重视实验探究强化理解能力逐步培养核心素养——以布朗运动教学片段为例

徐 慧 周远宏

(南京师范大学附属中学 江苏 南京 210003)

1 高考对布朗运动这部分知识内容的考查要求

高考物理学科考查的能力主要包括理解能力、推理能力、分析综合能力、应用数学处理问题的能力和实验与探究能力5种能力，它们之间不是孤立的，是相互联系、相互渗透的．对“布朗运动”这部分知识内容要求的掌握程度为Ⅰ，即基本要求：对所列知识要理解其内容及含义，并能在有关问题中识别和直接使用．重在考查学生的理解能力，理解能力是指理解物理概念、物理规律的确切含义，能清楚地认识概念和规律的表达形式，能够鉴别关于概念和规律的似是而非的说法，理解相关知识的区别和联系．理解物理规律的适用条件，并能应用于简单的实际物理问题的解决中．

2 物理学科核心素养

“核心素养”是指学生在接受教育的过程中，逐步形成的适应个人终身发展的必备品格，也是适应社会发展需要的关键能力．物理学科核心素养要素包括基本物理观念、基本物理思维、实验探究能力和科学精神与态度．这就要求在物理教学实践中，不仅重视学生知识的掌握，更应该重视学生的思维过程、探究过程．教师通过适当的手段或途径引出问题，使学生自己探索、通过观察想象、寻求证据，进行合理的分析和推理，思考并解决问题，使学生可以通过交流合作完成科学探究．在探究中完成模型构建，科学推理，并进行科学论证，培养学生的科学思维．使学生树立正确的科学态度，了解科学的本质，具备基本的实验探究能力，逐渐形成良好的物理思维能力．本文以“布朗运动”部分教学为例，以学生自主探究为主，既达到了教学目的，又提高了学生的实验探究能力和逻辑推理能力，与物理核心素养的培养目标不期而合．

3 布朗运动部分的教学

人们的认知总是从简单到复杂，从现象到本质，因此我们设计思路是首先观察到布朗运动的实验现象，激起学生的疑问．

3.1 介绍布朗的实验

1827年，英国植物学家布朗研究植物授粉行为时，用显微镜观察悬浮在水中的花粉微粒，惊奇地发现一些“小微粒”在不停地做运动．布朗开始以为是有生命的物体在动，他尝试了各种微粒，把花粉煮熟后晾干，再制成溶液；用上百年以上的植物标本制成溶液；用无机物碳粉制成溶液等，都发现了有一些“小微粒”在运动．由此引起了世界物理学家的关注．

3.2 还原布朗的实验

为了便于观察，学生分组实验采用了带显示屏的光学显微镜，如图1所示．上面带有数字目镜，可以直接从屏幕上看到显微镜目镜观察到的实验现象，清晰直观．教师同步演示实验，也采用带有数字目镜的光学显微镜，不过这个数字目镜直接将目镜观察到的实验现象显示到电脑屏幕，可以通过投影仪投到大屏幕．通过生物显微图像分析软件Motic Images Plus 2.0(图2)，还可以以图片或者视频的形式，直接记录数字目镜观察到的实验现象．

图1 带显示屏的光学显微镜

图2 生物显微镜图像分析软件

实验1：制备无机物颜料和水的悬浊液，滴一滴到载玻片上，通过显微镜观察实验．有什么疑问？

学生讨论，总结学生的疑问，主要为以下几类：

(1)是什么在运动？

(2)在做什么样的运动？

(3)为什么做这样的运动？

(4)这种运动与哪些因素有关？

……

依次解决上述问题．

探究1:是什么在运动？

人眼的分辨率是10-4m，而光学显微镜放大倍数18×40=720倍，因此我们通过显微镜观察到的运动小微粒的数量级是10-6m，而分子的数量级是10-10m．显然运动微粒是由大量分子组成的分子团，而溶液中除了水分子就是悬浮的颜料微粒，因此运动的微粒是“悬浮的固体微粒”．

探究2:在做什么样的运动？

为了寻找小颗粒的运动规律，现场用生物显微图像分析软件Motic Images Plus 2.0录制一段显微镜观察到的实验现象，用物理追踪软件Tracker(图3)打开录制的视频，如图4所示．物理追踪软件Tracker是美国物理专业学生和教师专用研究软件，可以直接记录物体运动状况，也可以研究运动规律．为了便于观察记录，对局部区域可以放大，如图5所示．Tracker软件能够实时准确记录物体不同时刻的位置，也可以分析物体的位置、速度、加速度的变化情况．

图3 物理追踪软件Tracker

图4 用Tracker打开视频

图5 视频局部放大

选择其中任意一个小颗粒进行研究，选择创建质点或者质心(图6)，会出现图7所示的对话框.

图6 创建质点或质心

图7 对所选对象进行设置

在图7所示的对话框中可以自行选择每隔多少帧记录一次所选对象的位置，也可以选择自动记录还是手动记录，一般由于运动比较剧烈，手动搜索比较准确．可以以折线形式标记位置，也可以对记录的位置进行序号标记，还可以记录研究对象的位移-时间图像、速度-时间图像，以及加速度变化情况，功能较多，不详细赘述．

记录下不同时刻小微粒的位置，每隔10帧记录一次，如图8所示

图8 记录不同时刻小微粒的位置

记录任意不同的小颗粒的运动情况，分别如图9所示.

图9 3种不同小颗粒的运动情况

引导学生思考：

(1)折线是“小微粒”的轨迹吗？

学生交流得出结论：不是轨迹，是不同时刻的位置，因为每隔10帧记录一次．

(2)小颗粒在做什么样的运动？

学生观察得出结论：看起来杂乱无章、无规则的运动．

观察实验现象，发现小颗粒一直在运动，布朗一直观察一个多月，花粉颗粒并没有停下来，直到溶液干涸．

实验2：将无机物颜料和水的悬浊液滴入载玻片，晾晒一个星期以上，通过显微镜观察颜料溶液干涸后的载玻片，观察实验现象．

可以看到只要溶液不干涸，这种运动就不会停止，溶液干涸后所有小微粒静止不动．为了纪念布朗，把这种悬浮微粒永不停息的无规则运动叫做布朗运动．

探究3:为什么做这样的运动？

实验3：在颜料溶液干涸后的载玻片上，滴入蒸馏水，盖上盖玻片，再次通过显微镜观察实验现象．

观察到少数微粒开始继续做无规则的运动，随着时间的推移，无规则运动的微粒越来越多．由此得出液体分子是运动的关键．让学生尝试分析具体原因．

师生共同讨论，得出布朗运动的本质原因：液体分子永不停息地做无规则运动，悬浮微粒受到周围液体分子的撞击作用，颗粒足够小时，撞击作用的不平衡性明显，引起了颗粒的无规则运动．因此布朗运动间接反映了液体分子的无规则运动．

探究4:这种运动与哪些因素有关？

实验4：通过显微镜观察，不同温度下的颜料溶液，有什么实验现象．继续观察同一温度下，不同颗粒的运动情况．

实验现象：温度越高，运动越剧烈；颗粒越小，运动越剧烈．

学生尝试分析原因：颗粒小, 瞬间与微粒撞击的分子数越少, 撞击作用的不平衡性越明显, 布朗运动越明显．温度高，液体分子运动越激烈，对布朗微粒撞击频率和强度越高，布朗运动越明显．

思考：由布朗运动的原因拓展开去，在液体中可以观察到布朗运动，在固体或者气体能否观察到布朗运动？

布朗运动不仅能在液体中发生，在气体中也能发生，在固体中不能发生！

3.3 物理学史回顾布朗运动的研究历程

(1)1827年，英国植物学家布朗(图12)观察到悬浮在水中的花粉微粒在做无规则运动．

图12 布朗

(2)1905年，爱因斯坦(图13)发表论文《热分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》，从能量均分定理出发，得出了布朗运动的完整理论．

图13 爱因斯坦

(3)1908年，佩兰(图14)和斯维德伯格(图15)完成了布朗运动的定量实验，从布朗运动实验现象的发现，到布朗运动严格的理论论证和实验上的验证，历时近100年．

图14 佩兰

图15 斯维德伯格

扩散现象和布朗运动都表明：温度越高，分子的无规则运动越激烈．我们把分子永不停息的无规则运动称为分子的热运动．

拓展思考：能否设计一个实验，观察到气体中的布朗运动，并设计具体方案．(利用光的衍射，观察气体中的布朗运动)

通过人类认识事物的特点，由表及里、深入浅出地通过4个实验全面深刻地了解布朗运动．放弃以往用动画演示布朗运动的无规则性，直接用物理追踪软件追踪轨迹，直接实事求是，用实证支持观点，体现物理的科学态度．在教学中也将核心素养的教育渗透其中，达到润物无声的效果．