创设物理情境 培养科学思维

林洁清

摘   要：分子间存在作用力是一种微观现象，在物理课堂中无法直接展示。需借助宏观现象，引导学生认识分子间作用力及其特点。在教学中，通过情境创设，引导学生经历发现问题、提出问题、模型建构、科学探究、总结论证等过程，培养学生的模型建构、科学推理、质疑创新、科学论证的科学思维。  关键词：分子间作用力;创设情境;经历过程;科学思维

物理是一门基础自然科学，与日常生活密切相关。丰富的生活情境以及教师创造性地创设的物理情境，能够让物理学习充满挑战和乐趣。创设情境进行物理教学本身就有“参与”的价值，包括教师的参与和学生的参与。只有参与了，才能经历过程。

分子间存在作用力是微观领域的问题，由于学生在生活中缺乏相关体验，故而在概念建立、规律探索时存在巨大的困难，如引导学生思考：分子间是否存在作用力？如何证明分子间存在作用力？作用力到底是引力还是斥力？分子间作用力在现实生活中有无对应现象等。这些问题对学生来说，无从思考。此时，教师需要创设情境，循序渐进，将学生引入微观世界。笔者就此以 “分子间存在相互作用力”教学为例，带着学生一起经历发现规律的思维过程。

1  创设真实情境，建构模型

在分子动理论中，扩散现象、布朗运动等大量的事实证明分子在永不停息地做无规则运动。那么既然这样，为什么固体有固定的形状？此时，中学生会联想到某种神奇的力量。教师引导学生寻找思考的切入点，即，建立模型。为了突出主要因素，引导思考像铅块、铁块等纯净物固体，建构理想化的物理模型。若将分子简化为一个球形模型，则可认为铅块是由大量铅分子组成。教师提示：什么叫做有固定的形状？即形狀很难被外力改变。这说明有某种作用阻碍物体发生形变，让物体维持一定的形状。此时，多数学生的思维好像被扯开一道口子。

既然分子间可能存在这种作用，那么，教师可以引导学生做出一个大胆的猜想：若将两个固体紧紧压在一起，那么大量分子就靠得很近，这种力量能让两个固体组成一体吗？

像这样在真实的生活情境中，发现问题，以“物”为本，不赶进度，引导学生慢慢悟出其中的道理，凸显知识建构过程，可以最大化地实现科学思维的培养[ 1 ]。

活动设计：学生将两个一样的钩码用力挤压，发现无法挤压在一起。生活常识亦是如此。此时，教师取两个铅块，让力气不是很大的学生将两个铅块挤压在一起，两个铅块还是很难被压在一起。但有一定的粘滞效果。最后，教师引导：钩码表面存在氧化膜，铅块暴露在空气中也会被氧化，如果刮掉表面氧化膜会怎么样？

刮掉表面的氧化层后，教师借助压力器（如图1所示）将两个铅块用力挤压，学生观察到两个铅块粘在一起，下面还能悬挂一定的重物。此时，实验事实与学生猜想发生了第一次剧烈的撞击，激发了学生探究的热情：为什么普通固体很难被压在一起？而对于铅块，为什么轻轻挤压不易粘在一起，用力之后就可以吸在一起？在真实的情境与学生原有认知的冲突的基础上，开发提出有价值的问题，激发了学生的探究热情[ 2 ]。

2  创设任务情境，建立观念

带着这么多的问题，教师不急着答复，而是留足思考的空间给学生，让学生主动提出质疑。学生的想法很丰富，可能非常不严谨，但教师应尊重并予以鼓励和引导。该实验中，多数学生难以从分子引力的角度思考，因为微观的作用力是学生的生活体验无法触及的一种存在。而很大一部分学生通过搜索仅有的部分知识经验，认为，用力挤压之后，铅块之间的空气被排除，故而应该是大气压力把两个铅块挤压在一起。少数学生会思考到铅块不会脱离应该是铅块和铅块之间存在某种引力。

那么，到底是大气压力的作用结果还是分子间存在引力？凭空猜想？可以通过什么方法来论证猜想？留足时间，学生可能会提出各种方案，例如，有学生提出若把两个吸着的铅块放置于真空环境，看两铅块是否分离。有学生提出通过计算比较大气压力大还是铅块的重力大等。教师根据现有条件引导验证。笔者在课堂上用的是如图2所示的铅块：铅块内部为空心，有一定的厚度，通过测量得横截面内外半径分别为r外=1 cm和r内=0.6 cm，如图3所示。当两个铅块吸在一起时，内部有空气，故而内部存在大气压力。1个铅块受到的大气压力为内外横截表面的大气压力之差，即PS=P（πr外2-πr内2）=20 N，而铅块自身重1 N（如图4），显然大气压力完全有能力“托住”下面的那个铅块，此时，学生很快就想到新的论证方案：在铅块下面继续悬挂重物，看是否可以超过19 N，若无法超过，则说明是大气压力使两个铅块压在一起。若超过19 N，则说明铅块之间存在其他引力。

实际上，如图5所示，事实证明铅块能承受的拉力远不止19 N（图5）。说明两个铅块之间存在引力。至此，很自然建立分子间存在引力的概念。这个过程教师步步为营，通过演示实验创设新问题、探究并解决问题，培养学生质疑创新和推理探究能力。

在学生认识到分子间存在引力之后，教师以身边常见的分子引力的实例引导学生从物理回归生活。例如，水瓶壁上的水滴为何不流下？引导认识这是分子引力的宏观表现。再如，让学生通过测力计提起一片紧贴液面的玻璃片，发现：需用比玻璃片自身重力更大的力才能将玻璃片提离液面，如图6所示，这也是分子间存在引力的一种宏观表现。

教师继续创设实验情境，分组实验：引导学生取一针筒，抽水，要求用手堵住针筒的嘴，如图7所示，推动活塞。提出问题：活塞可否被压缩下去？学生通过实验明显感受到活塞被压缩一点点之后就再也无法被压缩。究其原因，水由大量水分子组成，无法被继续压缩，是因为分子间存在斥力。学生通过实验真实感受水分子间微观的斥力的宏观效果。

在上面的环节当中，教师引导学生通过观察、实验，发现分子间存在作用力，并体验分子作用力有时表现为引力，有时表现为斥力。学生参与了建立概念的过程，在过程中体验探究，发展科学思维。

3  创设问题情境，探索规律

分子之间的作用力到底是引力还是斥力？要回答这个问题，就必须先思考分子之间为什么存在相互作用力？这又是一个大难题，需要留足时间给学生思考。

经过思考，有些学生认为分子有质量，故而分子力是万有引力。但很快就被否定了。因为万有引力不会出现斥力。有些学生深入挖掘分子自身的结构，考虑到，分子由原子构成，原子内部有正负电荷。当分子靠得很近时，正负电荷间的引力和斥力便体现出来。课堂通过计算得到库仑力的数量级远大于万有引力的数量级。即分子间的万有引力完全可以忽略不计。分析至此，分子间作用力的实质便有了初步结论。即，分子间同时存在着同种电荷之间的斥力和异种电荷之间的引力。分子间表现出来的作用力为这两种力的合力。教师结合图8所示F-r图象引导认识分子间作用力的规律，其中当r>10r0时分子间的作用力就可以忽略不计（r0≈10-10 m）。

4  創设体验情境，应用规律

在教学中，学生在体验过程生成了两个资源。一是：铅块内聚力实验中，既然两铅块间的分子引力足以额外承受大于19 N的重物，那么为什么两个钩码通过挤压没能吸引在一起？为什么力气小的学生很难将两个铅块挤压在一起？二是：为什么压缩水的时候，水先被轻微压缩之后，才表现出分子斥力。这些现象实际上是由分子力的规律决定的。

这些课堂资源恰好可以巩固理解分子间作用力的特点。当分子间距r>10r0时，分子作用力可以忽略不计。而普通固体表面凹凸不平，用较小的力挤压时，两固体表面分子间距离远大于r0，分子间作用力无法表现出来。故而普通的固体通过挤压并不会表现出吸在一起的效果，去掉氧化层的铅块如果不是用力挤压也很难挤压在一起。同理，用针筒压缩水的时候，起初水分子间距处于平衡距离，即r0≈10-10 m。在压缩水的时候，分子间距小于r0，分子间体现出斥力的效果。

学生对分子间作用力规律的理解还需要在解释这类宏观现象中提升。教师直接利用课堂生成的资源，引导应用规律解释现象，培养学生科学论证的能力。

最后，本节课呼应引入时的问题：固体、液体分子间距离较小，如果分子距离太近，分子间表现出斥力;分子间距太大，分子间又会表现出引力，因此分子力可以让固体保持一定的形状，可以让液体保持一定的体积。气体分子间距一般都大于10r0，故而气体没有固定的体积和形状。

像这样，科学思维的培养是贯穿在像建立概念和探索规律这样每一个知识点和细节的过程中。教师利用情境教学引导学生参与物理模型构建，参与概念建立，参与规律探索，参与科学推理，参与科学论证。学生在参与的过程中，发展科学思维，落实核心素养的发展[ 3 ]。

鉴于高中阶段还未深入到量子领域，该问题并未过分深入探讨，仅止步于中学教学。望能为同仁提供有价值的教学参考。

参考文献：

[1]林明华.物理教学的“慢悟理”[J].中国教师，2020（1）：41-43.

[2]黄巧曦.以情境启迪思维 促核心素养发展[J].中学理科园地，2019，15（1）：7-8，11.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-5.