高中物理“热学”教学与数字技术的融合创新——《分子动理论的基本内容》教学设计

邓道平 天津市第二十五中学

●创新整合点

1.百度网盘的创新使用，探索数据互传新模式

百度网盘的使用使视频及图像在不同客户端实现了实时互传与分享保存，学生可以实时看到教师录制的炭粒运动视频，并将小组作品即时上传分享。在交流过程中，学生的评价反馈更具时效性，学生参与评价的积极性更高。

2.使用显微镜，促进学科融合

基于跨学科意识，综合运用生物和物理学科观念以及跨学科观念，解决了物理学习中的真实问题，整合与拓展学生的经验，加强不同学科间知识的联系，培养学生的跨学科意识、思维与能力。

3.电子目镜将微观现象实时呈现，营造公平学习的氛围

通过技术手段使每个学生都实时观察到现象，保证每个学生都有均等机会接触和使用技术资源，营造了在技术支持的环境中公平学习的氛围，满足学生个性化学习需要，让每个学生都获都充分发展。

4.利用Tracker软件记录并分析实验数据，提高师生数字素养

使用Tracker软件创设发现和解决问题的技术环境，帮助学生掌握用技术解决问题的策略。通过数据可视化方式能够解释提出的问题，并能对产生该结果的原因做深入分析，解决了教育教学中的真实问题，并考虑了如何利用数据分析结果改进教育教学。学生通过学习Tracker软件的使用，观察实验现象，自行处理数据并得到实验结论，培养了严谨的科学思维，提高了分析并解决问题的能力。

●教材分析

本节课内容选自人教版（2019）高中《物理》选择性必修第3册第一章《分子动理论》第一节《分子动理论的基本内容》。通过本章的学习，学生认识到自然界中普遍存在的一种运动形式—热运动。热学就是研究物质热运动规律及其应用的一门学科，是物理学的一个重要组成部分，本节课作为热学内容第一章第一节，是整章内容的核心和基础。

●学情分析

知识分析：学生在初中已经知道物体由大量分子构成，了解墨汁在水中的扩散，并且知道温度越高，墨汁扩散得越快，但不知道这些现象证明分子在做无规则的热运动。学习了力与运动的关系，为分析布朗运动的原因奠定了基础。困难之处是分子做无规则的运动比较抽象，学生难以理解。本节课在教学设计部分，将抽象的概念形象化，让学生通过观察实验、处理数据、分析讨论，得出结论，培养了学生科学的观察能力、严谨的科学思维。

计算机技能分析：高二学生已经掌握计算机基本应用技巧，包括下载视频、保存图片、软件操作等。本节课在学生用计算机操作的部分，需要通过课堂简单培训可以进行。

●教学目标

知识与技能目标：知道分子动理论的基本内容；知道热运动及决定热运动剧烈程度的因素。

过程与方法目标：通过演示实验了解扩散现象，观察并能解释扩散现象；通过布朗运动的观察和实验，学习初步的探究问题的方法，理解布朗运动产生的原因和影响因素。

情感态度与价值观目标：通过布朗运动的观察和实验，培养严谨的科学思维；通过共同完成观察及实验，学会和同伴的协作和配合。

●教学环境与准备

教学环境：无线宽带网络、seewo触控一体机、笔记本电脑（学生用）、无线投影仪。

教学准备：seewo触控一体机安装好电子目镜配套实验软件及Tracker软件；学生用笔记本电脑均安装好Tracker软件；百度网盘软件（已提前登录）；课前将Tracker软件、百度网盘软件使用教程提前发给学生预习，提前熟练使用。

●教学过程

1.导入新课—回忆海上丝绸之路，试问为何闻到檀香

师：我们知道，中国的丝绸之路是古代贸易与文化交流的重要通道，广义上的丝绸之路分为陆上丝绸之路和海上丝绸之路，而海上丝绸之路又被称为香料之路。檀香是中国四大名香之一，老师提前用檀香将印有天津著名地标建筑的明信片进行了处理，大家闻闻。余香缭绕，大家有没有想过为什么能够闻到檀香呢？

设计意图：“海上丝绸之路—香料之路”引申出香味，积极挖掘其中可用的德育资源，既是对传统文化的传承与发扬，也能让学生在立足家乡地标建筑的基础上树立起正确的价值观念。

2.课堂授课—四大活动环环相扣，步步揭秘分子理论

活动一：寻找分子

师：我们闻到明信片上的檀香，却没有看到一缕缕的檀香飘进我们的鼻子里，这说明檀香分子是我们肉眼看不到的，这个分子到底有多小呢？让我们一起通过观看视频，探寻分子到底有多小。

设计意图：由闻到香味却没有看到檀香分子引出分子很小：通过播放视频，寻找分子，让学生亲身体验分子的小。

师：既然分子这么小，那么用什么仪器可以看到它呢？（扫描隧道显微镜）我国科学家在1993年首次利用超真空扫描隧道显微镜技术，在一块晶体硅的表面直接移动硅原子写下了“中国”两字（如图1）。微观世界的中国两个字，像宏观世界的中国梦一样苍劲有力。

图1

设计意图：介绍观察分子的仪器扫描隧道显微镜，由扫描隧道显微镜引出微观中国及宏观中国，由我国的微观科学技术过渡到宏观国粹书法，渗透学科德育，同时引出阿伏伽德罗常数。

师：微观世界和宏观世界是怎么联系在一起的呢？它是通过一个桥梁联系的，这个桥梁就是阿伏加德罗常数，我们把1摩尔（mol）任何物质所含的粒子数叫做阿伏加德罗常数，用Na表示。Na=6.02×1023mol-1。一滴水中，含有多少水分子呢？

生：1摩尔水（mol）含有6.02×1023个水分子，1滴水约重0.05g，也就是0.00278mol，1.67×1021个水分子。

教师通过学生计算结论分析得出：物体是由大量分子组成的，并简要解释在研究物质的化学性质和物体的热运动性质、规律时，分子离子称谓的不同。

设计意图：学生通过自己的计算得出一滴水中含有的水分子数，在熟悉运用阿伏伽德罗常数的同时，对一滴水含有的分子数量有了直观的认识，这样更有利于理解认识物体是由大量分子组成的。

活动二：观察扩散现象

师：既然物体是由大量分子组成的，那么这些分子怎样运动的呢？

演示实验：教师演示液体扩散（将黑墨水分别滴入热水和冷水中，观察液体的扩散，用实物投影做大屏幕实时展示）。

师：通过刚才的实验，你观察到了什么实验现象？

生：墨水在热水和冷水中都发生了扩散现象，而且热水中扩散得快。

师：同样，在气体和固体中都会发生扩散现象，扩散现象在生活和科学技术中也有很多应用，你能想到哪些扩散现象的应用？

生1：鲜花的香味。

生2：白酒的味道。

生3：炒菜的香味。

师（补充）：卤蛋的制作方式是酱油的色素分子扩散到了蛋清内。同样，在科学技术研究中，在高温条件下可以通过分子的扩散在纯净的半导体材料中掺入其他元素。这些都是扩散现象在生活和科学技术中的应用。

设计意图：学生通过观察实验现象分析得出温度对扩散现象的影响，并举出生活中的扩散现象实例，对该现象理解更加深入。

活动三：观察并研究布朗运动

师：除了扩散现象，分子的运动方式还有另外一种体现，就是布朗运动。在19世纪初，一些人观察到，悬浮在液体中的小颗粒总在不停地运动。1827年，英国的植物学家布朗用显微镜研究了这种运动。这种运动是什么呢？现在我们就一起研究一下，如图2所示。从科学的角度，我们的结论要有大量的数据支撑，所以，我来给大家示范一组数据，后面大量的数据支持由你们来完成。

图2

教师实验活动：介绍电子目镜原理及使用、墨水标本的制作方式、Tracker软件的使用，并示范演示实验操作—利用电子目镜观察墨水标本，记录实验现象；利用Tracker软件定位炭粒并记录运动位置的连线；将炭粒运动的视频上传百度网盘供学生下载使用，并交代学生在实验结束后将实验结果上传百度网盘分享。

学生实验活动：利用笔记本电脑进行实验，利用百度网盘下载炭粒运动视频，利用Tracker软件定位炭粒并记录运动位置的连线，反馈百度网盘分享。

师：哪个小组和大家分享一下实验现象？

生：我们是“天津之眼”小组，我们小组一共挑选了8个炭粒，绘制了8幅运动图像，从中挑选了4幅图像与大家分享，如图3所示。

图3

师：实验现象有了，哪个小组来和大家分享一下你们组的实验结论？。

生：通过观察这些图像，我们发现炭粒的运动是无规则的。

师：在扩散现象中，我们发现温度高，扩散得快，那么在布朗运动中，有没有这样的现象呢？我们继续实验。改变悬浊液的温度，再次实验。重复上述操作，我们得到不同温度下的布朗运动。你观察到了什么样的实验现象？

生：温度高，悬浊液中小炭粒运动越剧烈。

师：你有没有想过，炭粒在水里正常就是悬浮的状态，炭粒为什么要做这样的运动呢？

生：布朗运动实际上研究的是微粒，但是由微粒的无规则运动，我们推导出水分子的无规则运动，也就是说，布朗运动间接反映了液体分子的无规则运动。

师（补充）：通过不同温度下的扩散现象，我们发现温度越高，扩散越快，通过观察不同温度下的布朗运动，我们发现温度越高，炭粒运动越剧烈，通过前后两个实验，发现分子的无规则运动特别容易受温度的影响。因此，分子永不停息的无规则运动叫作热运动，而温度是分子热运动剧烈程度的标志。

设计意图：教师利用电子目镜将微观现象实时呈现，使每个学生都实时观察到现象，营造在技术支持的环境中公平学习的氛围。通过探索炭粒运动位置的连线，培养学生发现问题和解决问题的能力；通过进行多组实验，确定实验结论，培养学生严谨的科学思维；通过网盘分享成果，培养学生端正的学术态度、与同伴的协作和配合能力及表达能力。

活动四：探究分子间作用力

师：既然分子永不停息地无规则运动，那为什么大量分子却能聚集在一起呢？（演示铅分子引力实验）为什么挂了这么多重物还没有掉下来呢？

生：依靠铅分子与铅分子之间的分子引力作用。

设计意图：学生通过观察、猜想、参与铅分子引力实验，从驻足观看到动手实验，亲身体验到分子间真实存在的引力作用。

3.课堂小结—理论与实际互相联系，总结收获，学以致用

教师进行课堂小结及布置随堂练习，并提出实际问题。

师：本节课中应用到的Tracker软件还可以用来研究生活中的哪些运动呢？

生1：研究操场上跑步锻炼的同学的运动，如测量运动的实时速度、路程等。

生2：研究物理学中的平抛运动、自由落体运动等。

师：静谧的檀香依旧余香缭绕，分子在永不停息地做无规则运动，如同丝路一般，至今依旧为我国与邻邦的合作发展发挥着巨大的作用。

设计意图：通过让学生举例，将理论与实际相联系，扩散思维，学以致用。将丝路比喻成分子，在学习物理知识的同时，让学生了解到中国古老的丝路文化博大精深，并心生敬畏，学习中渗透学科德育。

●教学反思

1.电子目镜与手机支架的进一步思考

本案例在教师演示实验部分，在准备实验时，在电子目镜和手机支架两个设备之间对比很久，最后考虑到稳定性的因素，选择了电子目镜。然而手机支架设备在这个实验中也有很多亮点，如手机在生活中的普遍性比电子目镜强很多，手机支架价格相对较低，但性价比高。所以通过手机支架直接在手机中观看实验现象还有很多需要思考的地方，日后将加以改进并应用到本实验中，同时也应用到物理和生物学科的相关方面。

2.Tracker软件演示实验到学生实验的大胆尝试

对于Tracker软件的使用，本节课最开始仅仅是教师演示实验，偶然一次尝试才发现，原来不仅教师对信息技术辅助教学充满热情，学生对此也充满好奇与探究的欲望。在Tracker软件使用的学生实验部分，学生们都从座位上站起来，每个人都想尝试一下追踪绘制的过程，并且真的做到了。学生的能力需要挖掘与培养，有时大胆放手，会带来无限的惊喜。

3.反馈与评价需改进

针对本节课最后的习题反馈部分，本想采取反馈器等形式进行反馈，但因时间及设备的限制，没有找到合适的方式。另外，开放式思考题正在探索学生的开放式答案如弹幕般呈现出来。以上两部分教学设计还需要继续改进。