运用微粒运动图示教学法 引导学生用微观结构 解释宏观现象

汤永海

在《义务教育小学科学课程标准》中，物质领域板块的“空气”单元出现了“空气能否被压缩”这一宏观分辨现象，运用了“从微观结构看物质形态变化”的图示教学法。引导学生认识物质特性，从微观结构来理解是一种必要的方式，即使在小学阶段也需要培养学生对物质微观世界的想象力。本文通过搜寻物质单元隐含微观结构的教学环节，整合宏观与微观的内涵关系，在学生认知能力的基础上，运用微粒运动图示教学法，引导学生用微观结构解释宏观现象，为学习物质科学打好基础。

一、教学分析

（一）微观认知的局部呈现

对低中年级小学生而言，由于认知年龄的局限，对微观世界的认知甚少，在科学学习中能对生活中的宏观现象，如刮风下雨、日月星辰等做出直观描述，就已经很不错了，很难会有微观世界的考虑和认知。

微观结构的形成是建立在大量宏观现象的基础上的，不可能是凭空想象，也不能通过大量记忆知识自发形成。因为宏观与微观这两方面在学生的头脑中往往是孤立的、碎片的，不可能在短时间内形成有机的联系。对微观世界的认知和微观结构的建立，是一个逐步渗透、逐渐完善的过程。对低中年级学生来讲，似乎有点拔高。但教材中却已经出现了需要用微观结构来解释的任务，对学生现阶段认知水平与学习任务要求出现了矛盾。当然，我们并不是要求学生现在就清晰认知物质的微观结构，而是需要用符合学生认知特点的方式，来解释或解决现在的任务，使其更容易接受和理解。

（二）微粒图示教学法的直观显现

鉴于对物质微观结构的概念建立难度较高、过程较长，笔者建议小学阶段用微粒图示法来辅助学生的学习过程。将物质的状态变化想象成一个个微粒的运动变化，在分析与比较基础上，通过线条、箭头、位置等标识直观形象地建立事物之间的关系，让学生清楚地“看见”自己的所思所想，将内隐的思考过程外显为“可视化”状态，从而推动学生的思维从低年级的具体形象思维向高年级的抽象逻辑思维发展。

二、运用微粒运动图示教学法，建立宏观与微观的关联

“水”单元的封面主图，是水在自然界循环的场景图，这肯定是个宏观的图示。但是，仔细看会发现：从森林和河流上升的寓意水蒸气的箭头，既是宏观的空间运动，也是微粒运动的呈现;从天空云层中下落的雨点，也是微粒运动的呈現。所以说，水在自然界不断上升下降的循环变化，既是宏观反映也是微观呈现。

加强学生微观结构认知，必须在研究教材的基础上，匠心独运，需要利用一幅图、一个问题、一个小小的模型等教学方式，来引起学生对微观知识的兴趣。图示法在课堂教学中操作易行，它直观、简捷、形象、具体，以图示的形式进行表达，将学生头脑中的图像简洁画出来，并以此了解学生的认知程度。

（一）颗粒大小——建立微粒结构意识

《在水能溶解多少物质》一课的教学，就可以为学生建立物质颗粒从大到小变化的微粒观。例如石块敲碎变小石子，小石子碾碎变沙子，沙子再变小就成粉末了，粉末再精细研磨就成为纳米级颗粒。物质的颗粒大小虽然改变了，甚至变成了肉眼不可见的微小颗粒，但是物质肯定还存在，这就是物质的微粒状态。通过小小的活动，唤醒学生对物质的微观认识，也为后面的学习打下伏笔。

在“水”单元第一课《水到哪里去了》教学中，有两杯水经过2～3天后比较的实验，开口的杯子水面下降，盖薄膜的杯子水面几乎不变，薄膜上出现水珠。在这个分析构成中，可以让学生来画一画水减少的现象。学生的画法大致有以下三种（如图1）：

从图1的现象图示来看，我们发现学生的表达方式各种各样，但都明确水从杯口扩散出去了，而且总趋势都是往上，只是表达运动路线有直线、曲线等不同方式。这时，教师可以要求学生用图1的微粒图示来统一表达，用小颗粒表示水的微粒，很多小颗粒表示水从杯口出去了。这样的水微粒分布图示法，更能体现水以微粒形式扩散在空气中慢慢减少的过程，将水蒸发的不可见过程变成了可见的形态。

（二）颗粒位置——呈现微粒分布状态

在表示物质在水中的溶解情况时，微粒运动的图示法就非常直观和实用，对理解溶解与不溶解起到关键的作用。糖能溶解在水中均匀分布，就用大小和间距都相同的颗粒表示;油不能溶解在水中，就用颗粒紧密排列在水面附近;沙不能溶解在水中，就用颗粒堆积在水底。由图2的图示法可知，不仅能将糖溶解的不可见性和均匀分布的状态直观地显示出来，而且连不溶解的油、沙的分布位置和状态也能准确表达。

在分离盐和沙的实验中，设计了让学生画一画分离前后的物质状态。因为有两种物质存在，就让学生用白圈表示盐，用黑点表示沙。既要用图示法表示出两种物质分离前后的分布位置，还要表示出分布状态是集中某处还是均匀分布各处。学生因为有了之前的微粒画图经验，也能准确画出分离前的盐、沙混合堆积，也能画出分离后盐的均匀分布与沙的沉在水底。

（三）颗粒距离——解释微粒状态变化

在比较空气和水能否被压缩的实验中，我们能清楚地观察到空气可以被压缩，而水不可以被压缩。学生固有经验应该是水也能被压缩，因为水与空气具体更多相似性：无色无味透明、没有固定形状、会流动。

在解释能否被压缩的特性时，课文用了微粒结构的图示法来解释，对学生来讲是比较直观的，更容易接受。运用微粒运动图示法，我们可先来画一画空气和水在容器中的分布状态，然后再来分析被压缩的可能性。由图3可知，左图的空气微粒结构松散，分布无规律，微粒间距离比较大，没有固定的物体表面;右图的水微粒结构紧密，分布整齐有规律，微粒间距离小，有清楚的水的表面。这样就容易理解，一个松软的东西容易被压缩，而一个紧实的东西往往不容易被压缩。教材对空气微粒运动的解释，就是小圈圈表示物质的颗粒，通过物质颗粒间的距离变化来表示压缩前后物质分布状态的变化，从而出现容易被压缩和不容易被压缩的两种情况。请特别留意，教材中对空气被压缩过程的示意图，就是用“〇”表示空气颗粒。E5085AEB-3F26-496B-A606-66DA58201A74

同样的方法，可以帮助学生理解水的三态变化，其实就是水的微粒的距離变化的结果：水的微粒距离越大、越松散，就形成了气体状态;水的微粒距离缩小，呈现一定的排列规律，就变成了液体状态;如果水的微粒距离极小，相互间紧密挤在一起，那就是固体状态硬邦邦的冰了。

（四）颗粒分布——思考微粒运动效果

看《我们来做热气球》一课，学生在这个单元已经学习了热空气会变轻上升的知识，但是对于热空气的分布状态却还没有形成相应的微粒空间分布的差异认识，因而在完成热气球升空后的理性分析中，还是出现了各种版本的理解。有将热空气画在热气球入口周围且贴着气球皮的;将热空气全部上升到热气球最顶部的;有将热空气升到了气球顶部，稍微散开些的;有将微粒数量明显增加，表示里面热空气大量增加，但是体积只是略有增加的……其实，学生问题的暴露，关键就是还没有搞清楚热空气发生的变化是跟谁比较，发生了哪些变化。正确的理解应该是热空气当然是越多越容易升空，但是热空气越多体积就越大，热空气在分布上比冷空气要更松散，就是微粒间的距离应该更大。所以热气球中的热空气微粒应该是数量更多、间距更大才对，这是相对于热气球外面的冷空气而言的。

所以，我们只需要在学生图示（见图4）的热气球图片上上增加一个热气球外围空气微粒分布的背景就可以了，让学生知道热空气是相对气球外的冷空气比较的，在与冷空气比较之后，发现空气微粒在空间分布上相互间距离更大、数量更多，从而体积更大了，热气球才会获得更大浮力而上升。

三、教学思考

运用微粒运动图示教学法，能让学生逐步建立一种物质的微观认知，从而强化用微观结构解释宏观现象的意识。在小学阶段，我们将会涉及“微小的世界”单元，探寻微小生物的存在，认识动植物细胞的微观结构，这也是对微观认知的培养。将来，学生会更细化为物质微粒结构的认识。在教学中，教师需要把握教材章节的知识特点，做到“见宏思微，以宏窥微”，逐步渗透和形成微观意识。

将实验探究活动转化成学生用微粒运动的图示教学法解释过程，能帮助学生建立起“物质是由微粒构成，微粒很小，是会运动的，有间隙的，微粒间又是相互作用的”微粒观，为培养学生宏观微观结合的素养提升起到贯通的作用。今天我们所运用的微粒运动图示教学法，是为将来的微观世界学习打基础的。

总之，在科学探究学习中，培养学生的微粒观是必要的，能结合现阶段的认知水平，用微粒运动的图示教学法进行个人观点的呈现，这是学生微粒观形成的有效途径，有助于培养学生具有微观结构的想象力。E5085AEB-3F26-496B-A606-66DA58201A74