立足方法教育的生成性教學(xué)案例①——以“分子熱運(yùn)動”為例

徐　展

(江蘇省常州市第二中學(xué)，江蘇　常州　213003)

①　本文為江蘇省教育科學(xué)十二五規(guī)劃課題“生成性教學(xué)研究”(課題編號D/2013/02/419)與“高中物理顯性科學(xué)方法教育課堂的構(gòu)建研究”(課題編號B-b/2013/02/230)的研究成果之一.

立足方法教育的生成性教學(xué)案例①
——以“分子熱運(yùn)動”為例

徐展

(江蘇省常州市第二中學(xué)，江蘇常州213003)

①本文為江蘇省教育科學(xué)十二五規(guī)劃課題“生成性教學(xué)研究”(課題編號D/2013/02/419)與“高中物理顯性科學(xué)方法教育課堂的構(gòu)建研究”(課題編號B-b/2013/02/230)的研究成果之一.

摘要：本文以教學(xué)案例，介紹筆者立足教會學(xué)生科學(xué)方法的教育實(shí)踐，采用根據(jù)課堂中的互動狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整教學(xué)思路和教學(xué)行為，踐行生成性教學(xué).

關(guān)鍵詞：分子熱運(yùn)動；教學(xué)案例；方法教育；生成

1引言

長期以來，物理課堂中的方法教育得不到應(yīng)有的重視，教師們總傾向于按照知識內(nèi)在的邏輯順序來設(shè)計(jì)教學(xué)活動.事實(shí)上，無論是在從現(xiàn)象中歸納得出物理知識這一知識獲取過程中，還是在由物理知識演繹解決新問題，或延伸得到新知識的應(yīng)用過程中，科學(xué)方法才是核心，才是我們要學(xué)生逐步掌握的重點(diǎn).

要教會學(xué)生方法，簡單采用“告訴”的方式顯然不會收到預(yù)期效果，教師采用互動對話型的教學(xué)方式，根據(jù)課堂中師生互動情況及時(shí)調(diào)整教學(xué)思路和教學(xué)行為，這種動態(tài)的教學(xué)方式將有利于學(xué)生體會、思考、運(yùn)用方法，從而實(shí)現(xiàn)方法教育的目標(biāo).

2設(shè)計(jì)思路

從科學(xué)家看待自然現(xiàn)象的角度異于常人切入主題，讓學(xué)生觀察花粉顆粒的無規(guī)則運(yùn)動，圍繞“看到現(xiàn)象，如何研究”這一中心，引導(dǎo)學(xué)生觀察、描述、深入研究現(xiàn)象，從而總結(jié)出研究自然現(xiàn)象的方法，最后以擴(kuò)散現(xiàn)象為例進(jìn)行方法教育.

3教學(xué)過程

3.1引入課題

第八屆江蘇省花博會在常州舉行，身為常州人，我很自豪！花在文人墨客眼中自有一番詩情畫意，而在科學(xué)家眼中卻另有一番含義.

課件展示：1827年，英國著名植物學(xué)家布朗在研究植物授粉過程中，用顯微鏡觀察懸浮于水中的花粉小微粒，看到了令他驚奇的現(xiàn)象，這里模擬一下當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn).

3.2觀察現(xiàn)象、描述現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)演示：紫薇花花粉微粒懸濁液切片觀察(使用數(shù)碼顯微鏡Motic BA210，物鏡40×).

師：請同學(xué)們描述現(xiàn)象.

生：有很多東西在動！

師：什么東西在動？

生：應(yīng)該是花粉微粒.

師：在怎樣運(yùn)動？

生1：往復(fù)運(yùn)動.

師：仔細(xì)觀察，花粉微粒是在某一位置附近來來回回地運(yùn)動嗎？

生：不是.

生2：做永不停息地?zé)o規(guī)則運(yùn)動.

師：就觀察了這么一段時(shí)間，就能說永不停息嗎？僅靠肉眼觀察你怎么知道運(yùn)動一定無規(guī)則呢？

生：……

師：這種運(yùn)動是否永不停息，是否無規(guī)則，需要進(jìn)一步研究，這里我們只能說“花粉微粒不停運(yùn)動”.

師：除了“花粉微粒不停運(yùn)動”，還有什么現(xiàn)象呢？

生：有的微粒運(yùn)動得快.

師：什么微粒“快”？

生：小的微粒.

師：觀察大微粒、小微粒，誰的運(yùn)動范圍大？

生：小的.

師：用怎樣一個(gè)詞描述小微粒運(yùn)動的特點(diǎn)更確切而簡潔呢？

生：微粒越小，運(yùn)動越明顯.

3.3實(shí)驗(yàn)研究花粉微粒的運(yùn)動

師：設(shè)想你就是1827年的布朗，當(dāng)你觀察到這個(gè)現(xiàn)象，你準(zhǔn)備怎樣研究這一現(xiàn)象？

生：分析花粉微粒的受力.

師：很好！牛頓定律沒有白學(xué).這是從已有知識出發(fā)進(jìn)行理論研究，但花粉微粒受力比以前我們研究的要復(fù)雜許多，你的知識儲備并不足以進(jìn)行這種理論研究，就像1827年的布朗一樣.

師：理論研究不行，我們可以……

生：實(shí)驗(yàn)研究.

師：你準(zhǔn)備進(jìn)行怎樣的實(shí)驗(yàn)研究呢？

生：找個(gè)放大倍數(shù)更大些的顯微鏡來觀察.

師：好！

實(shí)驗(yàn)演示：紫薇花花粉微粒懸濁液切片觀察(使用數(shù)碼顯微鏡Motic BA210，物鏡100×).

生1：看得更清晰了.

生2：的確不是往復(fù)運(yùn)動.

生3：微粒越小，運(yùn)動的確越明顯.

師：還能進(jìn)行怎樣的實(shí)驗(yàn)研究呢？猜猜這種運(yùn)動與什么因素有關(guān)？

生：溫度.

師：猜想與溫度有什么關(guān)系？

生：溫度高，運(yùn)動快.

師：如何驗(yàn)證你的猜想？

生：加熱！

實(shí)驗(yàn)演示：加熱懸濁液后再觀察.

生：溫度越高，微粒運(yùn)動越快.

師：明顯這個(gè)詞更確切.

師：回顧剛才我們的這一段實(shí)驗(yàn)研究的研究方法，是先怎樣，再怎樣？

生：先猜想，再驗(yàn)證.

師：的確，實(shí)驗(yàn)研究一類現(xiàn)象往往按先猜想后驗(yàn)證，再猜想，再驗(yàn)證的順序.

師：那么下面我們還可以作哪些猜想呢？

生：猜想這種運(yùn)動與磁場、電場有關(guān).

師：猜想后呢？

生：用磁鐵或者帶電體靠近，看花粉微粒的運(yùn)動有什么變化.

師：這些實(shí)驗(yàn)同學(xué)們可以課后到實(shí)驗(yàn)室去完成.

師：最初讓同學(xué)們描述現(xiàn)象的時(shí)候，有同學(xué)說“無規(guī)則運(yùn)動”，那也都是猜想，那么你可以設(shè)計(jì)怎樣的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證呢？

生：用方格紙描軌跡.

師：你這個(gè)想法太棒了！一個(gè)世紀(jì)前的一次科學(xué)會議上，一個(gè)叫肖塞格的學(xué)生報(bào)告了一種觀測微粒運(yùn)動的方法：用照相機(jī)映畫器將微粒的位置顯示在紙面上，跟蹤一個(gè)顆粒，每隔半分鐘標(biāo)一次位置.我仿照這種方法在方格紙上繪制得到了三個(gè)微粒的這種圖像(如圖1).

圖1　顯微鏡下三顆大小不同微粒運(yùn)動位置的連線(切片傾斜)

師：這是三個(gè)微粒的軌跡圖嗎？

生：不是.

師：應(yīng)該是位置連線.從位置連線圖中我們能說微粒做無規(guī)則運(yùn)動嗎？

生：不能，偏向一邊.

師：后來發(fā)現(xiàn)這是切片放置稍有傾斜所致，將切片水平放置得另一張圖(如圖2).

圖2　顯微鏡下三顆大小不同微粒運(yùn)動位置的連線(切片水平)

師：恐怕?lián)藞D說明微粒的運(yùn)動無規(guī)則底氣更足.這里的三個(gè)位置連線圖是大中小三種微粒的，據(jù)圖說“微粒越小，運(yùn)動越明顯”也更有說服力.

師：那么“永不停息”這一猜想如何驗(yàn)證呢？

生：放置一段時(shí)間再觀察是否還有這種運(yùn)動.

師：放置多久？

生：幾天，幾個(gè)月，更長……

師：很好！

師：有沒有思考過這種永不停息無規(guī)則運(yùn)動的產(chǎn)生原因呢？

生：是不是因?yàn)榛ǚ凼腔畹模?/p>

師：在采集花粉的時(shí)候，我看到過混雜在花粉顆粒中極小的蟲子，由此很容易讓人產(chǎn)生“這種無規(guī)則運(yùn)動是生命活動”的想法，進(jìn)化論提出者達(dá)爾文也這么認(rèn)為.那你設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一下.

生：殺死花粉，比如燒.

師：燒可能引起花粉微粒較大的變化，比如變成焦炭了，盡量不要用這種方法.但這種進(jìn)行滅活處理的思路是正確的.當(dāng)年布朗先生利用其植物學(xué)家的便利，用標(biāo)本室里放置了上百年的花粉標(biāo)本制作懸濁液切片觀察.

師：那么除了對花粉進(jìn)行滅活處理外，你還能設(shè)計(jì)怎樣的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證呢？花粉可能是活的，是否可以用其它肯定不是活的微粒制成懸濁液切片也能觀察到這種運(yùn)動呢？

生1：用粉筆灰.

生2：用碾碎的石塊.

師：很好！

實(shí)驗(yàn)演示：藤黃顏料配制的懸濁液切片觀察.

師：當(dāng)年布朗先生用存放百年以上的花粉標(biāo)本、碾碎的窗玻璃、無機(jī)礦物、雕像碎片等做成懸濁液切片觀察，結(jié)果都發(fā)現(xiàn)了這種運(yùn)動.這樣自然會產(chǎn)生一個(gè)疑問：用什么樣的微粒能觀察到這種無規(guī)則運(yùn)動？

生：不能太大，不能太小.

師：多大呢？

生1：(在顯微鏡觀察到的圖中)量一下微粒的大小.

生2：據(jù)放大倍率算一下.

師：先量后算.很好！由于時(shí)間關(guān)系我們不演示，而是做個(gè)直觀的對比實(shí)驗(yàn).

演示實(shí)驗(yàn)：顆粒與頭發(fā)絲對比實(shí)驗(yàn)(如圖3).

圖3　以頭發(fā)絲為背景的布朗粒子

師：頭發(fā)絲直徑大約是0.1毫米數(shù)量級的，據(jù)此估算微粒大小的數(shù)量級.

生：微粒的尺寸大約是頭發(fā)絲的百分之一，因此微粒大小的數(shù)量級大約是10-6米.

師：現(xiàn)在你認(rèn)為用什么樣的微粒能觀察到這種無規(guī)則運(yùn)動？

生：用大小為10-6米數(shù)量級的微粒能觀察到這種運(yùn)動.

師：你覺得用10-6米數(shù)量級的鐵屑微粒也能觀察到這種運(yùn)動嗎？

生：不可以.

生：用大小為10-6米數(shù)量級、能懸浮在液體中的微粒，能觀察到這種運(yùn)動.

師：這也只是猜想，同學(xué)們可以發(fā)揮想象力，自己去尋找微粒，制作懸濁液切片進(jìn)行更為廣泛的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

課件展示：布朗在1828年的兩篇論文中基本涵蓋了剛才討論的內(nèi)容，后人把這種懸浮在液體中大小為10-6米數(shù)量級微粒的無規(guī)則運(yùn)動稱為布朗運(yùn)動.

3.4布朗運(yùn)動產(chǎn)生的原因

師：既然這種運(yùn)動與生命活動無關(guān)，那么產(chǎn)生原因到底是什么呢？布朗本人認(rèn)為布朗運(yùn)動就是分子運(yùn)動，你認(rèn)為呢？

生：不對.

師：這也是你的猜想，如何驗(yàn)證？

生：用實(shí)驗(yàn).

師：只有用實(shí)驗(yàn)才能驗(yàn)證？換句話說，除了實(shí)驗(yàn)研究外，還有其他研究方法嗎？

生：前一節(jié)學(xué)過分子直徑的數(shù)量級是10-10米，做布朗運(yùn)動的微粒才10-6米數(shù)量級.

師：很好！看來，以同學(xué)們目前的知識儲備已經(jīng)能夠從已有結(jié)論角度去分析，推斷得布朗運(yùn)動不是分子運(yùn)動了.的確，檢驗(yàn)猜想可以從現(xiàn)有理論推斷、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)角度進(jìn)行.

課件展示：19世紀(jì)的一位物理學(xué)教授提出：布朗運(yùn)動是液體從照明光線中吸熱，使液體流動而使微粒移動所致.這也是個(gè)猜想，你準(zhǔn)備如何驗(yàn)證？

生：在無光照條件下觀察.

師：沒有照明顯微鏡是不能工作的.當(dāng)無法通過減小某因素的方法檢驗(yàn)該因素是否影響實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們可以……

生：增大這一因素.

師：如何增大？

生：增大照明光線的光強(qiáng)，看布朗運(yùn)動是否有變化！

師：這個(gè)設(shè)計(jì)很好！同學(xué)們可以課后到實(shí)驗(yàn)室嘗試.

課件展示：1904年，法國著名物理學(xué)家彭加萊指出：1μm的微粒受液體分子各向撞擊不平衡是布朗運(yùn)動的產(chǎn)生原因.

師：彭加萊的解釋也是猜想，有待驗(yàn)證的猜想，這個(gè)驗(yàn)證工作由著名理論物理學(xué)家愛因斯坦和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家佩蘭共同完成.

課件展示：愛因斯坦、佩蘭對布朗運(yùn)動的研究.

師：理論大師與實(shí)驗(yàn)大師強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，果真“無堅(jiān)不摧”.

3.5擴(kuò)散現(xiàn)象再研究

實(shí)驗(yàn)演示：切開幾只在醬油中浸了幾小時(shí)、2天、4天的三個(gè)熟雞蛋.

師：這是什么現(xiàn)象？

生：擴(kuò)散.

師：你準(zhǔn)備怎樣研究擴(kuò)散現(xiàn)象？

生：猜想、驗(yàn)證.

師：如何驗(yàn)證？

生：運(yùn)用理論或者實(shí)驗(yàn).

師：猜想可以有哪些方面？

生：探究影響擴(kuò)散運(yùn)動的內(nèi)部因素、外部因素，解釋產(chǎn)生原因等.

3.6小結(jié)

自然現(xiàn)象無處不在，以藝術(shù)的眼光去發(fā)掘能陶冶我們的情操，以生活的眼光看待能使我們享受平凡的生活，而你從科學(xué)的角度去探索則能提升我們的科學(xué)素養(yǎng).

今天花博會的召開使身為常州人的我們倍感自豪，希望明天常州能因?yàn)榫哂心銈冞@些高素養(yǎng)的市民而驕傲，更希望你們能象布朗、愛因斯坦等科學(xué)家一樣，因深入研究自然現(xiàn)象而名垂青史.

4課后反思

在本節(jié)課中，教師將課堂核心放在“看到現(xiàn)象，如何研究”這一問題上，力圖讓學(xué)生體會、思考，并運(yùn)用探究自然現(xiàn)象的方法.在教學(xué)實(shí)施過程中努力與學(xué)生以平等關(guān)系、開放心態(tài)交流思想，讓學(xué)生在教師幫助下體驗(yàn)研究自然現(xiàn)象的過程.對于筆者而言，這是一次全新的嘗試，經(jīng)過若干次課堂實(shí)踐后，有兩點(diǎn)感受與大家分享.

4.1適度預(yù)設(shè)，才能有效推進(jìn)課堂

生成性教學(xué)不能被學(xué)生“牽著鼻子走”！某次課堂上筆者讓學(xué)生“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明布朗運(yùn)動不是生命活動”，一位學(xué)生提出事先將花粉燒一下的方法，筆者沒有加以引導(dǎo)，結(jié)果學(xué)生都往如何殺死花粉方面去考慮，在這個(gè)問題上浪費(fèi)了許多寶貴的課堂時(shí)間.反思后決定將預(yù)設(shè)的問題改為“是否只有花粉微粒才有這種現(xiàn)象呢？同學(xué)們設(shè)想如果你來做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，還會用什么東西制作切片來觀察？”這樣可以減少學(xué)生回答太過發(fā)散、課堂難以駕控的麻煩.

但最終筆者還是沒有修改問題，因?yàn)椤安祭蔬\(yùn)動是不是生命活動”，是研究花粉微粒無規(guī)則運(yùn)動這一自然現(xiàn)象過程中必然會產(chǎn)生的問題，“如何驗(yàn)證該運(yùn)動與生命活動無關(guān)”也是必定要經(jīng)歷的思考.與其在課堂上回避不如課前多設(shè)想學(xué)生可能的回答，思考引導(dǎo)的具體方法.由此可見，設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)既不能預(yù)設(shè)過多，限定學(xué)生思維，又不能預(yù)設(shè)不足，使課堂難以駕控，預(yù)設(shè)要適度.

4.2形成常態(tài)，才能真正促進(jìn)發(fā)展

無論是生成性教學(xué)還是方法教育，高中生都比較陌生.長期以來學(xué)生適應(yīng)了立足“考點(diǎn)”的應(yīng)試型課堂教學(xué)，適應(yīng)了教師講、學(xué)生聽的教學(xué)方式，突然在某次課堂上教師將“學(xué)會如何研究自然現(xiàn)象”作為課堂核心目標(biāo)，以師生對話作為主要教學(xué)手段，學(xué)生真有點(diǎn)不適應(yīng).

唯有常態(tài)化，把方法教育、生成性教學(xué)的理念融入每節(jié)課中，才能逐漸展現(xiàn)出傳統(tǒng)教學(xué)無法比擬的優(yōu)勢，真正促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展.