高中物理教学中提升科学思维的探索

2024-11-08陶梦雨

物理教学探讨 2024年10期

摘要：《普通高中物理课程标准（2017年版）》要求在教学过程中注重对学生学科核心素养的培养，在物理学科核心素养中，“科学思维”对学生的理科学习和未来的科学研究意义深远。高中物理课堂是科学思维品质培养的主阵地，如何设计好课堂，使之发挥最大的育人价值就很值得教育工作者研究。

关键词：高中物理教学；核心素养；科学思维

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）10-0015-3

收稿日期：2024-07-25

基金项目：江苏省中小学教学研究第十四期课题“系列微视频模式下新教材高中物理实验的开发和研究”（2021JY14-L10）；江苏省十四五教育科学规划课题“文化意蕴视角下的高中物理教学与评价研究”（SJMJ/2021/04）。

作者简介：陶梦雨（1995-），女，中学一级教师，主要从事高中物理教学工作。

“科学思维”是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用，是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格。其中，证据意识、推理论证、归纳反思、模型建构等对学生的各科学习甚至是未来发展都必不可少。本文以“分子动理论的基本内容”（第一课时）为例，通过对教学环节的设计，旨在提升学生的科学思维品质，探索高中物理教学的育人价值。

1 从生活引入对微观世界的探索

1.1 教学环节一：得到微观世界研究对象“分子”

请学生深吸一口气。

教师提问：吸进去的是什么？（生：气体）气体是由什么组成的？（生：气体分子）

教师提问：物体都是由分子组成的吗？（生：分子、原子、离子）

教师总结：这是从化学变化中的不同作用作出的区分，我们研究物体热学基本性质和规律的时候，把组成物质的微粒统称为分子。

这是根据研究问题对研究对象的分类，在此之前学生接触过的典型例子就是“质点”。什么情况下研究对象可以简化为质点来处理，取决于研究的问题是否需要考虑其大小、形状带来的影响。同样的，在这里我们把分子、原子、离子统称为分子，也是为学生突出了在接下来的“热学”研究当中描述的是它们的共性特征，是微观世界的一般规律。

1.2 教学环节二：用数据说明组成物质的分子之“大量”

请学生估测：吸一口气大约有多少分子？

已知人深吸一口气的气体体积大约为0.45 L，为方便大家计算，我们取现在教室环境下气体的摩尔体积为22.5 L/mol，根据阿伏伽德罗常数为6×1023个/mol，你能否估算出吸一口气大约有多少分子？

教师引导：如果让你每秒数一颗分子，人的寿命以秒来计一生也就109秒。你数不数得完？数不完；全班同学一起数也数不完；全地球70多亿人一起数也数不完。由此看来，物体由分子组成，且数量巨大。

教师提问：这一个空矿泉水瓶能装500 mL 空气，看起来体积不大，但装的分子数多到我们数不完，说明单颗分子的尺寸如何？（生：很小）

猜一猜：分子有多小？你眼睛能直接看到吗？光学显微镜能看到吗？

教师：随着显微镜技术的发展，1982年扫描隧道显微镜问世，它可以通过观察定位单个微观粒子，并且在低温条件下对它进行排列组合。伴随着科技的进步发展，现在已经能够测算出分子的尺寸非常小，大约是10-10 m。

作为本节教学的主要内容之一，“物体是由大量分子组成的”，如何突出“大量”？我们可以从两个角度来分析：首先是宏观与微观的桥梁——阿伏伽德罗常数，让学生动手计算出深吸一口气会吸入多少粒子，培养学生学会用数据说话，养成“证据意识”。其次，宏观体积不大而其组成的微观粒子数量庞大，那必然要求微观粒子本身尺寸极小，从而间接说明了要想呈现出宏观可见的形状体积，所需的微观粒子必须“大量”。

2 寻找“分子运动”的证据

2.1 教学环节三：调用熟悉的“扩散现象”

思考：分子是运动的还是静止的？（生：运动的）

教师：你有什么证据可以证明“分子是运动的”？（生：扩散现象）

教师：人的裸眼分辨率最小可观察到10-4 m的微小物体，能看到分子吗？（生：看不到）

教师：那你为什么能由宏观可见的扩散现象说明分子在运动？（生：因为扩散是物质彼此进入，那组成物质的分子也必然进入，所以说分子运动了）

教师演示实验：红墨水滴入冷热水中——请学生解释为什么扩散快慢不同？

学生猜想温度不同，并上台触摸验证猜想。

教师引导：如果我们用扩散现象说明分子在运动，那么刚刚的实验又为我们表明，温度越高，分子运动越—— （生：越剧烈）

教师介绍：科学的发现必将应用于发展，我们在生产半导体器件的时候需要在纯净的半导体材料中渗入其他元素，这一过程就可以在高温条件下通过分子的扩散来完成。

教师：你还有没有扩散的生活应用例子？（学生举例卤蛋等）

“分子在运动”这个结论的得出不难，但观点的提出需要有证据的支持，这也是对学生“证据意识”的培养。扩散现象是宏观的，如何由宏观现象得到微观粒子运动的结论，就需要学生进行逻辑推理。关于扩散现象与温度的关系，让学生从现象开始作假设，再实践验证猜想，这就是一次完整的科学探究过程。而通过实验探究归纳总结出观点则是“科学思维”中归纳推理的应用。科学结论的得出要服务于社会发展，让学生在生活中找寻“温度越高扩散现象越剧烈”的应用实例，也是科学价值的呈现，有助于培养学生的科学态度。

2.2 教学环节四：“布朗运动”实验

2.2.1 实验观察

思考：你还有什么办法可以说明分子在运动？（生：用显微镜直接观察）

教师介绍：大约在200年前，英国植物学家布朗就是通过光学显微镜发现了一个令他无法解释的实验现象，轰动一时。接下来，老师为大家重现一下当时布朗的研究。

教师边操作边介绍实验器材。

请学生观察现象：你看到了什么？（PPT提示：谁？在干嘛？有什么特点？）

教师引导：看到了？

生：分子在动。

教师提问：我们使用的光学显微镜放大倍数为1000倍，用它能观察到分子吗？

生：不能。

师：为什么不能？

生：尺寸不一样，用光学显微镜我们看到的是10-7 m大小的微小颗粒，分子的尺寸是10-10 m。

师：所以我们观察到的是不是分子在动？（生：不是）

教师引导：它在怎么动？

生：无规则地动。

师：你怎么证明它们在无规则运动？（请学生在黑板上描几个点，投影放大看）

教师进一步引导：你和科学家们想的一样，他们也追踪了一些颗粒，画了这些图样。这些是不是颗粒的运动轨迹？（生：不是，因为中间的时刻点对应位置不一定在折线上）你能不能预测下一刻在哪？（生：不能）

生总结：微小颗粒在做无规则运动。

对于“运动”，学生在刚步入高中阶段就学习了对运动的描述，所以由“观察”直接得到分子运动，是对前期学习的简单迁移。高中物理的学习离不开实验，观察能力是实验的基础，让学生学会简明扼要地描述实验中观察到的现象，对学生观察能力的培养至关重要。由数据分析得到尺寸不对进而证明微小颗粒不是分子，这也是对学生证据意识、推理能力的锻炼。而最终让学生总结出“微小颗粒在做无规则的运动”也是实验环节的重要步骤——归纳，从大量实验现象中归纳总结出一般性规律是我们物理学发展的重要途径。抓住每一次机会让学生学会总结与反思，对学生未来发展意义深远。

2.2.2 建模推理解释现象

再观察：同学们描点反映出来的颗粒的运动剧烈程度好像也不一样？（生：小的运动更剧烈）

分析观察结果产生的原因。

教师提问：颗粒为什么动？（外界因素排除，发现不影响）

教师提问：那你能不能解释一下颗粒运动的无规则性？

教师提问：那你能不能解释一下为什么大小颗粒的运动情况不同呢？

学生分组讨论。

总结：通过颗粒的运动间接推理出了周围水分子的运动。

教师提问：类比一下扩散现象，你有没有办法让颗粒运动得更剧烈？（生：加热）

教师演示：冷热对比实验验证猜想。（先录屏保留微粒未加热前的运动情况，再和加热后的同屏播放对比）

请学生总结：温度越高，颗粒运动越剧烈。

这个环节的设计主要是锻炼学生“科学推理”的能力，去找寻微小颗粒运动的本质原因。并且通过模型建构解释“为什么越小的微粒运动越剧烈”“为什么温度越高运动越剧烈”等由他们自己观察发现的现象，引导学生形成建构物理模型抽象概括和推理论证的科学思维品质。让学生通过类比迁移提出“升温让颗粒运动更剧烈”的办法，也是对前面知识的调用和对“温度影响”的进一步强化。

2.2.3 物理学史教育

教师介绍：刚刚我们的实验其实就是重现1827年布朗的研究，他通过显微镜发现花粉颗粒在水中总是会发生无规则的运动，这个现象在当时无法被解释。布朗一开始认为可能是植物花粉有生命产生的运动，于是他换成了上百年的植物标本，换成了无机物粉末，但发现即使是用没有生命的无机物粉末，也可以看到相似的情况。布朗发现并提出这个微观世界运动的问题在当时激起了很多科学家的探索热情，纷纷提出了自己的猜想，建模并尝试通过实验佐证自己的观点，推动了微观世界的探索进程。包括我们所熟悉的爱因斯坦也做过定量研究，发表过相关论文，而法国物理学家佩兰也因为定量实验验证了布朗运动理论而获得诺贝尔奖。

为了纪念布朗，我们将“悬浮在液体（或气体）中的微小颗粒永不停息地做无规则运动”称为布朗运动。

科学推动社会发展，布朗运动现在广泛应用于核磁共振成像、金融股票建模等领域。

这里是对物理学史的回顾，让学生发现自己的探究路径和科学家不谋而合，进而产生自豪感；前人因此获得诺贝尔奖，更是激发了学生对物理学习的热情。布朗的探究过程，也体现出了科学家锲而不舍、严谨认真的科学态度。而如今，布朗运动模型在各个领域广泛应用更是推动了社会发展，培养学生为科学进步而努力的责任意识。

3 抓住课堂总结，提升归纳能力

教师引导：围绕着“分子运动的证据”，我们研究了扩散和布朗运动，你能否总结一下它们有哪些联系？

生：无规则，永不停息，和温度有关。

教师总结：这些其实就是分子运动的特点，因为和温度有关，所以我们把分子永不停息地做无规则运动叫作热运动。

这部分是对本堂课的总结，让学生归纳能够帮助他们回顾知识点和提炼重点，在过程中体会归纳对物理学习的重要性。

一节物理课可容纳的核心素养提升点很多（归纳、推理、建模等），把细节设计好，让学生在教师引导下把问题有理有据地讲明白，才能真正实现物理核心素养指引下高中物理课堂中对知识教学、能力提升、素养培育的教育教学目标。

参考文献：

［1］沈正杰.基于学科情境凸显高中物理科学思维的问题设计——以“牛顿第二定律”教学为例［J］.物理通报，2023（8）：102-105.

［2］覃挥光.以科学思维整合高中重点物理知识的教学研究［J］.物理教学探讨，2023，41（6）：7-11.