基于物理学科核心素养的教学设计——以“毛细现象”为例

陈 铭 侯 恕

(东北师范大学物理学院,吉林 长春 130000)

学科核心素养提出以来,受到了广大教育研究者与一线教师的关注.《普通高中物理课程标准(2017年版)》中课程目标指出“高中物理课程应在义务教育的基础上,进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展”.物理学科核心素养包括:物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任,它是三维目标的整合与发展.其中,物理观念是较为上位的概念,是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华,具体包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等.在学生形成物理观念的过程中,对学生的科学思维和科学探究能力进行培养,使学生逐渐形成模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新的科学思维和问题、证据、解释、交流的科学探究能力,同时,在这一过程中,渗透STSE的教育理念,培养学生的科学态度与责任.

因此,学科核心素养的4个方面在教学活动中是同步培养并提升的.如何让核心素养落地,成为当下亟待解决的问题.

笔者将物理学科核心素养的培养落实在课堂教学中,综合分析人教版教科书、沪科版教科书与鲁科版教科书,形成了“毛细现象”一节的教学设计．

1 教材分析

在人教版教科书中,“毛细现象”是《物理》选修3-3第9章第2节“液体”的第4部分内容.在介绍毛细现象前,教科书先对液体表面张力和浸润与不浸润进行了介绍;然后以玻璃管插入水中的现象引入毛细现象;之后介绍毛细现象产生的原因;最后介绍了毛细现象在生活中的应用与防止.

人教版教科书对毛细现象介绍较少,对浸润与不浸润介绍较多．从绘图而非实验图引入毛细现象,更多地关注毛细现象在生活中的应用与防止.

在沪科版教科书中,“毛细现象”是《物理》选修3-3第3章第2节“研究液体的表面性质”一节的第3部分内容.教科书首先介绍了浸润与不浸润现象及他们形成的原因.由内径不同的玻璃管插入水中的实验图,介绍什么是毛细现象.提出问题:毛细现象产生的原因.讨论与思考部分,结合生活中的现象提出问题:为什么在砌砖的地基上铺一层油毡或涂上沥青的厚纸?

沪科版教科书在本部分内容的呈现上从实验开始,到理论分析,再到生活应用.注重学生的观察与思考能力的培养,其中出现了多个问题,要求学生自行讨论、自主思考解决.

在鲁科版教科书中,“毛细现象”是《物理》选修3-3第3章第2节的内容.此版教科书将其单列为一节的内容,整节内容分为两部分:浸润与不浸润和毛细现象.第一部分中,教科书首先通过“不同固体材料表面上的水”的实验,介绍浸润与不浸润的表现;然后从微观层面分析了形成浸润与不浸润现象的原因;最后介绍了日常生活中的浸润与不浸润现象．第二部分中,首先通过“内径不同的细玻璃管插入不同的液体中”的实验观察并概括毛细现象及特点;然后提出问题:为什么会产生这种现象?从力与运动的角度对原因进行了分析;最后介绍了生活中的毛细现象及毛细现象的应用与防止.

鲁科版教科书这部分内容最为详细.两部分都是由实验引入,然后分析原因,最后联系生活.本节教学内容中,教科书共有10幅插图,运用插图更形象地呈现实验现象,解释实验原因.

对比3版教科书,总结得出以下结论:

(1) 学习毛细现象前,需要先学习浸润与不浸润;(2) 要用实验展示毛细现象,然后探究产生这一现象的原因;(3) 毛细现象在生活中应用广泛,其应用需要进行详细介绍.

2 学情分析

学生主体是高中二年级学生,在学习本节课内容之前已具备力与运动的相关知识,知道力能改变物体的运动状态.学生已经具有一定的观察、类比和分析推理能力,抽象思维能力与科学探究能力需进一步培养.日常生活中存在许多毛细现象,但学生并不知道其中蕴藏的物理知识.

3 教学目标

依据《普通高中物理课程标准》对本部分内容的要求“知道毛细现象”,结合物理学科核心素养的要求,制定以下核心素养教学目标:(1) 知道什么是毛细现象,加深力与运动的物理观念;(2) 分析毛细现象产生的原因,体会科学探究的过程;(3) 介绍毛细现象的应用,进一步认识科学、技术、社会、环境的关系.

4 教学过程与分析

4.1 新课引入:从传说到现实,激发学生兴趣

图1 双色花

教学片断1.

师:同学们,七色花令人神往,今天,老师把她的妹妹双色花请到了我们的课堂(图1),想知道如何培育她吗,接下来,我们来探索培育她的奥秘——毛细现象.

(同时把双色花给学生,各组学生争相传看.)

设计分析.由七色花的传说引入新课,但给学生展示的是双色花,为揭秘后引导学生制作七色花埋下伏笔;展示双色花后,便有学生质疑花的真假,学生们传阅后,确定花是真花,急于知道如何培育出这种“奇怪”的花.由此引入新课,激发学生探索的兴趣.

4.2 发现现象:从演示到实践,鼓励学生质疑

教学片断2.

师:毛细现象是什么呢?我们通过一个实验来观察.

图2 墨水在狭缝中上升

师：老师这儿有两块玻璃板和墨水,把两块玻璃板平行贴合在一起,他们中间就会形成细小的狭缝,让这个狭缝与墨水接触,会发生什么现象呢?我们一起来看(图2).

生:墨水在狭缝中向上流.(课堂上发出惊讶的声音,同时有同学对这一“反自然”现象提出质疑.)

师:看来有同学在怀疑你看到的实验现象的真实性,请同学们小组配合,看看你能让水在玻璃狭缝中上升吗?

(学生们操作实验,多组学生完成此实验.)

师:同学们亲自动手,确实看到液体在毛细管中上升,所有的液体在毛细管中都能上升吗?如果把墨水换成水银,将会发生什么现象呢?我们一起来看老师提前录制的视频.(播放视频)

师:你观察到什么现象?

图3 水银在管中下降

生:水银在管中下降了(图3).

师:看来液体在毛细管中不只会上升,还会下降.我们把液体在毛细管中上升或下降的现象统称为毛细现象.

师:我们为什么不在课堂上演示这个实验,而要观看视频呢?

生:因为水银有毒.

设计分析.(1) 演示实验的现象与学生“以为的”现象存在差异,鼓励学生质疑,并亲自动手进行验证.(2) 引导学生全面思考问题.(3) 提醒学生进行科学实验时,要考虑安全性问题.

4.3 原因探析:从实验到理论,培养科学思维

教学片断3.

师:为什么液体在毛细管中会产生上升或下降的现象呢?要想解开这个谜团,我们把毛细管放大,先来看看液体在管中会是什么样的.请同学们小组合作,观察水在玻璃管中的液面形状.

(学生小组开展实验)

生:水在玻璃管中是凹液面(图4).

师:水银在玻璃管中会是什么形状呢?我们一起来看图片(图5).

图4 水在玻璃管中

生:水银在玻璃管中是凸液面.

师:看来水和水银在玻璃管中的液面形状也是不相同的,为什么出现这种情况呢?我们一起从微观角度进行分析(播放动画).

液体与固体接触时,接触面上会形成一层液体薄层,我们把这个薄层叫做附着层.当固体分子对液体分子的吸引力大于液体内部分子间的吸引力时,附着层内分子比较密集,分子间距离比较小,当分子间距离小于平衡距离时,将表现为排斥力.附着层上的分子相互排斥,附着层就有了扩张的趋势.此时,我们称液体浸润固体.用这种固体制成管,并把这种液体加入管中,由于附着层的扩张趋势,将呈现为凹液面.现在,你知道为什么水在玻璃管中是凹液面了吗?

生:由于玻璃分子对水的吸引力大于水分子之间的吸引力.

师:玻璃分子吗?调动你的化学知识,玻璃的主要成分是什么?

生:SiO2,是SiO2分子对水分子的吸引力大于水分子之间的吸引力.

设计分析.(1) 为了探寻毛细现象的产生原因,需要把毛细管放大,看看液体在管中的情况.符合思维逻辑.(2) 实验观察发现不同液体在管中的液面不同,究其不同的原因,需要从微观的角度进行分析.这是本部分学习的难点,能够培养学生思维的严密性,进行科学推理与论证.(3) 将实验探究与理论探究相结合,培养学生的科学探究的能力.(4) 加入了小组合作与讨论,增加学生间的沟通与交流,增强学生团队协作的意识.(5) 科学探究的过程从特殊到一般又到特殊,加深学生对知识的理解.(6) 综合运用物理知识与化学知识,培养学生多学科融合解决问题的能力.

教学片断4.

请同学们类比刚才的分析,分析:为什么水银在玻璃管中是凸液面,完成学案第二部分,如下.

固体分子对液体分子的吸引力小于液体分子之间的吸引力；

附着层内液体分子较________(填“稀疏”或“密集”)；

附着层内液体分子间距离________(填“大于”或“小于”)分子力平衡的距离；

附着层内液体分子表现为________(填“引力”或“斥力”)；

附着层有________(填“收缩”或“扩张”)趋势，称为________(填“浸润”或“不浸润”)；

液体在该固体制成的管中为________(填“凹液体”或“凸液面”).

设计分析.类比合作探究的过程进行自主探究,一方面可以检验学生对上一个难点是否理解,另一方面可以培养学生自主思考与探究的能力.

教学片断5.

师:通过刚才的分析,我们知道浸润液体在管中为凹液面,不浸润液体在管中为凸液面.结合上节课所学的液体表面张力的知识,你找到液面在毛细管中上升、下降的原因了吗?

生:是液体表面张力的作用.

师:能具体分析一下吗?

生:液体表面张力与液面相切,当为凹液面时,液体表面张力斜向上,拉着液体使液体上升(图6);当为凸液面时,液体表面张力斜向下,压着液体使液体下降(图7).

图6 浸润液体在毛细管中

图7 不浸润液体在毛细管中

师:现在,我们已经找到了产生毛细现象的原因,请你回顾刚才的分析过程,对毛细现象进行准确概括.

生:浸润液体在毛细管中上升,不浸润液体在毛细管中下降.

师:浸润与不浸润的本质是什么?

生:分子间作用力的差异.

设计分析.(1) 运动状态发生变化时必然有力的作用,加深学生的运动与相互作用观念.(2) 温故知新,鼓励学生自主分析,找到液体上升、下降的原因.(3) 一问一答,梳理探究过程及结果,对探究过程进行交流、评估与反思．

4.4 应用:认识科学、技术、社会、环境的关系

教学片断6.

师:探究毛细现象的过程虽然抽象,但毛细现象在生活中却所处可见．大家选择毛巾时,喜欢选择什么样的毛巾?

生:柔软的、吸水的……

师:毛巾吸水就是由于毛巾中有许多细小的缝隙,发生了毛细现象．大家还能举出你见到的毛细现象吗?

生:纸巾吸水、酒精灯的灯芯……

师:很好.现在你发现培育双色花的奥秘了吗?她的奥秘就在她的花茎中,花茎中有许多毛细管,把花茎剪开,插入不同颜色的墨水中,墨水就能沿着花茎到达花瓣,使花瓣呈现出不同的颜色了.根据这个培育方法,你能培育出七色花吗?

设计分析.将毛细现象与生活联系,使学生在认识科学本质的基础上,体会科学、技术、社会、环境的关系,增强社会责任感.并对所学内容进行拓展,鼓励学生实践,并发现实践中的困难.

4.5 问题解决:解决实际问题,实现知识运用

教学片断7.

师:请大家帮老师解决一个问题:长假之后,教室的花常因为缺水而枯萎．请你运用本节课所学知识,为花朵设计一个自动供水装置.

设计分析.运用毛细现象解决生活中遇到的问题,培养学生探索自然的内在动力.同时,鼓励学生进行创新,在查阅资料的过程中,学生进一步认识到物理知识在科技生活等多方面的应用. 目前,利用毛细现象已有收集废油装置、捆扎式树木治疗装置、超声血液分流装置、太阳能制取纯净水装置等.这表明,毛细现象在环保、农学、医学等领域均有应用.让学生解决问题的同时,学生查阅资料,可以了解其在其它各领域的应用,培养学生保护环境并推动可持续发展的责任感.

本节课教学设计运用演示实验、分组实验和问题讨论的教学方式,对教科书及相关学习资源进行了开发和处理.从奇异的双色玫瑰花导入新课,提高学生的探究兴趣;用演示实验、分组实验与小组讨论等方式,引导学生发现毛细现象、探究其产生的原因,并进行概括;介绍毛细现象在生活中的应用,使学生进一步认识科学、技术、社会、环境(STSE)的关系.