“研学物理课堂”模式下的高中物理教学实践*——以人教版“液晶”教学设计为例

周家盛 韦叶平

(江苏省武进高级中学 江苏 常州 213149)

陆建隆

(南京师范大学教师教育学院 江苏 南京 210046)

“研学物理课堂”是一种以“问题→研究→展示→评价”为主线的教学模式.研,即研究——以研究的方法;学,即学力——提升学习能力,研学物理课堂即是构建培养学生以研究的方法,提升学习能力的物理课堂[1].“液晶”部分内容在常规教学模式下,主要是教师进行讲授,知识灌输现象严重,学生对液晶的特性一知半解.笔者认为有必要优化“液晶”部分的教学,让学生进行真研究、得到真结论、形成真观念.

1 教学目标的确定

1.1 课标分析

“液晶”是新课标选择性必修3模块第一主题“固体、液体和气体”的内容,课程标准将“液晶”放在“固体的微观结构”条目中,其基本内容要求是“通过实例,了解液晶的主要性质及其在显示技术中的应用”[2].可见,液晶相关的实例和应用是本堂课教学过程中不可或缺的内容.

1.2 教材及学情分析

“液晶”的教学内容来自人教版《普通高中教科书 物理(选择性必修第三册)》第二章第5节“液体”的一个小节,这与课程标准的内容安排不一致.教材在研究固体、液体的基础上,简单地对液晶的结构和物理特性进行了介绍.在这一基础上,教材中的“科学漫步”栏目以“液晶显示”为题,对液晶最基本的显示原理进行了介绍,使学生能对日常生活中的液晶显示设备有所认识,为有兴趣的学生打开一扇窗户,鼓励他们了解其他显示技术.

本小节位于本章“气体、固体和液体”的最后一节,学生已基本掌握固体与液体的特性,可通过“液晶”的学习来巩固并加深学生对晶体的理解.另外,由于新教材将“光的干涉、偏振”等内容置于选择性必修第一册,学生在学习“液晶”的光学各向异性、液晶显示的基本原理时即可运用已学知识来解释现象,达到复习提升的目的.

根据教师用书,“液体”这节课建议安排2课时,“液晶”与本节“液体的表面张力”“浸润和不浸润”关系不大,故笔者将“液晶”这小节内容单独安排1课时进行教学设计,使学生拥有更多时间来对液晶的结构和物理特性展开研究.

1.3 教学目标

(1)完善对物质观的认识,知道物质除了有基本的三态外,还有液晶等其他聚集状态(物理观念).

(2)构建液晶的微观物理模型,知道液晶材料具有结晶态、液晶态和液态等物质状态(科学思维).

(3)通过牙签实验类比,模拟液晶分子的外形特征,感受温度对液晶分子排列的影响(科学探究).

(4)了解液晶显示和生物膜等应用,体会液晶在光学和生命科学中的重要作用(科学态度与责任).

2 教学过程的设计

2.1 问题:创设问题情境 建构物理观念

教学环节1：教师播放科普视频《探究液晶的奥秘》,视频主要内容:液晶是一种既能像液体一样流动,又能像晶体一样与光发生相互作用的独特物态.它们通常由较长的有机分子构成.由于液晶兼有晶体改变光的能力与液体的流动性,它们可以用于制作超柔韧、对颜色敏感的棱镜和偏振片,这使得它们在显示器制造方面极为有用.更神奇的是,液晶还是生命的核心……观看视频后,教师引导学生对不太能理解的内容或特别感兴趣的方面进行提问和交流.学生可能会提出以下问题.

问题1:液晶为什么大多为棒状?

问题2:哪些因素会影响液晶分子定向排列?

问题3:液晶是如何应用在显示领域的?

设计意图:播放科普视频充分展现液晶的奥秘,激发学生探究欲望;由“教师问学生”转变为“学生提问题”,调动学生的积极性,激发学生学习的内驱力;教师将从学生提出的若干个问题出发,正式步入研学物理课堂,指导学生进行一系列的实验研究,逐步形成液晶的微观物理模型,建构物质观念,提升学生的学习能力.

2.2 研究:引导科学探究 激活科学思维

教学环节3(对应问题2):教材指出,随着温度的升高,液晶分子的有序程度会逐渐下降,温度是液晶材料在结晶态、液晶态、液态之间转变的一个影响因素.我们能不能也用牙签来研究温度对定向排列的影响呢?我们可以用改变释放高度的方法模拟温度的变化.正如添加热量会增加液晶分子无序度一样,较大的重力势能使牙签落地时速度较大,偏转大角度的概率增加,从而降低系统的有序度[3].交流讨论后确定实验方案:各组分别从10cm、20cm、30cm高度处自由释放原始长度的牙签30枚(实验要求同上),得到不同高度释放的牙签排列图,用平板电脑拍照留存.

设计意图:把研究“还”给学生,教师要从“演员”变成“导演”,在学生最需要的时刻,提供适度的支持.在上述两个学生实验环节,教师引导学生经历“设计方案—讨论优化—尝试执行—归纳反思”科学探究过程,在此过程中贯穿着类比法、控制变量法等思想方法,强调高中物理方法的重要性.这两个“牙签实验”环节的安排看似天马行空,但其实验目的都紧扣教材,让学生在发展思维的同时掌握学科必备知识.

2.3 展示:追求多维互动 强化探究活力

教学环节4：完成两个牙签模拟液晶分子排列的实验后,各小组将各自拍下的牙签排列图进行共享,小组间进行充分的交流和讨论,每个小组推选1人进行简短的汇报,以图片(图1)、语言、幻灯片等形式进行展示,分享通过观察对比初步得到的实验结论:牙签越短,排列的无序度越高;释放高度越高,排列的无序度越高.这个结论在一定程度上也能类比到液晶的分子排列特性:液晶分子之所以大多为棒状分子,是因为这种形状更利于液晶材料呈现液晶态;温度升高,液晶分子重心位置和分子取向的有序性会逐渐消失.

图1 各小组拍摄的牙签排列图

设计意图:改变教师总结提炼这种传统教学方法,研学物理课堂模式提倡学生进行总结展示.在实验探究后设置展示环节,一方面能让学生体验研究的完整过程,另一方面通过交流展示,能形成组员间、小组间、师生间的多维互动,不仅能迅速暴露出过程中的不足,还能在互动中形成生成性资源,进一步强化学生的科学探究活力.

2.4 评价:多元发展评价 形成科学态度与责任

教学环节5(对应问题3):还有哪些因素会影响液晶的结构和物理特性?我们继续研究.教师指导学生阅读教材中“科学漫步——液晶显示”栏目,请学生根据自己的理解对液晶显示原理图(图2)进行理论分析.外界的自然光通过偏振片1后,成为偏振光,如果两极板间没有电压,光的偏振方向会被液晶旋转90°(这种性质叫做液晶的旋光性),于是它能通过偏振片2,屏幕上就是亮的,如图2(a)所示;但在两极板间加上一定大小的电压时,液晶的旋光性消失,于是光线通不过偏振片2,屏幕上此区域就变暗了,如图2(b)所示[4].教师让其他学生对该生的回答作出评价,并引申出电磁场也会影响液晶的排列和特性的结论.感兴趣的同学课后可以查阅液晶显示和生物膜中的液晶结构相关资料,加深对液晶特性的理解,感受物理学在日常生活和医学领域的应用.

图2 液晶显示原理图

设计意图:经过上面几个环节的研究,学生已经初步建立起液晶的微观结构,基本掌握液晶的物理特性,此时教师设计阅读并回答问题的环节可起到评估学生接受情况、检验课堂教学效果的目的.对于学生的回答,教师应将教师评价、生生互评、学生自评等多元化、发展性评价有机结合起来,既能帮助学生暴露错误,又能保护学生的自尊心,也能在教师指导、同伴帮助下纠正错误,从而形成科学态度与责任等核心素养的协同发展.

3 总结与反思

在“问题→研究→展示→评价”这一研学物理课堂模式下,学生主动发问、亲历研究、打磨展示、互相评价,在“研”的路上不断学习必备知识、发展核心素养、涵育科学精神,达到提升学力的总目标,提升学力可促进学生向更高层次、更深维度的“研学”之路进发,从“研学物理课堂”走向“研学·物理·社会”,切实培养能力强、思维新、肯吃苦的社会主义建设者和接班人.在尝试研学物理课堂教学模式的过程中难免遇到阻力,如课时较紧张、备课强度大、学生不适应等问题,但我们不能因噎废食,教师可以利用每本人教版高中物理教材最后的“课题研究”等教学资源,将“研学”的思想播撒给更多的学生,让研学物理课堂教学模式在高中物理教育领域生根发芽.