研究方法需要用到统计方法.第4个活动经历分子速率分布规律曲线的产生过程，使该图线不再是抽象冰冷的，从而加深了理解.

同时，这4个活动的应用，符合了前文所说的情绪对记忆影响的规律，使学生始终处在身心、思维活跃的状态，很好地调动了学生的主动性、积极性，课堂气氛轻松活跃，营造了良好的学习氛围.

学生课堂自主体验活动在本节课上的具体应用，体现了它的应用意义：

(1)增强身心体验，激发学习兴趣

学生课堂自主体验活动强调学生的参与、动手，因为一千个人的眼中有一千个哈姆雷特，个体的体验是他人无法替代的.只有亲自参与体验，才是最深刻的、最鲜活的，也是最有感触的.再结合中学生的生理、心理特点，亲自动手的活动也是最容易、最能激发他们兴趣的方式.

(2)调用多个感官，促进知识建构

学生课堂自主体验活动有利于学生动眼、动手、动口、动脑等多种感官的参与.研究表明，多个感官同时参与学习活动，可以取得更好的学习效果.这是因为调动的感官越多，就可以利用越多的大脑通路，建立起更多的神经连接，从而促进了信息在大脑中的构建.

(3)激活多元思维，改善心智模式

美国著名的心理学家、教育学家斯滕伯格在《思维教学》一书中提出思维三元论，他将思维划分成3个基本的层面：分析性思维、创造性思维和实用性思维.传统接受式的教学模式，更多培养的是学生的分析思维.而学生课堂自主体验活动增加真实的情境、学生的体验、问题的解决，会对学生的创造性思维和实用性思维的培养有现实意义，从而改善学生的心智模式.

(4)凸显学科特点，加强科学探究

物理的本质就是观察和探究我们周围的世界，试图从已知事物中确定某些潜在的秩序和模式.因此，它需要以现实世界为观察对象，它需要科学探究去发现规律，它需要到现实中去验证结论…….物理学习不能坐而论道，要加强观察、实验、体验，所以说学生课堂自主体验活动可以很好地突出物理学科的本质和特点，体现它是集知识性、探究性、实用性于一体的学科.

2016-09-20)