面向物理观念和科学思维整合发展的教学探索——以高中“液体的表面张力”为例

张 雪 张 静 李雅兰

（长江大学物理与光电工程学院物理教育研究所，湖北 荆州 434023）

物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的完整认识，支持学生从多角度、深层次看待物理现象，解决物理问题；［1］科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，引导学生从符号学习走向学科思想和意义系统建构的理解与掌握.［2］作为物理学科核心素养重要构成的物理观念和科学思维是相互依存的，从概念和意义来看，科学思维的发展立足于物理观念，物理观念的建构依赖于科学思维，在物理教学中探索二者的整合发展，具有一定的现实意义和教育价值.

1 物理观念和科学思维的整合发展过程

在物理观念建构的层级发展中，蕴含着物理知识的提炼、内化和升华，［3］包括从物理现象和事实经验中提取事物本质特征的知识提炼过程、主动建构个人知识体系并能随时调用的知识内化过程、以及深度掌握知识内涵并能够完成真实问题解决的知识升华过程.为了明确各个阶段学生应达到的思维水平，并有效促进学生的科学思维发展，本文在促进物理观念建构的基础上，结合科学思维从感性—理性—创造性的递进，设计了“物理观念和科学思维的整合发展过程”（见图1）.

图1 物理观念和科学思维的整合发展过程

感性认识是启迪思维的重要依托，教师可借助实验、视频等资源为学生提供形象直观的感官冲击，引导学生认识事物的表象特征.理性思维建立在感性材料和逻辑推理的基础上，是经过抽象概括、分析推理和关联整合后形成正确反映客观世界的本质和规律的认识过程，［4］从这个方面来看，从感性到理性的递进，也是透过表象深入本质的跨越，对于学生初步建立物理观念发挥着关键作用.激励学生学会质疑、超越常规、捕捉灵感摆脱思维传统的束缚，有助于推动创造性思维的形成.［5］教师可设置新情景让学生针对争议性问题展开质疑、论辩和修正，完成有创意的发明设计等，同时促进物理观念在迁移应用中进行论证巩固，乃至更深层次地融会贯通和推进升华.

2 “液体的表面张力”教学案例

“液体的表面张力”在电磁相互作用中占有重要地位，是帮助学生建构电磁相互作用观的良好素材.且生活中丰富的表面张力现象及其微观结构的抽象性有助于引发学生以疑导思，以思求知的思维积极性，从而发展学生思维.本文开发了“液体的表面张力”的教学案例，为促进学生物理观念和科学思维的整合发展提供参考.

2.1 渗透基本概念，启发抽象思维

情境创设：教师展示“纱网盛水”的现象（见图2），在学生体验“水流进不流出”的感性认识后，启发学生对“液面”的思考，并提出问题“在充满小孔的纱网上，这层液面为何不会散落成无数小液滴？”

图2 纱网盛水

学生讨论：形成液面的小液滴间可能因为受到力的作用，相互制衡不易滴落.正如独立的小竹片堆放在一起很容易散乱，但利用针线将竹片连在一起制成竹席的形态，小竹片就会相对稳定，不易掉落.液面上的小液滴受力可能和竹席上的小竹片类似.

概念渗透：教师引入基本概念“张力”，即为“受到拉力作用时，物体内部任意截面两侧存在的相互牵引力”.引导学生得知，竹席面上的“张力”是使小竹片保持稳定的原因，推动学生思考液面上可能存在“张力”.

初步建模：教师指导学生用科学建模的手段——画图法，将液体的结构表征出来，并抽象出学生理解的小液滴（或液体分子）受力和液面受力情况（见图3）.

图3 液面结构的初始模型

设计意图：通过“纱网盛水”现象带来的感性认识，激发认知冲突，引导学生将疑惑和所熟悉的事物联系起来，认识“张力”的概念.建模环节旨在帮助学生忽略次要因素，抓住液面的主要特征，同时让学生在抽象思维的训练中，实现思维从感性到理性的转变.

2.2 探讨宏观表象，分析微观本质

合作实验：学生分小组进行合作实验以验证“液面中是否有张力存在”.一位学生将带有吸管的矩形框（见图4）放入肥皂水中，取一层液膜，另一位学生戳破吸管左侧的液膜，并记录吸管的状态变化.接着，在右侧液体未破裂的情况下，将吸管轻轻左移至最初位置，还原右侧液膜的初始状态，固定吸管不会右移后，戳破右侧的液膜，并记录吸管的状态.改变吸管最初位置、使用其他形状的铁框如半圆框等多次重复实验.

图4 矩形框

分析归纳：教师引导学生猜想第1次戳破左侧液膜时，吸管向右运动的两个可能原因：或是右侧液膜提供的张力、或是左侧液膜破裂时产生的冲力.第2次戳破右侧液膜时，吸管运动状态不变的现象则否定了第2种原因，证实液面中张力的存在.

微观剖析：教师带领学生回顾“液体由大量液体分子组成，且液体分子间存在相互作用力”的相关知识.安排学生自主分析表面层分子D和内部分子C的受力情况［见图5（甲）］，明晰表面层分子所受的合力指向液体内部.

图5 液体内部微观分析

仿真模拟：教师运用仿真软件先模拟一滴立方体形的液体［见图6（甲）］，不受外力影响.再根据微观剖析结果设置液体分子受力，并加上重力场和地面环境，模拟液滴的动态变化过程和最终形态［见图6（乙）］，引导学生观察表面层分子间距离大于内部分子间距离.

图6 仿真模拟

概念讲解：根据“分子动理论”知识启发学生知道表面层分子间作用力表现为引力，宏观表现为液面上任意直线两侧存在一对与分界线垂直、大小相等，方向相反的力［见图5（乙）］，这种力使液体表面绷紧，称为“液体的表面张力”.

设计意图：实验的宏观表象能够提供有力证据，支持学生分析出液面上张力的存在.由表及里的微观剖析结合形象的仿真模拟，能促进学生感性思维和理性思维的相互碰撞，让学生不仅掌握表面张力这一重要概念，更能深入理解表面张力产生的本质原因是分子间的作用力，具体为表面层分子稀疏导致的引力表现.

2.3 强调知识关联，引导观念初建

本质深究：教师解析分子间作用力的产生原因“分子是由原子组成，原子内部有带正电的原子核和带负电的电子，分子间作用力就是由这些带电粒子相互作用产生的”，借此阐述表面张力属于电磁相互作用的缘由.

教师提问：物体相互挤压会产生弹力，从表面来看，弹力似乎与电磁无关，但弹力却是众所周知的电磁相互作用，为什么？弹力和表面张力的作用来源又有何不同？

学生解释：当物体受到挤压后，物体内部分子间距离会变小，致使分子间作用力表现为斥力，弹力就是斥力作用的宏观表现.弹力源于外部挤压，而表面张力源于内部作用.

知识关联：教师引导学生从宏观的“表面张力”、“弹力”进行微观解释再深入电磁本质，建立知识关联图（见图7）.

图7 弹力与表面张力关联图

设计意图：弹力作为生活中最常见的一种作用力，对弹力和表面张力进行分析推导，可以达到抽丝剥茧的效果，帮助学生建立宏观和微观的本质联系，领会电磁相互作用的统摄性.这是对电磁相互作用认识的一次质的飞跃.

2.4 激励质疑论辩，加强观念巩固

开展论辩：教师选择与教学主题相关的争议性问题，开展论辩活动（见表1），鼓励学生踊跃通过口头论辩来阐述自己的主张和捍卫自己的观点.

表1 论辩活动内容

分析总结：安排学生归纳出浮力和液体的表面张力的异同（见表2），排除绣针受到浮力和表面张力的可能.根据液面凹陷源于绣针的外部挤压，并非内部作用，证实液面和绣针间弹力的存在，肯定学生3的分析解释.随后，教师 总结纷繁现象背后的统一规律“除引力相互作用外，在分子、原子构成的宏观物体中的一切相互作用都可归结为电磁相互作用”，再以自然界中液体为代表，列举浮力和表面张力产生原因和作用效果的不同，渗透电磁相互作用的形式多样性.

表2 液体的表面张力与浮力的异同

设计意图：“针行水面”的问题能够激励学生敢于质疑、善于释疑的思维习惯，引导学生通过推理论证修正对表面张力和浮力的错误认知，明晰液体中电磁相互作用的异同，进而领会自然界中电磁相互作用的多样统一，在活学活用中达到物理观念的巩固效果.

2.5 创新拓展延伸，促进观念升华

拓展活动：表面张力在水质监控、液面清污等机械装置的创造生产中都有体现.鼓励学生搜集资料，尝试设计一个仿生水黾装置，实现水面行走的功能.

任务引导：（1）信息检索水黾的相关资料，了解水黾能在水面自由行走的原因；（2）根据水黾的腿部结构特征，选择制作驱动腿的材料（如涂敷疏水剂的铁丝）；（3）设计驱动腿的前行方式（如旋转划动，设置多条支撑腿保证稳定移动）；（4）安装承重板和驱动装置，实践检测效果.

设计意图：仿生科技作为人类创造力的智慧结晶，为学生思维突破常规、构筑新意提供了空间.另外，仿生水黾装置是“针行水面”的驱动化升级，可以让学生亲身体验液体中各种电磁作用可能对装置产生的影响，思考如何减小水面扰动、保证水面完整，落实电磁相互作用观在问题解决中的意义性升华.

3 结束语

物理核心素养的各个要素是相互联系、共同发展的.物理观念和科学思维分别作为其他物理核心素养发展的基础和途径，具有特别重要的教学意义.在教学实践中，一方面教师需把握物理知识的提炼、内化和升华过程，引导学生在深入理解概念或规律后，正确看待物理现象，多维思考问题解决，促进物理观念的逐步建构.另一方面教师可给予学生充足的时间与空间去体验感知、动手思考、论辩交流、质疑创新，将学生的思维逐渐引向深入，促进物理学科核心素养的整合发展.